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1 エンセラダスの ハビタビリティの解明 内部海の化学勾配調査 Direct Inside sea evaluation for Enceladus (DIVE)チーム 神里 園家 枝本 江本 鈴木

2 テーマの検討 始めに 生命が存在する可能性のある惑星の探査を Astrobiology in the Solar System のテーマとして考えた

3 ハビタブルゾーン ( 小林先生のスライドより ) 一般的なハビタブルゾーン 拡張ハビタブルゾーン 惑星の表面か地下に水がある 太陽系では地球のみ 20/documents/slides/07_kobayashi.pdf 20/documents/slides/07_kobayashi.pdf 火星, エウロパ, タイタン, エンセラダスも候補となる 生命の存在条件は水以外にもある

4 生命存在の条件とは 生命がもつ共通点 エネルギー, 有機物, 溶媒 生命活動に必要なエネルギーはどう作る? 酸化的物質と還元的物質が混ざる 非平衡から平衡へ移る エネルギーが生じる

5 エネルギー論的ハビタブルゾーン エネルギー論的ハビタブルゾーンのなかで 有力とされているのはエウロパ エンセラダス 火星である ( 関根先生のスライドより ) 拡張ハビタブルゾーンとエネルギー論的ハビタブルゾーンを踏まえて 我々はエウロパ エンセラダスのような内部海を持つ氷衛星に着目することにした 20/documents/slides/01_sekine.pdf

6 氷衛星比較 対象天体 エンセラダス エウロパ 直径 [km] 500 km 3200 km 氷の厚さ [km] 5 km 以下 km 表面温度 [K] K K 太陽からの距離 [AU] 9.6 AU (土星 5.2 AU (木星 重力 [G] 0.01 G G 内部海水深 [km] km km エンセラダスのほうが探査しやすい

7 カッシーニによるエンセラダスのプリューム分析 先行研究 H2, CO2 がプリューム分析から存在が示唆 有機物, CH4 の発見 ナノシリカの発見 かんらん岩,熱水噴出孔の示唆 生命の条件 エンセラダス エウロパ 有機物 〇 エネルギー 非平衡 な化学勾配 溶媒 〇 〇 プリューム分析からエンセラダスは内部海に生命が誕生しう る溶媒と有機物の存在が予測できる,非平衡な化学勾配があれば 生命の条件をみたす

8 ミッション定義 エンセラダス内部海に非平衡な化学勾配があるかを調べる 内部海の物質循環を明らかにする 酸化 還元,pH勾配を明らかにする 温度分布から対流の有無を調べる

9 化学勾配の調査手段 エンセラダス内海のH2, CO2 濃度分布測定 H2 還元剤の勾配 CO2 微惑星由来と考えられているが,もし内海に存在 していれば分布から物質循環がわかる ph,温度の分布測定 ph 物質の化学反応速度,H2 を発生させている岩石 かんらん岩 の指標 8 10,火山活動の有無の指標 2 3 温度 物質の化学反応速度,内海の熱分布から対流の調査

10 ミッション概要 エンセラダスにオービター投入 全球の氷の厚さの調査 ( 着陸場所の選定 ) ランダーを氷表面に投下 アクセプターによる氷地殻の掘削 スイマーを内部海に放出 内部海の調査

11

12 先行研究 氷の掘削 ボストーク湖 ロシア湖面到達 3670m),ドリル エルスワース湖 イギリスが熱水掘削 燃料不足で中止 その他 日本 431m アメリカ 800m 熱水 エウロパ 氷を熱で溶かしながら進むロボットを使って掘削 海中の探査をする 将来計画 EJSM 宇宙の海中探査 タイタン表層海探査,TiME 火星探査が優先されたため実行されず EJSM 計画 エンセラダスの探査 カッシーニによるプリューム分析

13 システム要求 システム要求 ミッション要求 エンセラダスの内部海のH2濃度, CO2濃度,pH,温度分布を測定する エンセラダスの内部海の画像を取 得する エンセラダスの内部海にアクセス する 要求先 内部海の水面から海底 水深31km まで 異なる30 点以上の場所でH2濃度,CO2濃度,pH,温度を測定するこ スイマー と 上記と同じタイミングで画像を取得すること 5kmの氷の下へスイマーを送り込むこと アクセプ ター アクセプターの方向を鉛直下向きにする姿勢でエンセ ラダス表面に着陸すること ランダー アクセプターを氷に向けて誘導すること 氷の厚さを測定し 比較的薄い(5km以下)場所にラン オービ ター ダーを投下すること スイマー アクセプター ランダー オービター 地 全体 球の地上システムで通信できること ミッション定義に直接関係するスイマーとアクセプターに 関する項目について詳細検討

