1971年にアポロ15号月面ミッションで持ち帰られたジェネシスロック。
NASAのOSIRIS-RExミッションのサンプルリターンカプセルがユタ州の砂漠に着陸した直後

サンプルリターンミッションとは、地球外からサンプルを採取し、地球に持ち帰って分析を行う宇宙船ミッションです。サンプルリターンミッションでは、原子や分子のみ、あるいは遊離物質や岩石などの複雑な化合物の堆積物を持ち帰る場合があります。これらのサンプルは、土壌や岩石の掘削、太陽風や彗星の破片の粒子を捕獲するためのコレクターアレイなど、様々な方法で採取されます。しかしながら、このようなサンプルを地球に持ち帰ることは、地球自体を危険にさらす可能性があるという懸念が提起されています。[1]

現在までに、[時点? ]では、地球の月から月の岩石のサンプルが無人探査機と有人探査機によって収集されています。また、ヴィルト第2彗星と小惑星イトカワ、リュウグウ、ベンヌには無人探査機が訪問され、サンプルが地球に持ち帰られています。さらに、太陽風のサンプルは無人探査機ジェネシスによって持ち帰られています。

サンプルリターンミッションに加えて、特定された3つの地球外天体からのサンプルが他の手段で収集されました。月からは月隕石の形で、火星からは火星隕石の形で、ベスタからはHED隕石の形でサンプルが収集されました。

科学的利用

火星から来たと思われる隕石

地球上で入手可能なサンプルは研究室で分析できるため、太陽系の発見と探査の一環として理解と知識を深めることができます。現在までに、太陽系に関する多くの重要な科学的発見は望遠鏡を用いて遠隔的に行われ、太陽系のいくつかの天体には、リモートセンシングやサンプル分析が可能な機器を搭載した宇宙船が周回または着陸して訪問されています。このような太陽系の調査はサンプルリターンミッションよりも技術的には簡単ですが、そのようなサンプルを研究するために地球上で使用できる科学的ツールは、宇宙船に搭載できるものよりもはるかに高度で多様です。さらに、地球上でサンプルを分析することにより、地球外固有の物質と地球の汚染物質を区別できるツール[2]や、まだ開発されていないツールなど、さまざまなツールで調査結果を追跡することができます。対照的に、宇宙船は限られた分析ツールセットしか搭載できず、これらのツールは打ち上げよりかなり前に選択および構築する必要があります。

地球上で分析されたサンプルは、リモートセンシングの発見と照合することで、太陽系の形成過程についてより深く理解することができます。例えば、2011年から2012年にかけて小惑星ベスタを撮影するために訪れたドーン宇宙船の発見や、それまで地球上で収集されていたHED隕石のサンプルがドーンによって収集されたデータと比較されました。 [3]これらの隕石は、ベスタの大きな衝突クレーターであるレアシルビアから噴出した物質として特定されました。これにより、ベスタの地殻、マントル、核の組成を推測することができました。同様に、小惑星の組成の違い（および、程度は低いが、彗星の組成の違い）は、画像撮影だけでもある程度は判別できます。しかし、これら異なる天体の物質のより正確な目録を作成するために、今後さらに多くのサンプルが収集され、地球に持ち帰られ、望遠鏡や天体分光法によって収集されたデータと組成が照合される予定です。

こうした調査のもう一つの焦点は、太陽系内の様々な天体の基本的な構成と地質学的歴史に加え、彗星、小惑星、火星、あるいは巨大ガス惑星の衛星に生命の構成要素が存在するかどうかです。現在、小惑星や彗星へのサンプルリターンミッションが複数計画されています。小惑星や彗星からより多くのサンプルを採取することで、生命が宇宙で形成され、隕石によって地球に運ばれたかどうかを解明するのに役立ちます。また、火星のような太陽系の他の天体や巨大ガス惑星の衛星で地球外生命が形成されたかどうか、そしてそこに生命が存在する可能性があるかどうかも調査対象となっています。NASAの直近の「10年サーベイ」の結果、火星は比較的「近い」こと、過去に生命が存在していた可能性があること、そして現在も生命を維持している可能性もあることから、火星サンプルリターンミッションを優先することにしました。木星の衛星エウロパも、太陽系における生命探査におけるもう一つの重要な焦点です。しかし、距離やその他の制約により、エウロパは近い将来にサンプルリターンミッションの対象にならない可能性がある。

