壊れてもいい探査機を1万個──土星の環へ突っ込ませる構想にNASAが検討費

土星の環を間近で調べる方法として、「壊れてもいい探査機を1万個ばらまく」という案にNASAが検討費を出しました。1個あたり数グラムの極小衛星を大量に環へ突っ込ませ、何割か失われても残りで測り続ける、という構想です。

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。アイデア段階の検討に9か月ぶんの資金がついた、という話です。それでも「1機の高性能な探査機を守り抜く」という宇宙探査の前提をひっくり返す考え方なので、中身を追う価値があります。

カッシーニが踏み込めなかった領域

土星探査機カッシーニは、2004年から2017年まで13年にわたって土星をまわり続けました。最後は土星の大気に突入して燃え尽きるという終わり方をしています。この間に集めたデータは膨大で、土星系の研究はいまもそこを土台にしています。

それでもカッシーニがやらなかったことがあります。環そのものの中に入ることです。

環は水の氷を主体に岩石質の物質が混ざったもので、粒の大きさは顕微鏡で見るような細かいものから家ほどの塊まで幅があります。それが猛スピードで公転している場所へ探査機を送り込めば、氷の塊ひとつに当たっただけで、数十億ドルをかけた機体が数秒で失われかねません。ミッションを計画する側がそんな賭けに出るはずがなく、環の内側は最初から選択肢の外にありました。

ミッションの最終盤、カッシーニは環と土星本体のあいだのすき間を通り抜ける軌道を飛んでいます。環にはこれ以上ないほど近づいたわけですが、環の中に入ったわけではありません。つまり環については、いまも「外から眺めた情報」しか手元にないということです。

決着していない環の年齢

環の中に入りたい理由のひとつが、年齢の問題です。

カッシーニの観測で、環は見た目が驚くほどきれいなことがわかりました。宇宙空間には細かい塵（マイクロメテオロイド＝微小な流星物質）が絶えず降り注いでいて、氷の粒はそれを浴びて少しずつ汚れていくはずです。汚れが少ないならまだ新しい――という理屈から、環の年齢は1億〜4億年程度と見積もられてきました。地球でいえば恐竜がいた時代にあたります。

ところがこの見積もりは、その後ゆらいでいます。2024年に発表された研究では、高速でぶつかった塵は氷の粒にくっつくのではなく、蒸発してイオンになり環の外へ逃げていく可能性が示されました。だとすれば「きれい＝若い」は成り立ちません。2026年には、汚れの量は形成時からの積み重ねではなく、供給と流出が釣り合った状態を映しているにすぎない、と指摘する論文も出ています。この見方に立つと、環が太陽系とほぼ同い年である可能性も残ります。

1億年なのか、45億年なのか。40倍以上の開きがある問いが、いまも片づいていない。遠くから光を測るやり方では限界が見えてきていて、粒そのものの組成や動きを現地で測りたい――環へ入る動機は、そこにあります。

使い捨て前提という発想の転換

提案されているのは、約1万個の極小衛星を土星へ送り込み、環の組成、大気の組成と密度、磁場の分布を同時に測る、というものです。

NASAに提出された概要には、理屈がはっきり書かれています。カッシーニのような大型機1機で環の中を調べようとすると、粒との衝突でミッションごと失敗する危険が高すぎる。しかし多数に分散させた構成なら、そのうちのかなりの数が壊れることを前提として受け入れられる。だから現地観測が成立する、という組み立てです。

1機を守り抜くのではなく、失われることを最初から設計に織り込む。ここが従来との違いです。

数の効果はもうひとつあります。1万個が同時に環の中を通れば、1個ずつが返してくる乏しいデータも、重ね合わせれば粒の密度や動きを面として描けます。1機の探査機が通り抜けた線に沿った記録とは、得られるものの性質が違ってきます。

Kilobotの研究者による提案

提案者はノースウェスタン大学のマイケル・ルーベンスタイン氏。宇宙工学ではなく、群ロボット（swarm robotics＝多数の単純なロボットを集団として動かす分野）の研究者です。

