月面極域探査ミッションSACLAR: Selenology and Aerogel-using

Capture of Lunar Aqueous-altered Regolith

第6回探査ミッション立案スクール

Sep. 8, 2018 (神戸大学CPS)

チーム：月兎（GET）

朝倉・田澤・田中・荷見・松岡

大目標

月・地球の進化を明らかにする

• 理学的見地：月の水の由来• 地球と関係する場合：月と地球の起源に制約できる• 地球と無関係な場合：月がたどった独自の進化を垣間

見ることができる

• 工学的見地：資源としての月の水• 月・深宇宙探査用資源として、月の水の利用が検討さ

れている

先行する探査では極域における水氷の存在が示唆されている

ミッション要求

Chandrayaan M3

によるIR反射スペクトル (Li+ 2017, LPSC)

純氷(77K)

Faustini(SP)

Ice-less

月極域の (1) 氷の存在、(2) 氷の起源を明らかにする

(1) 極域内の氷の存在：先行探査では確定していない• 温度的に存在できないのでは？• 水のスペクトル特徴が見えている• レーザー反射率が高い領域＝氷？

↑赤外分光と中性子分光で

情報が得られる

ミッション要求

(1) 極域内の氷の存在：先行探査では確定していない• 温度的に存在できないのでは？• 水のスペクトル特徴が見えている• レーザー反射率が高い領域＝氷？

↑赤外分光と中性子分光で

情報が得られる

Lunar Prospector 中性子分光器によるH量の見積もり(Lawrence+ 2006, JGR)

NP

SP

月極域の (1) 氷の存在、(2) 氷の起源を明らかにする

ミッション要求

(2) 氷の起源の候補• 月からの脱ガス• 彗星からの供給• 太陽風の水素による水分子生成

D/Hは赤外分光でも明らかにできるが，それ以外は地球上での分析が必要

同位体比から起源を制約可能

D/H, 14N/15N, 13C/12C etc

D/H-15N/14N ダイアグラム上の太陽系天体の分布Sarafian+ 2014, Science

彗星

太陽

地球

OH伸縮：3μmOD伸縮：4μm

月極域の (1) 氷の存在、(2) 氷の起源を明らかにする

探査対象

Shackletonクレーター（南極域）

D=20km, d=3km

• 永久影を有する• 温度的には氷が存在できない（かぐや）• 分光学的に水の特徴を確認（チャンドラ

ヤーン・M3）• レーザー反射率の高い領域を確認（LRO）

地表面直下に氷の層が存在？水蒸気の流れがある？

システム要求

ミッション要求

(1)氷の存在

(2)氷の起源

システム要求

SysR1 赤外反射スペクトル観測器

SysR2 中性子スペクトル観測器

SysR3 サンプルリターン(SR)と地上での同位体測定

SR手法(SysR3)について更に詳細に検討

SRの困難

困難：Shackletonクレーターの永久影環境水氷が存在する可能性があるが…× 可視光で対象や障害物が見えない× 太陽光発電ができない× きわめて低温で機器に障害が生じうる

SRの要求：着陸せずにサンプル採取をしたい

これらの条件から、着陸と採取が困難となる

SRに関連したシステム要求

着陸せずにサンプル採取をしたい

インパクタを落下させ、その放出物を軌道上で採取する

SysR3a インパクタ落下地点を確定させるSysR3b エジェクタからのSRSysR3c エジェクタカーテンを観察するSysR3d 放出されるガスを観察する

どの起源でも岩石にOH結合が生じたと期待できる→氷ではなく熱条件の緩い水和鉱物をサンプル対象とする• 月脱ガス：地熱による水質変成• 彗星衝突：衝突加熱水質変成• 太陽風：岩石表面でのOH基形成

システム定義

赤外観測 近-中間赤外広帯域レーザー（LOLA(13.2kg, 33W)を改良）(SysR1) 3, 4μmバンドカメラ

近赤外ー中間赤外分光計（M3を改良, 8kg, 20W））

中性子観測 中性子分光計（MESSENGER-NS, 3.9kg, 6W）(SysR2)

SRメイン機器 インパクタ-軌道サンプラ-カプセル系（Stardustのサンプラ）(SysR3b) 軌道制御系

軌道観測系（LIDAR, LOLA(13.2kg, 33W)）

エジェクタカーテン観測(SysR3c) 「赤外観測」と同様（+地上観測（南半球高緯度の望遠鏡））

ガス観測 ガスサンプラ(SysR3d) イオン検出器（Kaguya-PACE, 16kg）

落下地点決定 レーダー反射測定器（Chandrayaan-MiniSAR, 8.1kg, 50W）(SysR3a) その他「赤外観測」「中性子観測」と同様

赤外観測&レーザー観測機器

近-中間赤外広帯域レーザーによるスポット群スポットを3μm（OH伸縮），4μm（OD伸縮）バンドカメラで撮像

L：LIDAR光源併用I：近赤外-中間赤外分光計光源併用

L

I

2.3km

ミッション概要

月周回軌道投入重量の見積もり

ΔV1 GTO

36000km

320000km 60000km

ΔV2

ΔV1 [km/s] 0.77

ΔV2 [km/s] 0.73

1. H3ロケットを用いてGTOに6.5tのペイロードを

投入

2. ΔV1の加速で月遷移軌道に投入

3. ΔV2の減速で月周回軌道に投入

Isp = 310 s のエンジンを用いたとすると・・・

3.97ton のペイロードを月周回軌道に投入できることがわかった。

ミッション概要

インパクタの軌道変更インパクタ

オービタ

オービター

ΔV

軌道変更後の近点を通過する際に軌道変更を行う。

ΔV = 1.2km/s

衝突シーケンス

54°

ΔV = 11m/s

インパクタを遠点で減速して月に衝突させる。

11m/sの減速を行うことで親機の近点付近で

54°の衝突角を実現できることがわかった。

ミッション概要

オービタの設計

ミッション機器

機器 重量 [kg] 消費電力 [W]

