土星の衛星「タイタン」に存在する炭化水素の海を探索するため、NASAがロボット潜水艦を開発中

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 NASAは、土星の衛星タイタンに存在する極寒の炭化水素の海を探索するために、ロボット潜水艦を設計している。ここは地球を除けば、表面に液体が残された太陽系唯一の天体だ。

 タイタンの表面の気圧は地球の1.4倍となんとか人間が歩き回れる気圧だが、地表温度は-180℃、人が調査するにはあまりにも寒すぎるし、っていうか遠いしな。

タイタンに存在する-184℃のメタンとエタンの海

 タイタンの海は地球のそれとはかなり異なっている。塩水がたゆたう代わりに、タイタンの海を主に構成するのはメタンとエタンの組み合わせで、それが-184℃という温度に冷やされている。これは2005年にタイタンに着陸したカッシーニの惑星探査機ホイヘンス・プローブによって明らかになったことである。

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サイタン最大の海に自動潜水艦を送り込む計画

 NASAの計画は、40万平方キロを覆うタイタン最大の海「クラーケン海」に自動潜水艦を送り込むというものだ。クラーケンとは北欧伝承に登場する海の怪物のことで、ちなみに2番目に大きな海「リゲイア海」は、ギリシャ神話のセイレーンの名に由来する。

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カッシーニが撮影したタイタンの海

image credit:NASA

タイタンの海に隠された謎

 潜水艦による調査で、タイタンの専門家を夜も眠れなくさせている謎に答えが出るかもしれない。そのような謎には、例えば、タイタンの炭化水素の海と98パーセント以上が窒素で構成された大気が相互作用する仕組みがある。

 これは、この潜水艦プロジェクトの一環として海洋シミュレーターを開発するワシントン州立大学のイアン・リチャードソン氏が知りたいと願っていることでもある。

「地球とは違い、そこにある窒素は実際に海にかなり溶け込んでいます。窒素の15から20パーセントが溶けていれば、船のバラストやプロペラに大きな影響を与えるでしょう」とリチャードソン氏は語る。

地球上でのロボット潜水艦テスト

 地球のエンジニアは冷たいエタンとメタンを液化天然ガスの形で研究することができるが、炭化水素の海が主に窒素で成る冷えた大気の下、どのような挙動をするのか確かめることはできない。

 タイタンという異星の海がロボット潜水艦に与える影響についてもっと知るために、リチャードソン氏は圧力チャンバーに窒素ガスを封入し、そこへ液体エタンとメタンを1リットル注いだ上で、マイナス184度まで冷却した。

 ついで筒状の小型ヒーター(ロボット潜水艦のモデル)を液体(異星の海のモデル)に沈め、海モデルの温度と圧力を変化させては、潜水艦モデルから生じる熱が化学構造に与える影響を深さごとに調べた。

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image credit:NASA Glenn/NIAC

 リチャードソン氏によると、熱が潜水艦周囲の液体に溶解している窒素ガスの泡を作り出すために、搭載カメラからの観察が難しくなったという。また窒素の泡が潜水艦の浮力システムや推進システムの適切な機能を妨害することもあり得た。

 海洋シミュレーターは、タイタンの個々の海の化学組成を模倣することも可能だ。地球の場合、基本的に海は同じ塩水で満たされているが、タイタンではこれが当てはまらず、例えばクラーケン海はエタンが、リゲイア海はメタンが豊富だ(その理由については定かではない)。

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image credit:NASA

2030年代半ばに打ち上げ予定

 シミュレーターの実験は、潜水艦型探査機は自身の熱が原因で生じた窒素の泡に対応できることを示唆している。また条件が最悪なのは、水深500メートルのクラーケン海の最深部であることも明らかにされた。

 ミッションが承認されれば、2030年代半ばに探査機が打ち上げられ、30年代後半か40年代初頭に土星系へ到着することになるだろう。
 
 そのタイミングだと地球の春に相当する時期であることから、タイタンは今よりも若干暖かく、陽が当たるようになっているはずだ。また土星系(1年が地球の29年分)は太陽にも若干近いているはずだ。

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image credit:NASA

2種のロボット探査機の設計も進行中

 NASAグレン研究センターでは、2種のロボット探査機の設計を進めている。1つは、長さ6メートルの細長いロボット潜水艦で、水面に浮上しては地球に直接データを送信するよう意図されている。

 もう一方は、「タイタンタートル(タイタンの亀)」と呼ばれるもので、その名の通り丸みを帯びた甲羅形状が特徴の自律型ロボットだ。こちらは一度、軌道上にある母船を経由して地球と通信する。

 単独で行動する潜水艦型探査機はより安価であるが、タートルと母船の組み合わせはリスクを抑えることが可能で、さらに通信に使う帯域幅も多く取ることができる。

 今回のプロジェクトは、NASAイノベーティブ・アドバンスト・コンセプト計画の第一段階にあたる実験資金援助フェイズから第二段階に移行されることが最近になって決定された。この技術開発フェイズでは、2018年後半か2019年前半に一部システムの初期試験が予定されている。


A World Unveiled: Cassini at Titan
References:A Little Robotic Submarine Could Ply Alien Seas/ written by hiroching / edited by parumo
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