この分野で広く知られているのが、氏がハーバード大学にいたころに手がけたKilobotです。硬貨より少し大きいだけの小型ロボットを1024台そろえ、赤外線で隣どうし通信しながら、指定した形に自分たちで並んでいく。1台は3本の脚を震わせて進むだけの単純なもので、材料費も1台14ドルほどです。頭のいい1台を作るのではなく、単純な個体を大量に用意して集団としてふるまわせる。その方針を、実機1000台超という規模でやってみせた仕事でした。

2014年にこの成果が発表されたとき、ルーベンスタイン氏は取材に対し、いずれは多数のロボットをひとつのまとまりとして火星のような目的地へ送る使い方が考えられる、という趣旨を話しています。今回の提案は、その延長線上に出てきたものということになります。

フェムトサットという極小の衛星

使うのはフェムトサットと呼ばれる種類の衛星です。チップサット、スプライトとも呼ばれます。重さは数グラム、大きさは数センチ。スマートフォン向けに進んできた電子部品の小型化を、そのまま宇宙機に持ち込んだものです。キューブサットのようにサイズ規格が定まっているわけではなく、呼び方もまだ一つに落ち着いていません。

構想上の存在ではありません。2019年3月、KickSat-2という靴箱ほどの衛星から、105個のスプライトが地球低軌道に放出されました。1個あたり約4グラム、一辺3.5センチほどの基板で、部品代は100ドル以下。放出の翌日には地上局が信号を受け取り、この大きさでも通信が成り立つことが示されています。

ただしこのときのスプライトには推進装置がありませんでした。軽いわりに表面積が大きいので、地球のごく薄い上層大気の抵抗をよく受け、数日のうちに軌道を落として燃え尽きています。どこへ向かうかは選べず、着いた先に留まることもできなかった。

未確定のまま残る推進方式

そこが今回の提案の要になります。プロジェクト名にわざわざ「能動的に操舵できる（actively steerable）」と入っているとおり、1万個の一つひとつを狙った場所へ動かせることが前提になっています。環の中の測りたい層を通し、大気の別々の高度へ振り分け、磁場を違う軌道から同時に見る。どれも行き先を選べることで初めて成り立ちます。

ところが、その動かし方はまだ決まっていません。ごく小さなスラスタ（推進器）を積むのか、土星の激しい磁場を利用した電磁テザー（導電性のひも）で力を得るのか、検討の段階です。数グラムの機体に推進機能をどう載せるかは、この構想の根幹でありながら未解決のまま残っています。9か月のフェーズ1は、まさにこういう点を詰めるための期間ということになります。

JPLによる別のアプローチ

同じ2026年のNIAC採択には、惑星の環を現地で調べる案がもう1件入っています。NASAジェット推進研究所のマルコ・クアドレリ氏によるPRAXISです。

こちらは正反対の考え方で、母船を環の上空に留め、AIで制御するブーム（腕）を伸ばして環に触れ、試料を採って戻ります。釣りざおを下ろすようなやり方です。対象は土星だけでなく、天王星や海王星の環も想定されています。

方向のまるで違う2件が同じ回に選ばれた。環を現地で調べるという課題そのものに、NASAが関心を寄せていると読めます。

解釈上の留意点

いちばん大事なところを繰り返します。これは決まったミッションではありません。

NIACはアイデア段階の構想に少額の検討費を出す仕組みで、NASA自身が発表文の中で、NIACの案件は初期の概念検討であって正式なミッションとは見なされない、と明記しています。フェーズ1は9か月で最大17万5000ドル。2026年は18件が選ばれ、合計320万ドルです。宇宙ミッションの規模からすると、けた違いに小さい額になります。

この先には2年・60万ドルのフェーズ2がありますが、そこへ進める保証はありません。仮に進んだとしても、実機の開発予算がつき、打ち上げて、土星まで飛ぶ時間が要ります。元記事は、こうしたミッションが観測を始められるのは早くても2040年代だろうと見ています。

ですから「NASAが土星の環に1万個の探査機を送る」と読むのは正確ではありません。「そういう案を9か月かけて検討してみる価値がある、とNASAが判断した」が実際のところです。推進方式という根幹が未定である以上、成立するかどうかもこれから確かめる段階にあります。

もっとも、NIACはもともと外れることを織り込んだうえで、当たれば大きい賭けに小さく投資する枠組みです。土星へ行き着かなかったとしても、この9か月でロボットの群制御について何か進めば、それはそれで残る――そういう設計の制度でもあります。