近‐中間赤外広帯域レーザー 13.2 33

3，4㎛バンドカメラ 6 -

近赤外‐中間赤外分光計 8 20

中性子分光計 3.9 6

イオン検出器 16 ‐

レーダー反射測定器 8.1 50

サンプラ 7 ‐

帰還カプセル 50 ‐

インパクタ（推進系含む） 520 ‐

合計 632.2 109

バス機器重量SELENEのミッション機器・バス機器を参考にSACLARの

バス機器重量は1700kg（推薬1100kg）とする。

サンプル回収器エアロゲルでエジェクタを回収Stardustのサンプラーを応用

• 全体の面積 1 m2

✓ それぞれ：r=0.21m, S=0.14m2

• エアロゲルの厚さ 1cm

• 総質量

カプセル ふた

Stardustのエアロゲルサンプラ

イオン検出器

エアロゲル

イオン検出器

イオン

ダスト

イオン検出器でクレーターから放出された揮発性物質を検出する

かぐやに搭載されたイオン検出器（PACE）

Sample return概略図

Impactorを衝突させて、人工的にクレーターを形成舞い上げられたejectaをorbiterが捕獲、カプセルにて地球へ持ち帰る

Ejectaの回収

・高度10kmにsampleはどの程度あるのか

・より多くのsampleを採取するために、高度10kmでのsampleの面密度が最も大きくなる時にオービターがカーテンを通過するようにする

衛星が通過する10kmでのejectaカーテンの面密度を考える

◉通過面の面密度が最大になるのはどんな時？

衝突後、ejectaカーテンが形成速度分布に従って速度の大きいejectaから10kmに到達

・速度が低すぎる…高度10kmまで達しない・速度が高すぎる…sampleの数密度が低い

→月重力下で高度10kmまで十分通過できるejectaの中で、低速のejectaを狙う

v~270(m/s)のejectaが10kmまで上昇した時を想定

サンプル回収量の概算 (1)

𝑉𝑒(𝑣)

𝑅3~0.32

𝑣

𝑔𝑅

−1.22

parameter

Impactorの質量𝑚𝑝 500(kg)

Impactorの衝突速度 𝑣𝑝 3000(m/s)

形成クレーターの半径 𝑅 ~14(m) (∵スケーリング則から計算）

エアロゲルの表面積 𝑆 1.0(m2)

Ejecta物質の密度 𝜌 3.0(g/cm3)

Ejectaの体積 𝑉 6.55×10-14(m3)

・以下のparameterで計算

𝑉𝑒(𝑣):速さ𝑣以上の速度のejectaの総体積

・重力支配域でのejectaの破片速度の式は次のように与えられる

サンプル回収量の概算 (2)

𝛿𝑉𝑒 𝑣0 + 𝛿𝑣; 𝑣0 =𝜕𝑉𝑒𝜕𝑣

∙ 𝛿𝑣

= −0.39𝑅3

𝑔𝑅−1.22 𝑣

−2.22 ∙ 𝛿𝑣

高度10kmと10km+1mの速度差を計算v=270(m/s)での速度分布を適用

この時、高度10km~10km+1mにある

・sample粒子の個数 ~ 1.2×1012(個)・カーテンの通過面の数密度 ~ 1.8×107(個/㎡)

質量に直すと、一回の通過で約4g採取できる！

サンプル回収量の概算 (3)

シールド設計・ejectaによる損傷を防ぐシールドを考える

《安全性の概算》

・Stardust計画のWhipple Shieldsを採用予定~1(cm3)の衝突物は防ぐことが可能

・ejecta粒子の平均サイズ 〜6.6×10-8(cm3)

・ejecta粒子の大きさが全て1(cm3)であると仮定→通過面の数密度は~1(個/m2)→1(cm3)級のejecta粒子が1％あったとしても、衝突確率は~1%

☆以上の議論から、十分なシールド効果が期待できる

Whipple shields

サンプルの解析手法

地上では同位体顕微鏡で解析• 物質中の微細な同位体の組成分布を観

測できる

惑星間粒子 Benaventa のδ17O image（幅9μm）(Floss & Stadermann 2003, LPSC)

サクセスクライテリア

超低空からの極域クレーター撮像 Minimum

中性子分光・赤外反射分光測定 Minimum

インパクタの着弾 Minimum

エジェクタカーテンの分光学的観測 Full

エジェクタの採取 Full

サンプルリターン Full

クレーター形成後の継続的観測 Extra

まとめ

• 月極域の物質のSRを行うミッションを立案した

• 日陰の制約を緩和するサンプリング手法を検討した

• SRに加え、氷の存在をサポートするようなリモートセンシング観測の組み合わせを提案した

• 天体に直接着陸しないSRは今後の探査へ広く応用できる技術だと考えられる

エンケラドゥスのプルーム 準惑星ケレスの永久日陰

おしまい