火星の月フォボスから砂を持ち帰る「MMX」 着陸するまで正体の分からない天体にどう挑むか

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概要

JAXAと三菱電機が開発を進める火星衛星探査計画「MMX(Martian Moons eXploration)」は、火星の衛星フォボスに着陸して砂などのサンプルを採取し、地球に持ち帰る計画である。実現すれば、火星の衛星からのサンプルリターンは世界初になる。取材では、三菱電機鎌倉製作所の展示を見学したあと、JAXAでプロジェクトマネージャを務める川勝康弘氏と、三菱電機でMMXの開発を統括する上原晃斉氏に話を聞いた。探査機の設計で何が難しかったのか、正体の分からない天体でどうやってサンプルを採るのか、そして打ち上げを前に当事者たちが何を考えているのかが語られた。

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鎌倉製作所の人工衛星開発と、衛星を守る手縫いの断熱材

最初に案内役を務めたのは、鎌倉製作所で宇宙営業を担当する入交亮太氏である。三菱電機は家電のイメージが強いが、入交氏によると1960年代から半世紀以上にわたって人工衛星の開発・製造を手がけてきた。これまでに延べ80機以上の衛星を手がけ、部品単位での参画も含めると約670機の人工衛星に関わっているという。

一般には公開していない展示スペースには、三菱電機の標準的な衛星「DS2000」の2分の1模型が置かれている。2分の1でもかなりの大きさで、実機はその2倍になる。衛星に載る「スタートラッカー」も紹介された。上下のない宇宙空間では衛星が自分の向きを把握しにくいため、星を観測して現在の姿勢を確認するセンサーである。入交氏によれば、衛星1機を作るには多くの人が関わり、5年ほどかかる。展示には、日本版の衛星測位システム「みちびき」、宇宙ステーションに物資を届ける無人補給機「こうのとり」、天気予報を支える気象衛星「ひまわり」など、同社が開発・製造してきた衛星の模型が並んでいた。

衛星の表面に見える金色の素材も紹介された。「MLI」と呼ばれる部材で、薄い膜が何層にも重なった多層構造になっている。アルミホイルのような層と網のような層が重なっていて、1枚1枚は非常に薄い。入交氏の説明では、外がプラスマイナス200度ほどの環境でも、これを貼ることで内側をプラスマイナス20度程度に保てるという。宇宙に打ち上げた衛星は修理に行けないため、運用期間中に壊れないよう頑丈に作る必要がある。このMLIはミシンを使った手作業で縫われており、衛星1機ごとにぴったり合うよう作られている。

SLIMが実証したピンポイント着陸と「画像航法」

同社の技術力を示した例として入交氏が挙げたのが、小型月着陸実証機「SLIM」である。2023年に打ち上げられ、2024年に月面着陸を果たした。SLIMの目的は、ただ月に着陸することではなく、狙った地点にピンポイントで降りることだった。

入交氏によると、それまでの月着陸機の着陸精度は数kmから十数kmとされていたのに対し、SLIMは半径100m以内を目標に飛行し、誤差約55mでの着陸に成功した。精度を上げたのは「画像航法」である。機体があらかじめ持っている地図と、自分で撮影した画像を照合し、どこをどんな姿勢で飛んでいるかを自動で判別しながら降下する。入交氏はこの精度向上を、以前は「横浜から東京のどこか」に降りるくらいの精度だったものが、ハチ公前で待ち合わせできるくらいになった、とたとえた。

この画像航法がMMXに引き継がれている。MMXにもフォボスに着陸するフェーズがあり、SLIMで培った画像航法を活かして、狙った場所に「ピンポイントに優しく」着陸できるように作っているという。取材時点で機体はほぼ完成しており、ロケット発射場のある種子島で最終調整を行っていると入交氏は説明した。

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10年以上続く計画と、JAXA・三菱電機の関係

川勝氏はJAXA宇宙科学研究所の火星衛星探査プロジェクトチームでプロジェクトマネージャ、つまり計画のリーダーを務めている。検討を始めたのは10年ほど前で、正式なプロジェクトになったのは2020年、約6年前だという。

