キュリオシティの遺産: 今週の着陸成功がロボット宇宙探査の未来に何を意味するか

火星探査車キュリオシティが着陸しました。インターネットに接続している方ならご存知でしょうし、日曜/月曜の真夜中に行われたにもかかわらず、身の毛もよだつ着陸がメディアで大々的に報道されたので、当然のことながらご存知でしょう。NASA は、未試験の着陸操作により、惑星探査車に搭載された科学機器の中で最も高度な一式を火星の表面に運びました。これらの機器は、他の惑星で 2 年間中断することなく比類のない地質学研究を行うのに役立つはずです。それ自体が本当に素晴らしい話です。しかし、これがすべてではありません。

惑星間ロボット ミッションには、それぞれ技術的な「初」があり、それぞれがその後のミッションの設計に影響を与えてきました。小型探査機から大型探査機へ、人間に大きく依存するロボットからある程度の自律性を備えたロボットへと進化してきました。この初期段階では、キュリオシティの科学的遺産がどのようなものになるかを理解することすら不可能ですが、技術的な観点からは、その遺産はすでに形になりつつあります。それを理解するには、今週の見出しの合間を読むだけで十分です。キュリオシティの着陸成功から推測できるいくつかのことは、今後のロボットによる宇宙探査に大きな影響を与えるでしょう。

これまでは置けなかった場所にも大きなものを置けるようになりました

「これは、ロボット探査コミュニティの野望が拡大し続けていることを示す一例だと思います」と、ジョンズ ホプキンス大学応用物理学研究所宇宙部門主任技術者のロバート ゴールド博士は、MSL ミッションについて語っています。「私たちは、ブリーフケースほどの大きさのソジャーナ探査車 [火星パスファインダー ミッションの一部] から始めました。次にスピリットとオポチュニティが続きましたが、これらは机ほどの大きさでした。そして今、小型車ほどの大きさのキュリオシティがあります。」

「20年前には人々が考えもしなかったレベルの探究へと私たちを導く進歩があるのです。」
このサイズの増大は偶然ではなく、設計も容易ではなかった。火星探査車と着陸機のミッションが続くたびに、宇宙飛行技術者はより大きな物体とより多くの科学機器を火星の表面に運ぶ新しい方法を考案し続けた。以前のミッションでうまくいった解決策は、一般的には新しい、より大きな積荷にはスケールアップできないからだ。ゲイルクレーターの底にキュリオシティを降ろしたスカイクレーンによって、スケーラビリティの問題は少なくとも一時的には解決されたようだ。

「私たちは、1 トンのものを火星の表面に運ぶ能力を構築したかったのです」と、NASA の火星探査プログラムの主任科学者であり、MSL のプログラム科学者でもあるマイケル・マイヤー氏は言います。「ですから、大きな継続技術の 1 つは、その重量のものを表面に運ぶことができるスカイクレーン装置全体です。このシステム全体により、着陸プラットフォームの重量がなくなり、逆噴射ロケットの上に着陸する場合に降ろすために必要な傾斜路もなくなります。不要なものをすべて取り除いたことで、大きな成果が得られました。これにより、かなり重いものを火星の表面に運ぶことができるようになりました。」

さらに大きな積載物を扱えるように拡張できるだろうか？非常に慎重な計算とモデリングを行わなければ何とも言えないが、一見するとスカイクレーンを2倍に拡張することは実現可能に思えるとマイヤー氏は言う。10倍？もしかしたら可能かもしれない。重要なのは、NASAが1トンもの物体を別の惑星に置いたことだ。太陽系のどこかにそれだけの重量を正確に置けるものがあれば、将来のロボット、将来の人間の居住地の一部、ロボット艦隊を動かすエネルギー源などを運ぶことができ、可能性が一気に広がったのだ。NASAのこれまでの着陸技術の多くとは異なり、これは成長の余地が大いにある能力だ。MSLプロジェクト科学者のジョン・グロッツィンガー氏はスカイクレーンについてこう語る。「火星着陸ミッションはすべてこの方法で遂行されると思います。」

より多くの科学をより早く行うことができる

スピリットやオポチュニティのような以前の探査車は、当時としては科学的な原動力となっていたが、キュリオシティは、火星探査車の最終的な技術計画が固まって以来、真価を発揮してきた2つの重要な技術的利点、つまり自律性と処理能力を活用している。2003年にMERミッションが開始されて以来、計算能力はムーアの法則に従って、かなり予測可能なペースで向上してきた。しかし、生の処理能力が大幅に向上したのと並行して、私たちは「決定」を含む、やりたいことを実行するためのアルゴリズムを磨く能力が格段に向上した。その結果、キュリオシティは、25億ドルの予算に見合う科学的な成果を私たちにもたらしてくれるだろう。

