火星実験

8 月 5 日、NASA の火星探査機「マーズ・サイエンス・ラボラトリー」が火星の大気圏外縁部に到達します。重量 8,500 ポンドの探査機は、最高時速 13,200 マイルで 3 億 5,200 万マイルを移動しますが、その本当の任務はまだ始まったばかりです。今後 7 分間で探査機は 80 マイルの大気圏を急降下し、最高 3,800 °F の温度に耐え、巨大なゲール・クレーターで突然停止します。

MSLはこれまでで最も野心的な火星プロジェクトだ。キュリオシティと名付けられた探査車は、先行機のスピリットとオポチュニティに比べて長さが2倍、重量が5倍だ。150平方マイルの着陸帯は、これまでのミッションの3分の1の広さで、前例のない精度が求められる。また、これまでの探査車は3か月に及ぶ主要ミッションで1マイル未満しか移動しなかったが、キュリオシティは火星の1年（地球の687日）の間に最大12マイル移動する。

MSL の目的は、火星に生命を維持するのに必要な条件があるか、あるいは過去にあったかを判断することです。そして、地球外探査に使われる最先端の科学ツールを使って、その目的を達します。しかし、MSL は単なる火星探査ではありません。木星の氷の衛星エウロパへの探査から火星への有人探査まで、今後数十年にわたる NASA のプロジェクトを推進するいくつかの新しく開発された装置と技術のテストでもあります。

恐怖の7分間

火星の大気圏に到達した11回のミッションのうち5回は、突入、降下、着陸（EDL）段階で失敗しており、エンジニアたちはこのプロセスを「恐怖の7分間」と呼んでいる。MSLミッションでは、研究者たちは宇宙船のEDLの実行方法を再考した。彼らは弾道突入をより正確な誘導突入システムに置き換え、大型探査機ミッションの標準となり得る新しい着陸方法、スカイクレーンを開発した。

エントリー0分
突入段階に入ると、MSL は 4 つの主要コンポーネント、すなわちバックシェル、熱シールド、降下モジュール、およびCuriosityローバーから構成されます。火星の大気圏に到達する直前に、MSL はバックシェルから 165 ポンドのタングステンウェイト 2 つを投棄します。質量の変化により、機体は移動方向に対して傾き、揚力が生成され、ある程度のナビゲーション制御が可能になります。MSL は、バックシェルの 8 つのスラスターを使用して、着陸ゾーンに向かって誘導します。約 4 分かけて、摩擦により MSL は時速 1,000 マイルまで減速し、この時点で機体はさらに 6 つのウェイトを投棄し、動きに対する傾斜角度のバランスを再調整します。

降下4分
MSL の速度が時速 900 マイルまで低下すると、51 フィートのナイロンとポリエステルでできたパラシュートが展開されます。1 分半以内に、機体は時速 180 マイルまで減速します。MSL のレーダーが火星表面から 5 マイル上空に達したことを示すと、耐熱シールドが外れ、高解像度カメラの Mars Descent Imager がビデオの撮影を開始します。このビデオは、科学者が後で着陸地点とその周辺地域を調査するために使用します。耐熱シールドが外れてから約 80 秒後、MSL の背面シェルが外れ、パラシュートも外れます。着陸を続行できるのは、降下モジュールとCuriosityのみとなります。

着陸7分
地表から約 1 マイル上空で、降下モジュールの 8 つの逆噴射ロケットが噴射を開始し、40 秒かけて MSL を 1.7 mph まで減速します。地上から約 65 フィート上空で、1.7 mph で移動している状態で、降下モジュールはスカイクレーンと呼ばれる操作でナイロンコードでキュリオシティを降下させます。探査機のコンピューターは、ワイヤー「アンビリカルコード」を通じて降下モジュールにコマンドを送信します。探査機が地面に到達すると、25 フィート上空にある降下モジュールはナイロンコードを解放して飛び立ち、北に 500 フィート墜落します。その後、探査機は EDL モードから地表モードに切り替わり、主なミッションを開始します。