三菱電機は探査機システムをとりまとめるプライムメーカーである。上原氏自身がMMXに関わったのは5年あまりだが、同社としては初期の概念検討から10年以上にわたり、JAXAと一緒に検討、設計、開発を進めてきた。川勝氏によると、三菱電機には最初から加わってもらっており、途中で正式に三菱電機が選ばれた時点があったものの、ずっと長くパートナーとして取り組んできたという。

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なぜフォボスは「太陽系で最も重要な未踏峰」なのか

MMXという名前は「Martian Moons eXploration」の頭文字で、火星の周りを回る衛星を探査する計画を意味する。火星にはフォボスとダイモスという2つの衛星があり、MMXはそのうちフォボスから砂や石を採取して地球に持ち帰る。

川勝氏によると、火星の衛星は「太陽系の中で最も重要な未踏峰」、つまりまだ本格的に探査されていない天体と呼ばれている。その重要性には2つの面がある。1つは、我々の月と比べてずっと小さい天体だという点だ。このような天体は小惑星や彗星と同じ「小天体」のグループに属し、太陽系の初期に水や有機物など生命につながる物質がどのように生まれ、どう移動したかを知る鍵を握っていると川勝氏は説明する。もう1つは、火星のすぐそばにあるという点である。火星とのつながりや、将来の有人探査の中での役割など、さまざまな面で重要だと考えられているという。

これまで探査が進まなかった理由について、川勝氏は、火星本体に向かう探査機が遠くから撮った写真などはあったものの、小天体に近づいて観測したり着陸したりするには、月や火星への着陸とは違う難しさがあると話す。重力の小さい天体に安定して接近し、接地することが難しい。50年近く前には旧ソ連が探査を試みたが、途中で断念している。一方、日本は「はやぶさ」「はやぶさ2」で小天体探査の世界をリードする立場にあり、その技術を使って、小天体でもある火星の衛星の探査に手を伸ばしたのだと川勝氏は位置づけた。

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5年間のミッションの流れ

川勝氏が説明したミッションの流れは次のとおりである。打ち上げは2026年度に計画されている。地球から火星の近くまでは約1年かかり、2027年度ごろに到着する。川勝氏は、火星の近くにとどまること自体が大きなチャレンジだと話す。その後すみやかにフォボスに接近し、約3年間、火星の近くにとどまって衛星を探査する。

その3年間の中盤ごろにフォボスの表面に着陸し、サンプルを採取する。できれば別々の2か所に着陸して採取したいと考えている。最後の半年間では、もう1つの衛星ダイモスについても上空から何度か観測を試みる。ダイモスには着陸しないが、高性能な観測機器を積んでいるので、上空からでもさまざまな情報が得られると期待しているという。2030年度ごろに火星圏を出発して地球への帰路に入り、2031年に地球に戻る。サンプルの入ったカプセルを分離し、地上で回収する。川勝氏はこの5年間を「退屈しない」期間になるだろうと語った。

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課題1:通信の遅れと探査機の自律性

探査機のシステム設計の難しさについて、上原氏は大きく3つを挙げた。1つ目は通信にかかる時間である。地球と火星の間で通信すると往復にかなりの時間がかかり、会話の中では44分のタイムラグにも触れられた。地上からリアルタイムで探査機を操作することはできないため、探査機自身に自律性を持たせることが設計のポイントになった。

探査機はフォボスに着いたあと、地表の状況を見ながら最適な位置を確認し、自分で状況を判断して降下する。上原氏によると、「こういう状況になったらこう進んでよい」という判断基準をあらかじめプログラムとして組み込んでいる。結果は地上にも送られるが、届くまでに時間がかかるため、異常が起きた場合には探査機自身が制御を切り替えられる仕組みにしている。

