ミネルバ (ローバー)
ミネルバ (MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle Asteroid, MINERVA) は、2003年5月9日、宇宙科学研究所(ISAS)が打ち上げた小惑星探査機はやぶさに搭載された、小惑星探査ローバーである。なお、はやぶさの後継機として2014年12月3日に打ち上げられたはやぶさ2にもミネルバの後継機となるミネルバIIシリーズが3基搭載され、そのうちの2基が2018年9月21日、リュウグウに着陸した。本稿ではミネルバIIについても説明を行う。
開発を進めていく中でまず大きな課題となったのが2次電源であった。ローバーを動かす電力は太陽電池によってまかなわれるが、ホップして移動する際やカメラによる写真撮影時には太陽電池で供給される電力だけでは不十分となるため、2次電源によるバックアップが必要となった。このような場合、一般的には化学反応を利用した2次電池を用いることになる。しかしミネルバの場合、2次電池の利用が困難であった。化学反応を利用する2次電池はさまざまな種類があるが、それぞれ利用可能な温度範囲が狭い。小惑星表面では日の当たる昼間は100度以上となり、一方夜にはマイナス100度以下となる。ミネルバは小惑星上で60時間活動することを目標としていたが、60時間使用可能な2次電池は見つからなかった。
そこで目をつけたのが電気二重層コンデンサであった。1998年、ミネルバの開発を担当していた日産自動車宇宙航空事業部の技術者は、電源やモーターの総合展示会場でエルナーの担当者に声をかけ、ミネルバの2次電源として電気二重層コンデンサが使えないかと打診した。当時、電気二重層コンデンサの開発が本格化してきており、エルナーは利用範囲の拡大につながる宇宙空間への挑戦に積極的であった。結局、開発成果をエルナー側が利用可能とする条件付きで、ミネルバに搭載される電気二重層コンデンサの開発費用をミネルバ側とエルナーが折半することになり、開発費用の軽減も達成できた。
結局、小惑星上の低温時には劣化しないが、130度以上の高温時には少しずつ劣化する電気二重層コンデンサが開発され、ミネルバに搭載されることになった。事前の解析では小惑星(イトカワ)上の三昼夜を経過すると使用できなくなると推定された。
議論を進めていくうちにローバー外部に何らかの可動部分を持ち、小惑星表面を叩いたり突くことによってホップする方式では、凹凸が激しい表面の場合叩いたり突いたりできない可能性が指摘され、またローバー外部の可動部分を塵などから保護する必要もあった。結局吉光のアイデアからハエタタキのような部品を取り除き、ローバー内のモーターの回転によって発生したトルクによってローバーを回転させ、小惑星表面との反力でホップするというアイデアが生み出された。
この方式ではローバー外部に可動部がないため、小惑星表面にあるといわれていたレゴリス対策が不要となり信頼性が高まる。またホップした後、飛行中のローバーの姿勢制御を移動機構と同じモーターで行える。MUSES-Cが目指す小惑星のような重力の極めて小さな環境では、移動機構がギア無しの小型モーターの回転で良いため軽量化が可能である。モーターの制御を行うことにより小惑星の脱出速度を超えない範囲でローバーのホップする速度を調整することができるため、車輪を用いた移動機構よりも速い移動が可能であるなどの利点があった。1998年、吉光が提案したローバー内部のモーターによって発生するトルクを利用する移動機構が、日本製小惑星探査ローバーの移動機構として採用されることとなった。
ミネルバIIでは、ミネルバが目指した自律的小惑星探査手法の実証、ホップしながら小惑星表面を移動するという小天体用ローバーの移動メカニズムの実証という工学的課題のほか、先述した小惑星上のローバーの位置同定、複数ローバーによるネットワーク探査、搭載コンピュータとしてSOIデバイスの宇宙空間での利用といった新たな工学的チャレンジが提案された。またミネルバ2では、探査目標の小惑星リュウグウの自転軸が不確かで、自転軸が横倒しの場合には日照が長時間連続する可能性があるため、搭載コンピュータの冷却機能の追加や、目標小惑星の公転軌道や探査時期から、1.2天文単位以遠での探査を見据えた大型化などが検討された。
ミネルバIIの科学観測は、ミネルバと同様のホップ中に上空から小惑星を撮影する単眼望遠カメラ、小惑星表面で表面の詳細撮影を行う接写ステレオカメラ、内部と外部の温度計、光量から太陽方向を測定するフォトダイオードの他に、ミネルバIIの姿勢変動を計測するジャイロ、ミネルバIIが小惑星表面に着地した正確な時刻の計測や、小惑星の表面重力の直接測定、更にははやぶさ2計画で行われる予定であるインパクター衝突時における振動の測定などへの利用が考えられる加速度計、そして炭素に富むC型小惑星であるリュウグウの表面探査を考慮して、LED照射による多色分光を行い有機物測定などを行う機器の搭載が検討された。
ミネルバ-II1は、はやぶさ2の目的小惑星であるリュウグウが、小惑星の表面重力加速度、温度、自転周期、自転軸の傾きなどがイトカワと異なることが予想されたためローバーの再設計を行わねばならず、またミネルバの経験を踏まえて多くの改良を加えることとなったため、完全な新規開発となった。
このようなミネルバは、ホップしながら小惑星表面を移動するという小天体用ローバーの移動メカニズムの実証、そして自律的小惑星探査手法の実証という2つの工学的試験を小惑星上でチャレンジすることになった。
2003年5月9日、ミネルバが搭載されたMUSES-Cが打ち上げられ、はやぶさと命名された。はやぶさが目的地である小惑星イトカワへ向かうまでの間、ミネルバは時々機器の電源をオンにして状態チェックを受けた。はやぶさは2005年9月12日、目的地の小惑星イトカワに到着した。はやぶさは2ヶ月近い探査の後、11月になって小惑星サンプルリターンのチャレンジを開始した。そして第三回目の着陸リハーサルであった11月12日、ミネルバははやぶさから分離されイトカワを目指したが、イトカワへの投下は失敗に終わり、世界最小の人工惑星となった。そしてミネルバははやぶさ分離後、18時間に渡って通信を続け、データを送り続けた。
ミネルバはイトカワへの着陸に失敗し、小惑星上での工学試験は実現できなかったが、小天体用ローバーの移動メカニズムの実証、そして自律的小惑星探査手法の実証という工学的試験はミネルバの開発経過、そしてはやぶさ分離後18時間に及ぶ運用の中である程度行うことができた。2014年打ち上げられたはやぶさ2では、ミネルバの運用結果、はやぶさのイトカワ探査の結果などを踏まえた後継機ミネルバIIが搭載されている。