プロペラを使わない理由は「調べたい地面を壊さないため」——タイタンの洞窟を飛ぶロボット構想

土星の衛星タイタンにあると考えられている洞窟の中を、小型の飛行ロボットで調べる——そんな構想に、NASAが検討費を出しました。構想の名前はSPARK（スパーク）。ハワイ大学マノア校の助教ダニエル・ドリュー氏が主導し、NASAジェット推進研究所の研究者らが加わるチームの提案です。

先に書いておくと、これは決まったミッションではありません。NASAの先進構想プログラムNIAC（ナイアック）が、アイデア段階の検討に9か月ぶんの資金を出した、という段階です。それでもこの構想、推進方式の選び方にはっきりした理由があって、そこを追いかけると「タイタンで何を調べたいのか」まで見えてきます。

土星の衛星タイタンと洞窟の推定

タイタンは土星でいちばん大きな衛星で、太陽系の衛星の中でもかなり変わった天体です。地球より濃い窒素の大気をまとい、地表にはメタンやエタン——地球では気体の炭化水素——が液体のまま流れる川や湖、海があります。地表の温度はおよそマイナス180℃。水の氷が岩石のように硬くなる寒さです。

そのタイタンに、カルスト地形があると考えられています。カルスト地形とは、地球では石灰岩が水に溶けてできる地形のことで、鍾乳洞や、地面がすり鉢状に陥没したくぼ地が代表例です。タイタンでは石灰岩と水の代わりに、有機物の層が液体メタンに溶かされて、似たような地形——陥没穴や、その先につながる洞窟——ができている可能性がある、というわけです。ただし、これは探査機カッシーニの観測などからの推定で、洞窟が実際にあると確定しているわけではありません。

もし洞窟があるなら、そこは調べる価値の高い場所です。タイタンの地表には有機物が何層にも積もっていると見られていて、洞窟の壁や床には、その層が断面として露出しているはずだからです。地層がしましまに見える崖を想像してもらうと近いと思います。層をひとつずつ読めば、タイタンの環境がどう移り変わってきたのかをたどれるかもしれません。生命の材料になる化学がどこまで進んでいるのか、という手がかりも眠っている可能性があります。

問題は、どうやってそこへ行くかです。陥没だらけの地形を車輪で走るのは無理があります。となると飛ぶしかない。実際、NASAがタイタンに送る予定の探査機ドラゴンフライは、8枚のローターで飛ぶ回転翼機です。タイタンは大気が濃くて重力が地球の7分の1ほどしかないので、飛行にはむしろ向いた環境なのです。それなら洞窟探査ロボットもプロペラで飛べばよさそうなものですが、SPARKはそうしませんでした。

電気で空気を押し出すイオン推進

SPARKが使うのは、電気流体力学（EHD）推進と呼ばれる方式です。名前は難しいですが、やっていることはシンプルで、電極に高い電圧をかけて空気の分子をイオン化し（電気を帯びさせ）、それを電界で一方向に押し出す。押し出された空気の流れが推力になります。プロペラもタービンもなしで、電気の力だけで空気を後ろへ送るしくみです。

じつはこの方式、趣味の工作の世界では昔から知られていて、「リフター」と呼ばれる軽い三角形の骨組みに高電圧をかけて浮かせる実験が動画サイトにたくさん上がっています。ドリュー氏自身、大学院時代にこの趣味のコミュニティを偶然見つけたことが研究のきっかけのひとつだったと語っています。近年ではMITのチームが、EHD推進で飛ぶ小型の固定翼機を実際に飛ばして話題になりました。ドリュー氏はこの方式をセンチメートル規模の飛行ロボットに応用する研究を続けてきた、この分野の数少ない専門家です。