スピリットとオポチュニティにはある程度のロボット自律性が備わっていたが、それは主にナビゲーションと次に調査するターゲットの決定に限られていた。キュリオシティもその点を継承しているが、その真にエキサイティングな自律性は科学機器自体にある。キュリオシティは搭載された大量のデータを処理し、何が重要で何が統計的ノイズまたは役に立たない情報かを判断する。重要な情報は地球の科学者に送信され、残りは破棄されるため、地球に送信しなければならない生の非構造化データの総量が削減され、火星と地上の両方で時間が節約される。

つまり、関心領域間をより速く移動し、より短時間でより広い科学的領域をカバーできるということです。この種の自律性は、ロボットによる宇宙探査の将来にとって極めて重要です。特に、ロボットと地球の間の通信の遅れが数時間に及ぶ太陽系外にキュリオシティのようなロボット科学者を送り込みたい場合には重要です。キュリオシティのシステムは、その道を切り開いています。

より少ない予算で大きな科学研究ができる

マーズ・サイエンス・ラボは、総額 25 億ドルと推定される高額なミッションです。当初はこれほど大規模で高額になることは想定されていませんでしたが、科学者が科学機器や能力をどんどん搭載するにつれて、中規模ミッションから大規模ミッションへと成長しました。残念ながら、世界中の科学予算が現状のままであるため、近いうちにマーズ・サイエンス・ラボのような大規模な科学ミッションが実現する可能性は低いと APL のゴールド氏は言います。資金を獲得するには、ミッションを小規模かつ低コストにする必要があります。理想的な状況ではありませんが、マーズ・サイエンス・ラボの技術貢献 (上記のような貢献) のおかげで、実現不可能な状況ではありません。

「MSL ほど大規模なミッションがもうできないと想像してみましょう」とグロッツィンガー氏は言う。「だからといって、私が「ブティック ミッション」と呼んでいる方法で、ローバーを使ったロボット探査を続けることができないということではありません。基本的に行うことは、より小型のプラットフォームを使用することです。ちなみに、着陸にはやはりスカイクレーンを使用します。そして、最初から、予算がないため包括的なペイロードは不要であることを認めることになります。」

むしろ、機器がより洗練され、小型化され、より忠実度が高くなるにつれて（そして民間の宇宙打ち上げオプションの出現により打ち上げコストが下がることが期待されるにつれて）、ミッション計画者はより狭い科学的目標と、今日のキュリオシティでさえ可能だったものよりはるかに高い解像度で科学研究を実施できる、非常に特殊で感度の高い科学機器を 1 つまたは 2 つ選択するでしょう。

次に、各ミッションから最大限の価値を引き出せるよう、できるだけ効率的に科学ミッションを遂行できるよう、ロボットに自律性を与えます。スピリットとオポチュニティは主なミッションの寿命をはるかに超えて生き残りましたが、実際にはそれほど速くも賢くも成長しませんでした。時間の経過とともにソフトウェアがアップデートされたことを除けば、基本的にはそのままでした。キュリオシティは、ミッションの進行に合わせて学習して効率化できる一種のコンピューターサイエンスに手を出しています。将来のロボットミッションは、規模の大小にかかわらず、キュリオシティと地球上のハンドラーが学んだことを取り入れて実行されます。スカイクレーンは、巨大なロボットでも比較的正確に着陸できることがわかっています。また、自律性を高めることで、より短時間でより多くの科学研究を実施でき、支出額あたりの科学的見返りを高めることができます。これらすべてを合わせると、キュリオシティに続く将来の宇宙ミッションにとって大きな意味を持ちます。

「このミッションは、土星のカッシーニ、水星のメッセンジャー、冥王星に向かうニューホライズンズのような、一連のミッションの流れの 1 つだと思います。これらのミッションはすべて開発に何年もかかり、打ち上げられる頃にはテクノロジーはすでに時代遅れになっています」とゴールド氏は言います。「しかし、この進歩により、20 年前には考えられなかったレベルの探査にまで到達しています。」

同じ気持ちを抱いているのは彼だけではない。

「私たちが行っている探査のレベルは、将来の探査の基準を高く設定することになるだろう」とマイヤー氏はキュリオシティについて語る。「これは惑星探査の黄金時代と見なされるだろうと思う」