687日間の探検

キュリオシティは、主なミッションで気象パターンを記録し、空気の組成を分析し、岩石を検査して、現在または過去に火星に生命が存在した可能性を示す可能性のあるアミノ酸、メタン、その他の有機化合物の有無を調べる。また、氷点下の気温、強風、砂地や崖などの危険にも直面する。こうした要求に備えるため、エンジニアはキュリオシティを、これまでの探査機よりも頑丈で自律性が高く、科学機器を多く搭載した新しいタイプの探査機として構築した。

力
キュリオシティのように大型でエネルギーを大量に消費する探査機を動かすため、技術者らは原子力発電機を設置した。重さ100ポンドのこの装置は、10.6ポンドのプルトニウム238の崩壊から、1日あたり2,700ワット時の電力（スピリットとオポチュニティの太陽電池の出力の3倍）を生み出す。ラジエーターシステムによって発電機の廃熱がキュリオシティの2台の中央コンピューターに循環され、マイナス130度の夜間にコンピューターを暖める。

ナビゲーション
科学者はキュリオシティに特定のルートとタスクを割り当てるが、探査車はほとんどの目標を自律的に達成する必要がある。危険を見つけるために、探査車はマストに取り付けられたステレオナビカメラ 1 組と、車体に取り付けられたステレオ魚眼ハズカメラ 2 組で 3D 画像を撮影する。探査車は、画像認識ソフトウェアを使用して画像を分析する。障害物を特定した場合、それを迂回する安全なルートを決定する。

ターゲティング
どの岩石を掘削すべきかを判断するために、キュリオシティはまず化学およびカメラ (ChemCam) システムを使用して遠隔測定を行います。ChemCam は、マストに取り付けられたレーザー、望遠鏡、カメラ、および探査機本体の分光器で構成されています。レーザーは、最大 23 フィート離れたターゲットに一連の赤外線パルスを発射します。100 万ワットの電撃により岩石の小さな領域が蒸発し、閃光が発生します。望遠鏡は閃光を観測し、分光計に送信します。分光計は光の波長を分析して岩石の種類を判断します。測定値が有望と思われる場合、ミッションプランナーはキュリオシティに翌日に掘削するよう指示する場合があります。

コミュニケーション
キュリオシティは、1 日に 2 回、UHF 無線を介して、2006 年から火星を周回している火星探査機 (MRO) にミッションデータを送信します。MRO は、UHF よりもデータレートが高い X バンド無線を使用して、キュリオシティのデータをミッションスペシャリストに中継します (送信は、地球に到達するまでに 8 分から 22 分かかります)。科学者は、キュリオシティの画像および感知データを使用して、毎日の任務を計画します。その後、事前にプログラムされた時間 (火星では午前 9 時 30 分頃) に、X バンドで探査機に直接任務を送信します (火星では時間をどのように知るのでしょうか)。

掘削
これまで、探査機は惑星の表面からしかサンプルを採取できなかった。しかし、表面は太陽放射で分解する有機化合物が見つかる可能性が最も低い場所だ。エンジニアはキュリオシティに長さ 6 フィート、5 関節のロボットアームを装備した。その先端には岩石を 2 インチ掘り込むのに十分な回転打撃ドリルが付いている。オーガーは岩石を粉状に粉砕し、ねじ山を通って処理ユニットに送られる。そこで粉は 150 ミクロンにふるいにかけられ、分析のために探査機の科学機器に送られる。

分析
火星に生命が生存できる環境があったかどうかを調べるために、キュリオシティは化学鉱物学 (CheMin) システムと火星サンプル分析 (SAM) 装置という 2 つのツールを使用します。どちらも探査機の本体内に設置され、ロボットアームからサンプルを受け取ります。CheMin は、X 線回折と蛍光を使用して、サンプルを探索し、居住可能な環境で形成される鉱物を探します。SAM は、質量分析、レーザー分析、ガスクロマトグラフィーを使用してサンプルをスキャンし、生命の誕生に必要な有機化合物を探します。