惑星保護

惑星保護は、サンプルリターンミッションにおいて、対象天体と地球の両方の生物学的汚染を防ぐことを目的としています。火星や生命が存在する可能性のある他の場所からのサンプルリターンは、 COSPAR（宇宙探査計画）のカテゴリーVミッションに該当し、地球に持ち帰られた未滅菌サンプルは封じ込める必要があります。これは、そのような仮想生命が人類や地球の生物圏にどのような影響を与えるかが不明であるためです。 [4]このため、カール・セーガンとジョシュア・レーダーバーグは1970年代に、カテゴリーVミッションに分類されるサンプルリターンミッションは細心の注意を払って行うべきだと主張し、その後のNRCとESFによる研究でもこの見解が一致しました。[4] [5] [6] [7] [8]

サンプルリターンミッション

最初のミッション

アポロ11号は地球外サンプルを持ち帰った最初のミッションでした。
NASAジョンソン宇宙センターのヒューストン宇宙センター月サンプル保管庫に展示されている月サンプル60016

1969年7月、アポロ11号は太陽系外の天体から初めてサンプルリターンに成功し、22キログラム（49ポンド）の月面物質を持ち帰りました。その後、アポロ12号からは34キログラム（75ポンド）の物質とサーベイヤー3号の 部品、アポロ14号からは42.8キログラム（94ポンド） 、アポロ15号からは76.7キログラム（169ポンド） 、アポロ16号からは94.3キログラム（208ポンド） 、アポロ17号からは110.4キログラム（243ポンド）の物質を持ち帰りました。[要出典]アポロ計画全体では、月の土壌を含む382kg（842ポンド）以上の月の岩石と表土がヒューストンの月受入研究所に持ち帰られました。[9] [10] [11]現在、サンプルの75%は1979年に建設された月サンプル研究所に保管されています。[12]

1970年、ソ連のロボット探査機ルナ16号は101グラム（3.6オンス）の月の土を持ち帰り、続いて1974年にはルナ20号が55グラム（1.9オンス）、 1976年にはルナ24号が170グラム（6.0オンス）を持ち帰った。アポロ計画に比べると回収量ははるかに少なかったものの、これらは完全に自動で行われた。これらの3回の成功を除いて、ルナ計画における他の試みは失敗に終わった。最初の2回のミッションはアポロ11号に対抗することを目的としており、1969年6月と7月にアポロ11号の直前に実施された。ルナE-8-5号402号は打ち上げに失敗し、ルナ15号は月面に墜落した。その後、他のサンプルリターンミッションも失敗に終わった。1969年のコスモス300号とコスモス305号、1970年のルナE-8-5号405号、 1975年のルナE-8-5M号412号は打ち上げに失敗し、1971年のルナ18号と1974年のルナ23号は月面着陸に失敗している。[13]

1970年、ソ連は火星5NM計画において、 1975年に最初の火星サンプルリターンミッションを計画しました。このミッションはN1ロケットを使用する予定でしたが、このロケットは飛行に成功せず、このミッションは小型のプロトンロケットとサリュート宇宙ステーションでの組み立てによる二重打ち上げを行う火星5M計画へと発展しました。この火星5Mミッションは1979年に計画されましたが、技術的な問題と複雑さのために1977年に中止されました。[14]

1990年代

1996年から1997年にかけて18ヶ月間ミール宇宙ステーションで実施された軌道上デブリ収集（ODC）実験では、エアロゲルを使用して惑星間塵と人工粒子の両方を含む低地球軌道上の粒子を捕獲しました。[15]

