フェニックス (探査機)

フェニックス  は、アメリカ航空宇宙局  の管理下で、アリゾナ大学の月惑星研究所  を中心にカナダ宇宙庁と航空宇宙業界も加わって共同開発された火星探査機である。

2007年8月4日に打ち上げられ、2008年5月25日に火星の北極の、氷の豊富な地域に着陸。着陸後はロボット・アームで北極域の地表を掘り上げて過去の水に関する情報を探し、火星が微生物にとって適切な環境であるかどうかを調べた。

1. 歴史
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2003年8月、アメリカ航空宇宙局は、アリゾナ大学により提案されたフェニックス計画を、2007年にマーズ・スカウト・プログラムで最初に打ち上げられる探査機として選出した。この決定が下されるまでには、他の研究機関との間で非常に激しい競争があった。この計画のために、NASAからアリゾナ大学へ3億2500万米ドルの資金が提供される。これは、それまでアリゾナ大学により獲得された研究費の中では最大の規模で、それまでの最高額より6倍にも上る。

アリゾナ大学のピーター・スミスが、この計画の主任研究員  として選出された。フェニックスという名前は、何度も灰の中から蘇る神話上の鳥、フェニックスにちなんで命名された。この名前に相応しく、フェニックスにはこれまでの探査計画で開発された機器が再利用されている。フェニックスに使われる着陸船は2000年に計画が中止されたマーズ・サーベイヤー2001の着陸船を改良したものである。この着陸船は、ロッキード・マーティン社がほぼ完成状態にあった着陸機を、2001年から大切に保存していたものである。また、マーズ・ポーラー・ランダーに搭載されていたものと同じ科学機器がフェニックスにも搭載されている。

2005年6月2日、NASAはフェニックス・プロジェクトの計画と初期設計が順調に進んでいくことを精査した後、予定どおりにプロジェクトを進行させることを承認した。

2. ミッションの目的
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火星の失われた水を追うということが NASA の長期火星探査計画マーズ・エクスプロレーション・プログラムの重要な柱のひとつである。2001マーズ・オデッセイなどによる軌道上からの調査によって火星の北極地域の地面のすぐ下には凍った氷の層が拡がっていると考えられており、この地域の調査は以前からの重要な目標であった。フェニックスはこの土壌と氷の境界地域に着陸し、それまで周回機でのみ存在が確認されてきた「火星の地下の氷」を直接探査することによって、2つの目標、すなわちこの地域が、はたして生命に適した土壌をもっているのかということについて、そして極地の地質のたどった歴史、特に過去10万年の間に液体の水が存在したのかということについて探求する。 Image:Phoenix_Sol_0_horizon.jpg|フェニックスが送ってきた着陸地点からの写真。 永久凍土地帯にみられるアイス・ウェッジ・ポリゴンとよく似た多角形のパターンを示している。 Image:Patterned_ground_devon_island.jpg|カナダ、北極諸島デヴォン島にみられるポリゴン構造。夏期に割れ目に染み込んだ水が凍結し氷の楔を作り出すことによって生ずると考えられている。

3. 経過
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2007年8月4日 ケープカナベラル空軍基地よりデルタIIで打ち上げ。[[画像:Descent_of_Phoenix_with_a_crater_in_the_background_taken_by_Mars_Reconnaissance_Orbiter.jpg|thumb|right|200px|マーズ・リコネッサンス・オービターの高解像度カメラが撮影したパラシュートで降下中のフェニックス。探査機は背後のクレーターの西 20 km に着地した。]]
2008年5月25日 火星着陸。フェニックスの着陸地域 グリーンバレーは火星の北極地域の平原で、この期間は火星の北極地域に十分な太陽光が到達し、着陸機を太陽電池で動作させるのに十分である時期として選ばれた。着陸後フェニックスは十分な太陽光の得られる90ソルの間だけ活動を行う予定となっていた。1ソルは地球の1日よりおよそ40分長い。機器の展開やチェックが終わった後、9ソル目までは火星大気などの測定を行い、10ソル目からロボット・アームを用いた土壌の調査が始まる。
2008年6月1日 氷らしきものを発見したと発表。逆噴射で表土が吹き飛ばされ、露出したものと推定されている。thumb|right|200px|フェニックスが撮影した掘削跡の「氷」。
2008年6月15日 ロボット・アームで地表を掘った跡を撮影した写真に白い塊が発見される。この塊は18日に撮影した写真では消えており、ほぼ確実に水の氷だったと見られる。
2008年11月10日 日照不足による太陽電池の電力低下のため活動停止したと発表される。最期の通信は11月2日。活動期間は当初想定された3ヶ月を超え5ヶ月以上に及んだ。
フェニックスは火星の冬を乗り越えられるように設計されていなかったが、日照の回復により活動を再開できる可能性がわずかに存在したため、2010年1月から火星周回機マーズ・オデッセイを使用して断続的に交信が試みられていた。しかし、数十回に及ぶ機会の間にフェニックスの信号は受信されず、またマーズ・リコネッサンス・オービターが撮影した画像からフェニックスが塵に埋もれ破損したことも示唆されていた。これらの状況を踏まえ、2010年5月24日、フェニックスとの交信再開の試みを終了することが公式に発表された。