着陸の手順も説明された。着陸前に複数のカメラでフォボスの表面を撮影して最適な着陸場所を探し、あらかじめ用意した地図とカメラ画像を使ってその地点までピンポイントで向かう。フォボスにはクレーターなどがあるため、降りられる場所は20m四方ほどの限られたスペースになる。上原氏は、フォボスの周りで長期間観測して地図を作り、そこで降りる場所を決めてから向かう流れだと述べた。

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課題2:「大きくて小さい」重力と、2回着陸するための脚

2つ目の課題はフォボスの重力である。上原氏によると、フォボスは「はやぶさ」が向かった小惑星イトカワなどと比べると重力が大きく、その分、着陸時の制御に大きな力が必要になる。一方で、地球や月と比べれば重力は小さいため、着陸時に転倒したり跳ね返ったりするおそれがある。そのため探査機には着陸時の衝撃を吸収する機能を備えた。重力が小さすぎることへの対策だけでなく、ある程度の重力があることへの対策も同時に求められるわけだ。

MMXに特有なのは、しっかり着陸してサンプルを採取し、しかもそれを複数回行う点である。1回きりなら、多少無理をしてでも1度採取できればよい。しかし2回目の着陸に備えるには、着陸の衝撃で縮んだクッションを元の形に戻す機能が必要になる。上原氏は、衝撃を吸収したあとに元に戻し、再び離陸してもう1度着陸させるまでを地上で何度も試験したことを、特に苦労した点として挙げた。規定の回数をクリアすることも設計目標の1つだったという。探査機はいくつものコンポーネントを組み合わせて作られるが、着陸脚は最後の最後まで開発に時間がかかった部分だったと上原氏は振り返った。

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課題3:膨大な燃料と、3つのモジュールに分かれる機体

3つ目の課題は燃料である。上原氏によると、火星は月の約150倍の距離にある。ただし問題は距離だけではない。火星圏に入るときと火星圏から離脱するときに大きなエネルギー、つまり燃料が必要になる。燃料を多く積むと探査機が大きくなり、その分ほかに持っていけるものが限られる。そのため、できるだけ効率よく火星圏まで運ぶ必要があった。

その検討の結果、探査機は四角い一般的な衛星の形ではなく、軽量化のためにでこぼこした形になっている。機体は3つのモジュールで構成される。上部から中央のアンテナあたりまでが「往路モジュール」で、火星圏に行くまでの燃料やスラスターが付いており、火星圏に着いたら切り離す。最下部の4本の脚が見える部分は「探査モジュール」で、着陸脚やカメラ、サンプル採取用の機器などが搭載されている。この部分も、着陸・採取を終えて離陸したあと、地球に帰る前には不要になるので切り離す。最終的には身軽になった状態で、中央のアンテナや太陽電池パドルなどからなる「復路モジュール」とカプセルだけで地球に戻ってくる。一見すると格好のよい外観も、どうすれば効率的かつ確実にミッションを遂行できるかを検討し尽くした結果だと上原氏は説明した。

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正体の分からない表面から、どうサンプルを採るか

サンプル採取について、川勝氏は、一番難しいのは相手がどんな素性か分からないことだと語った。ただ、遠くから撮られた写真や、表面温度の変化に関する情報があったため、砂浜のような「レゴリス」に覆われているのではないかという想像はある程度できたという。

温度の情報から何が分かるのかについて、川勝氏は次のように説明した。日が当たっている状態から日が陰った状態に変わると、表面の温度は高いところから低いところへ変わる。その変化が速ければ、内部で熱がよく伝わっているということなので、岩のようなものでできていると考えられる。変化がゆっくりなら、内部にそれなりに空間があるということで、砂やもっと細かい粉のようなものだと考えられる。こうした推定から、フォボスの表面は砂ではないかと考えられている。

しかし、砂といってもどれくらい重い砂なのか、内部に隙間が多いのか密に締まっているのかは分からない。そこで、ある程度の範囲を想定し、その範囲のどの条件でも狙った量が採れるように装置を設計した。さらに難しいのは、地球の重力下での試験でうまくいっても、重力の小さいフォボスでうまくいくとは限らない点である。そのため、高さ100mほどの落下塔で実験装置を落とし、ほぼ無重力になる数秒間に採取装置を打ち込む実験を行った。砂の種類も装置の仕様も変えながらこれを何百回も繰り返し、1か所で10グラム以上は採れるだろうという装置を設計して搭載したという。