2000年代

太陽風を集めるジェネシス号のアーティストによる想像図。

地球外サンプルを地球に持ち帰る次のミッションはジェネシス計画であり、2004年に地球周回軌道外から太陽風サンプルを地球に持ち帰った。しかし、ジェネシス計画は大気圏再突入時にパラシュートが開かず、ユタ州の砂漠に不時着した。深刻な汚染やミッション全体の失敗が懸念されたが、科学者たちは多くのサンプルを救出した。これらは月周回軌道外から採取された最初のサンプルであった。ジェネシス計画では、超高純度シリコン、金、サファイア、ダイヤモンドのウエハーで作られたコレクターアレイが使用された。それぞれのウエハーは、太陽風の異なる部分を採取するために使用された。[16]

スターダスト計画のサンプルリターンカプセル

ジェネシスに続いてNASAのスターダスト宇宙船が打ち上げられ、2006年1月15日に彗星のサンプルを地球に持ち帰った。スターダストはウィルド2彗星を無事通過し、彗星核の撮影を行いながら彗星のコマから塵のサンプルを採取した。スターダストは、ガラスの約1/1000の密度を持つ低密度エアロゲル（その99%が宇宙空間）製のコレクターアレイを使用した。これにより、高い衝突速度による彗星粒子の損傷を回避して収集が可能になった。わずかに多孔質の固体コレクターとの衝突でも、粒子は破壊され、収集装置も損傷する。この航海中、スターダストアレイは少なくとも7個の星間塵粒子を収集した。[17]

2010年代と2020年代

2010年6月、宇宙航空研究開発機構（JAXA）の探査機「はやぶさ」は、 S型小惑星 25143イトカワにランデブー（着陸）した後、小惑星のサンプルを地球に持ち帰りました。2010年11月、JAXAの科学者たちは、サンプル採取装置の故障にもかかわらず、探査機が小惑星からマイクログラム単位の塵を採取したことを確認しました。これは、地球に未処理の状態で持ち帰られた初めての事例です。[18]

ロシアのフォボス・グルントは、火星の衛星の一つであるフォボスからサンプルを回収するために計画されたサンプルリターンミッションであったが、失敗に終わった。2011年11月8日に打ち上げられたが、地球周回軌道を離脱できず、数週間後に南太平洋に墜落した。[19] [20]

オシリス・レックスが小惑星101955ベンヌからサンプルを採取中
— (フルサイズ画像)
ベンヌからのサンプルが地球に届けられる

宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、2014年12月3日に改良型探査機「はやぶさ2」を打ち上げました。 「はやぶさ2」は2018年6月27日に目標の 地球近傍 C型小惑星 リュウグウ（旧称1999 JU 3 ）に到着しました[21]。1年半にわたり小惑星の探査とサンプル採取を行い、2019年11月に小惑星を離れ[22] [23]、2020年12月6日に地球に帰還しました[24]。

オシリス・レックス探査機は、小惑星101955ベンヌからサンプルを持ち帰るミッションで、2016年9月に打ち上げられた。[25] [26]サンプルによって、科学者は太陽系誕生前の時代、惑星形成の初期段階、生命の形成につながった有機化合物の源について、より詳しく知ることができると期待されている。[27]探査機は2018年12月3日にベンヌ付近に到達し、[28]数か月かけてサンプル採取領域の表面分析を開始した。2020年10月20日にサンプルを採取し、[29] [30] 2023年9月24日に地球に着陸した。これにより、オシリス・レックスは人類が地球外天体からサンプルを持ち帰る5回目のサンプルリターンミッションとなった。[31] [32] [33] [34]サンプルコンテナが回収され、テキサス州ヒューストンのジョンソン宇宙センターにある気密室に移送された直後、コンテナの蓋が開けられた。科学者たちは、最初の開封時に「オシリス・レックス科学コンテナの航空電子機器デッキに黒い塵と破片を発見した」とコメントした。その後の調査が計画された。2023年10月11日、回収されたカプセルが開封され、小惑星サンプルの内容物が「初公開」された。[35] [36] 2023年12月13日、回収されたサンプルのさらなる調査が報告され、有機分子や未知の物質が含まれていることが明らかになった。これらの物質の組成や構成をより正確に把握するには、さらなる調査が必要である。[37] [38] 2024年1月13日、NASAは3ヶ月の試行錯誤の末、小惑星ベンヌのサンプルが入った回収コンテナをついに完全に開けたと報告した。[39] [40]回収された物質の総重量は121.6グラム（4.29オンス）で、ミッションの目標の2倍を超えました。[41]