EHD推進には、機械としての強みがいくつかあります。まず、動く部品がありません。回るもの、こすれるもの、羽ばたくものがなく、全体が固体のままです（構想名の「固体推進」はここから来ています）。部品が動かなければ、壊れる箇所も潤滑の心配も減ります。マイナス180℃という極低温では、機械の可動部はどうしても弱点になるので、これは大きい。次に、ほとんど音を立てません。そして、大きさを自由に変えられます。プロペラは小さくしすぎると急に効率が落ちますが、EHD推進は小型化と相性がよいのです。

プロペラを避けた本当の理由

ただ、SPARKがプロペラを選ばなかった理由は、機械の都合だけではありません。いちばん効いているのは、もっと科学寄りの理由です。

プロペラで飛ぶ機体は、下向きに強い風——吹き下ろしを起こします。ドローンが着陸するとき、地面の砂ぼこりが舞い上がるあの風です。洞窟の中でこれをやると、床に積もった有機物の層が吹き飛ばされてしまいます。何層にも積もった堆積物は、タイタンの歴史がページ順に綴じられた本のようなもので、風で乱してしまえば、どの層がどの時代のものか分からなくなる。つまり、調べに行った当のロボットが、調べたい対象を壊してしまうのです。

EHD推進なら、この吹き下ろしを大幅に抑えられます。ドリュー氏は自身の設計について、持続的に飛べること、機動性、極低温という過酷な条件への強さと並べて、「科学的に重要な炭化水素の層構造への吹き下ろしによる撹乱を最小限にできる」ことを利点に挙げています。動く部品がない、音がしない、といった特徴は結果としてついてくるもので、核心はここです。推進方式の選択理由が、そのまま「タイタンで何を守りながら調べたいか」の説明になっている。この構想のいちばん面白いところだと思います。

上の図のように、プロペラ機の下では層が舞い上がり、イオン推進機の下では層がそのまま残る——この対比が、SPARKという構想の性格をよく表しています。

実現までの距離と残る課題

ドリュー氏が思い描くのは、火星のヘリコプター、インジェニュイティのような存在です。インジェニュイティは技術実証機として5回飛べば成功という計画でしたが、ふたを開ければ72回も飛行し、火星探査における「空を飛ぶ偵察役」の価値を証明しました（2024年1月、ローターの破損により運用を終えています）。SPARKも、タイタンの洞窟探査でそういう先駆けになれれば、というわけです。

ただし、道のりはまだ長いです。今回の採択はNIACのフェーズ1で、9か月・最大17万5000ドルの初期検討にあたります。2026年はSPARKを含む18件が選ばれ、総額は320万ドルでした。NASA自身が明記しているとおり、NIACの採択は構想の検討であって、正式なミッションではありません。実機に近づくには、その先のフェーズ2（最長2年）を通る必要があります。

フェーズ1でチームがやるのは、地に足のついた作業です。タイタンに近い条件——窒素主体で地球より濃く、極端に冷たい大気——でEHD推進がどれだけの性能を出せるのか、実験と数値モデルで確かめる。電源系をはじめ、どのサブシステムを優先して詰めるべきかを整理する。極低温が電源に与える影響をモデル化する。EHD推進がタイタンの大気で本当に働くのかは、まさにこれから検証する部分なのです。

タイミングの問題もあります。ドラゴンフライは2028年7月の打ち上げ、2034年のタイタン着陸を予定していて、すでに機体の組み立てと試験が始まっています。SPARKがこれに相乗りできるかについて、ドリュー氏は「間に合っていない前提で、今のタイタン探査のスケジュールとどう噛み合うかは分からない」と率直に認めています。

もうひとつ、ドリュー氏が隠さないのがEHD推進の弱点です。この方式は効率が高くありません。地球上の用途では、大きな進展がない限り、プロペラやジェットエンジンといった従来方式に張り合うのは難しいだろう、と本人が言っています。裏を返せば、濃い大気・低い重力・極低温・そして「地面を乱してはいけない」という条件がそろったタイタンの洞窟は、この方式の弱点が目立たず、強みだけが生きる数少ない舞台だということです。技術が場所を選んだのか、場所が技術を呼んだのか。9か月後にまとまる検討結果を待ちたいと思います。