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着陸地点はまだ決まっていない

では2か所の着陸候補にはもう目星がついているのか、という問いに対し、川勝氏は「ついていない」と答えた。フォボスは20kmから30kmほどの大きさで、川勝氏によれば山手線の2倍くらいの広さがある。その中から2か所しか採取しない。世界初の機会であり、次がいつあるか分からない機会でもあるので、よい場所から採りたいという。

そのため、到着したらまずフォボス全体をよく観測する。着陸時に安全でなければならないので、ごつごつした場所は避けて平らな場所を探す。そのうえで、さまざまな観測からどんな物質でできているかを推定し、多くの情報が得られそうな場所を選んで降りる。3年間の中盤で着陸すると説明したのはこのためで、最初の1年間はほぼ着陸場所を決めるための観測に充てられるという。前半の観測でこれまで知られていなかったことが分かり、それを踏まえて選んだ場所でサンプルを採る流れになる。

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MMXが今後の宇宙開発に残すもの

今後の宇宙開発への影響について、上原氏は、MMXが成功すれば世界初の快挙になると述べたうえで、自律的な制御や着陸技術は今後の月・火星探査、さらにその先の深宇宙探査に十分活かせると考えていると話した。自律的な制御は、運用の省力化や柔軟性の向上にも使えるのではないかという見方も示した。

川勝氏は技術面については上原氏の挙げた点が重要だとしたうえで、国際的な側面を強調した。MMXは日本が主導する計画だが、フォボスには世界各国が注目しており、ミッションには海外のメンバーも多数参加している。アメリカやヨーロッパの宇宙機関が観測機器や地上のアンテナを提供しているという。川勝氏は、この重要なミッションを日本が主導して成功させれば、今後の太陽系探査で日本の役割が広がっていく先駆けになると期待を語った。

川勝氏によると、火星本体の探査ではアメリカやヨーロッパが日本より先行している。しかし「はやぶさ」の例のように、小天体を探査し、サンプルを採って帰ってくることは、さまざまな技術の総合によって成り立つ。フォボスからのサンプルリターンに関しては、各国が自前で探査機を作るよりも、日本の計画に乗るほうがずっと成功の確率が高いと、海外の機関に思ってもらえているという。こうした実績と経験を生かし、世界をリードできる立場に日本が立てる分野もある、しかもそれが重要な分野である、ということをここで示したいと川勝氏は話した。

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打ち上げは「出発点」

最後に2人がMMXへの思いを語った。川勝氏は、2026年度の打ち上げは計画全体の中で重要なステップだと述べた。難しい探査機で、最初はどんな形になるのかも分からなかった。形が決まってからも製作や試験は大変だったが、ようやく打ち上げられる状態まで完成したことは大きなステップだという。一方で、計画全体から見ればまだ出発点にすぎず、打ち上げてから、到着してから、着陸してからが本番になる。その意味で、ドキドキもしているしワクワクもしていると川勝氏は語った。

上原氏は、10年以上にわたって設計・製造・試験に携わってきたことを振り返った。これだけ大きく難しい開発を進めるにあたって、鎌倉製作所では所長直轄の開発体制を敷き、関連部門や協力企業とチーム一丸となって取り組んできたという。その成果がミッションの成功につながると信じており、打ち上げとその後の運用に向けて、JAXAと一緒に引き続き成功を目指したいと述べた。

聞き手は、打ち上げを前に浮かれてもおかしくない時期に、2人がそろって「これからがスタートだ」と語る姿から、誠実に向き合う人々がこのプロジェクトを支えていると感じたと締めくくった。フォボスの表面がどんな物質でできているのか、どこに降りるのか、2回の着陸と採取が狙いどおりにいくのか。その答えは、探査機が火星圏に到着してからの観測を待つことになる。