中国の嫦娥6号ミッションによって月の裏側から採取された最初の月の表土サンプル。
中国の嫦娥6号ミッションによって月の裏側から採取された最初の月の表土サンプル。

中国の国家宇宙機関（CNSA）は、2020年11月23日と2024年5月3日にそれぞれ嫦娥5号と6号の月サンプルリターンミッションを打ち上げ、それぞれ2020年12月16日と2024年6月25日に2キログラムの月の土を地球に持ち帰った。 [42]これらは、40年以上ぶりの月サンプルリターンミッションであった。[43]月の裏側の南半球にあるアポロクレーター盆地に着陸した嫦娥6号ミッションは、これまでのすべての集合的な月サンプルが表側から収集されていたため、月の裏側からサンプルを回収した最初のミッションであった。[44]

現在のミッション

CNSAの天問2号は、カモオアレワ469219からサンプルを持ち帰る目的で2025年5月に打ち上げられた。[45]

将来のミッション

CNSAは2030年までに火星サンプルリターンミッションを計画している。[46] [47]また、中国宇宙機関は2020年代に実施されるケレスからのサンプル回収ミッションを計画している。 [48]

JAXAは、 2026年に打ち上げられる予定のフォボスへのサンプルリターンミッションであるMMXミッションを開発中です。[49] MMXは火星の2つの衛星を調査する予定ですが、着陸とサンプル採取はフォボスで行われます。フォボスが2つの衛星を持つこと、フォボスの軌道が火星に近いこと、そして表面に火星から吹き付けられた粒子が存在する可能性があることから、このミッションが選ばれました。そのため、サンプルには火星起源の物質が含まれている可能性があります。[50]サンプルを搭載した推進モジュールは、2031年に地球に帰還する予定です。[49]

NASAとESAは長らく火星サンプルリターンミッションを計画してきた。[51] 2020年に展開されたパーサヴィアランス探査車は、ドリルコアサンプルを収集し、火星表面に保管している。[ 52 ] 2023年9月現在、大気サンプル1つ、火成岩サンプル8つ、堆積岩サンプル11つ、レゴリスサンプル2つを収集した。[53] 2023年11月22日、NASAは資金不足のため火星サンプルリターンミッションを縮小すると発表した。[54] 2024年1月、NASAの提案した計画は予算とスケジュール上の考慮事項により異議を唱えられ、代替計画の調査が開始された。[55]

ロシアは、2027年までに月からサンプルを持ち帰るルナ・グロブ・ミッションと、 2020年代後半に火星からサンプルを持ち帰るマーズ・グルント・ミッションの計画を立てている。[要出典]

サンプル返却方法

TAGSAMアームの動きのアニメーション

サンプル返却方法には、以下の方法が含まれますが、これらに限定されません。

シリコン、金、サファイア、ダイヤモンドの超高純度ウエハーのグリッドで構成されたジェネシスコレクターアレイ

コレクターアレイ

コレクターアレイは、異なる元素で作られたウエハーを用いて、数百万個から数十億個の原子、分子、微粒子を収集するために用いられます。これらのウエハーの分子構造により、様々なサイズの粒子を収集することが可能です。ジェネシス宇宙船に搭載されているようなコレクターアレイは、最大限の収集効率、耐久性、そして分析における識別性を確保するために、超高純度に作られています。[要出典]

コレクターアレイは、太陽風によって太陽から放出されるような微小で高速移動する原子の収集に役立ちますが、彗星のコマに存在するようなより大きな粒子の収集にも使用できます。NASAの宇宙船スターダストはこの技術を採用しました。しかし、コマとその周辺領域を構成する粒子の速度とサイズが非常に大きいため、高密度の固体コレクターアレイは実現可能ではありませんでした。その結果、宇宙船とサンプル自体の安全性を確保するために、別のサンプル収集手段を設計する必要がありました。[要出典]