4. 搭載された科学機器
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極地の土壌の分析がフェニックスの最重要の任務となる。フェニックスの科学観測装置には、マーズ・サーベイヤー2001ランダーからそのまま引き継いだ掘削ロボット・アーム  や、土壌を水に溶かして種々の実験を行う化学的実験装置や顕微鏡のセット  が装備されており、これらは土壌を熱することで発生する気体を調べる装置  とともに土壌分析の主役となる。これ以外にも周囲の状況を撮影するステレオ・カメラ  やライダーを備えた気象観測装置  などが装備されている。

4.1. ロボット・アーム 
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先端にスコップのついた RA 、すなわち「ロボット・アーム」はフェニックスの科学機器の中で鍵を握る装置だといえる。4自由度をもつ腕を伸ばすと先端は着陸船から 2.35 m となる。さらにスコップは数時間かけて地面の下 50   cm まで掘削できる。スコップが極地の地下のこの深さには拡がっていると想定されている氷の層に達したならば、先端にある鋭い爪とヤスリで砕きサンプルを手に入れる。こうして回収された土壌あるいは氷のサンプルは後述の装置 TEGA や MECA による解析にかけられる。

このロボット・アームはマーズ・サーベイヤー2001計画において JPL のチームが設計・製作したものである。

4.2. ロボット・アーム・カメラ 
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ロボット・アームのスコップのすぐ上には三原色の LED に囲まれたカメラ RAC  が備わっている。これは、周辺のカラー画像を撮影するとともに、スコップが回収するサンプルを確認し、またロボット・アームが掘り出したばかりの場所の土壌の状態を調べる。カメラは無限遠から手前 11   mm の物にまで焦点を合わせることができ、近づいたときの解像度は 23   µm となる。

このカメラもサーベイヤー2001ランダーを引き継いだもので、アリゾナ大学とドイツのマックス・プランク太陽系研究所  によって製作された。

4.3. 顕微鏡・電気化学・伝導度解析装置 
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マーズ・サーベイヤー2001のために JPL によって製作されていた MECA  は、湿式化学の実験装置 、光学顕微鏡、原子間力顕微鏡、熱伝導度および電気伝導度の探針  からなる一群の装置である。

熱伝導度・電気伝導度や温度を測定する幾本かの探針 はロボット・アームの「指の関節」部分に備え付けられており、アームが掘った溝の端に差し込まれることになる。これらの測定によって、活発な極地の土壌と大気との相互作用について理解する手がかりになると期待される。

ロボット・アームがすくった土壌は4つの WCL の容器のうちの1つに入れられ、そこに水が加えられる。これを撹拌しながら電気化学的センサーが水中のマグネシウム、ナトリウム、塩素、臭素、硫酸イオンといった 12 種類のイオン量、pH、伝導度、酸化還元電位が調べられる。これは土壌が、存在しているかもしれない固有の微生物にとって、あるいは将来の地球からの訪問者にとって生命を支えうるような化学的なエネルギーをもっているかどうか、また生命の存在に適さないような pH や塩、酸化物を有していないかどうかの評価に役立つ。

また、土壌の粒子は分類された上で、光学顕微鏡、そして FAMARS と名づけられた原子間力顕微鏡 によって細かい形状が観察され、その起源と鉱物学的性質が調べられる。原子間力顕微鏡はヌーシャテル大学  が中心となったスイスのグループによって提供されたもので、使い捨ての8つの探針が試料をなぞることで 10   nm の解像度の画像を得る。もし土壌に含水鉱物や粘土鉱物があれば、かつての火星の北極に液体の水があった証拠となりうる。

4.4. 熱・発生気体分析装置 
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アリゾナ大学とテキサス大学ダラス校  によって製作された TEGA  は、高温炉と質量分析計が組み合わせられたものである。ロボット・アームにより回収された土壌あるいは氷のサンプルを熱し、その成分を分析する。

全部で8つある炉はボールペンのインク・カートリッジ程度の小さなもので、それぞれ一度きりしか使うことができない。1つのサンプルを1つの炉でゆっくりと最大 1,000 ℃ まで加熱し、発生する気体の成分を質量分析の方法を用いて分析する。これによって極微量