エアロゲル

エアロゲルに捕捉された粒子

エアロゲルは、スポンジ状の構造を持つシリカをベースとした多孔質固体で、体積の99.8%が空洞です。エアロゲルの密度はガラスの約1/1000です。スターダスト宇宙船にエアロゲルが使用されたのは、宇宙船が収集する予定の塵粒子の衝突速度が約6km/秒だったためです。この速度で高密度固体に衝突すると、塵粒子の化学組成が変化したり、完全に蒸発したりする恐れがあります。[56]

エアロゲルはほぼ透明で、粒子は表面を貫通するとニンジン型の軌跡を残すため、科学者は容易に発見・回収することができます。エアロゲルの細孔はナノメートルスケールであるため、砂粒よりも小さな粒子であっても、エアロゲルを完全に通過することはありません。むしろ、粒子は減速して停止し、その後エアロゲル内に埋め込まれます。スターダスト宇宙船には、エアロゲルが取り付けられたテニスラケット型のコレクターが搭載されています。コレクターは安全に保管され、地球に返送するためにカプセル内に収納されます。エアロゲルは非常に強度が高く、打ち上げ時および宇宙環境の両方で容易に耐えることができます。[56]

ロボットによる掘削と帰還

サンプルリターンミッションの中でも、最もリスクが高く困難なミッションの一つは、小惑星、月、惑星といった地球外天体への着陸を必要とするものです。このような計画を開始するだけでも、多大な時間、費用、そして技術的能力を必要とします。打ち上げから着陸、回収、そして地球への帰還まで、あらゆるプロセスを高精度かつ正確に計画することが求められる、まさに至難の業です。[要出典]

このタイプのサンプルリターンは、リスクは最も高いものの、惑星科学にとって最も大きな成果をもたらします。さらに、このようなミッションは、国民へのアウトリーチ効果も大きく、これは宇宙探査において国民の支持を得る上で重要な要素となります。このタイプのロボットによるサンプルリターンミッションで成功したのは、ソ連のルナ号と中国の嫦娥号の月着陸船のみです。他のミッションでは様々な方法で小惑星から物質を採取しましたが、小惑星の重力が非常に低いため、「着陸」は行いませんでした。[要出典]

ミッション一覧

2024 年時点の月面サンプルリターンミッションの地図。

有人ミッション

宇宙探査ミッション

参照

注記

  1. ^ アポロ12号の宇宙飛行士は、テレビカメラを含むいくつかの部品をサーベイヤー3号から取り外し、地球に持ち帰りました。これらはNASAによって月サンプルとして扱われています。サーベイヤー3号は、当初の着陸質量302キログラム（666ポンド）のうち約10キログラム（22ポンド）を地球に持ち帰り、長期曝露の影響を調査しました。サーベイヤー3号は、人類が他の惑星を訪れた唯一の探査機です。
  2. ^ パーサヴィアランス探査車は、地球への帰還に向けてサンプルを収集しています。ミッションの上昇および帰還用車両はまだ計画段階です。

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  • NASAによる月サンプル概要
  • NASAによるスターダストサンプルカタログデータベース
  • NASAによるジェネシス太陽風サンプルカタログ
  • NASAのはやぶさサンプル
  • 火星探査：サンプルリターン ジェット推進研究所火星探査プログラムのサンプルリターンミッション。
  • スターダスト ホームページ ジェット推進研究所のスターダストミッションの Web サイト。
  • ジェネシス ミッション ホームページ ジェット推進研究所のジェネシスミッションの Web サイト。
  • Stardust: エアロゲルエアロゲル テクノロジーに関するStardust のWeb サイト。
  • JAXA はやぶさ JAXAはやぶさプロジェクトを更新しました。
  • 惑星衛星および太陽系小天体から持ち帰られたサンプルの生物学的潜在能力の評価 米国科学アカデミー宇宙科学委員会 1998