14 システム仕様(スイマー) システム要求(スイマー) 内部海の水面から海底 水深31km まで 異なる30点以上の場所でH2濃 度,CO2濃度,pH,温度を測定すること 上記と同じタイミングで画像を取得 すること スイマー アクセプターで通信できる こと システム仕様 スイマー H2濃度,CO2濃度,pH,温度を測定する機器を持つ 水中で画像を取得するためにカメラと光源を持ち 画像処理のための補助データとして角速度と加速度 を測定する機器を持つ 自身がいる水深を知るためのデータとして圧力(水 圧)を測定する機器を持つ 内部海を自重で沈んでいく(スイマーの密度を水の密 度よりも大きくする)ことで海底(31km)まで移動する 10秒毎に各種データを取得する 取得したデータを音波を使ってアクセプターに送信 する

15 システム仕様(アクセプター) システム要求(アクセプター) 5kmの氷の下へスイマーを送り込む こと スイマー アクセプター ランダー で通信できること システム仕様 アクセプター 熱を利用して氷を溶かし 自重を利用して氷の中を 鉛直方向に5km以上進むことができる スイマーを自身の中に保管し 内部海に到達した際 にスイマーを放出する 内部海に到達したことを検知するために 氷を貫通 したことを検知する スイマーからの音波によるデータを受信する ランダーからのコマンド受信 取得したデータのラ ンダーへの送信に電波通信(氷を通過する178MHz)を 使用する

16 トレードオフ(スイマー) 項目 重量 有線 無線 (バッテリー不要) (自律エネルギー源が必要) 通信 ケーブル 外乱 (高速 安定) (低速 不安定) (30 km以上必要) (不要) (ケーブルの抗力)

17 トレードオフ(アクセプター) 項目 地球での実績 ドリル 3768 m (ボストーク 湖) 熱 800m(ウィランズ湖) ただし熱水ジェッ ト 再氷結防止 削りクズの除 去 メンテナンス 反作用 (必要) (必要) (不要) (不要) エネルギー源 氷上に固定 ケーブル (交換が必要) (不要) (氷上への固定が必要) (反作用なし) 掘削機に付属 氷の厚さ以上の長さが必要

18 スイマー搭載センサ 測定範囲 測定精度 H2濃度 溶存水素濃度 0-2 mg/l 計 CO2濃度 溶存二酸化炭 素濃度計 µatm 3 µatm ph 半導体pH計 0-14 ph 0.01 ph 温度 白金温度計 K 圧力 半導体水圧計 MPa 画像 水中カメラ 650 TVL 光源 角速度 ジャイロ 加速度 加速度計 ±490 deg/s ±10 G 合計 0.01 % 作動温度 質量 電力 0-50 degc 1 kg 7W 0-40 degc 5.8 kg 4.5 W degc 307 g 0.26 W degc 250 g 260 W 350 g 3W 約 8 kg 約 270 W degc

19 スイマー

20 アクセプター

21 探査プラン Event Years Days Launch 0 0 Reach Saturn s orbit 12 (Sekine et, al.) 0 Reach Enceladus s orbit 17 (Sekine et, al.) 0 Landing on Enceladus 18 0 Drilling start (Electric power by RTG) Drilling complete Sink start 19 0 Reach Enceladus s sea bottom 19 1

22 サクセスクライテリア ミニマムサクセス 内部海への到達 内部海表面のデータ取得 フルサクセス エンセラダス内部海の表層から海底までの30点のデータ取得 エクストラサクセス チムニーの撮像 運次第 海底着地後 バッテリー残量23時間程度海底のデータ取得 地殻の解析の一助となる

23 まとめ 生命が存在する惑星の探査 をテーマとして エンセラダス内部海に非平衡な化学勾配があることを調査するミッションを定義した 化学勾配の調査手段として エンセラダス内部海の H2,CO2,pH, 温度の分布を調査することとし ミッション要求を作成した ミッション要求からシステム要求を作成し スイマーとアクセプターに関してシステム仕様への落とし込みを行った スイマーとアクセプターに関して一部システム設計を実施した

24 角速度, 加速度測定器

25 圧力測定器

26 溶存水素濃度計

27 カメラ & 光源

28 参考文献 2003,,開発中の原子炉および研究炉等, l.php?title_no= ,2017/8/24参照 Karla Clark(2009),Jupiter Europa Orbiter Mission Study 2008: Final Report EllenStofan, Titan Mare Explorer (TiME): First Exploration of an Extraterrestrial Sea n_time_.pdf 2017/8/24参照

29 参考文献 関根康人 2012 土星衛星エンセラダスのプリューム 物質の 化学 生命探査,日本惑星科学会誌 Vol ,南極氷底湖に到達したロシアの掘削 環境汚 染に懸念 2017/8/24参照 Michaelray taylor(2012),cryobots COULD DRILL IN TO ICY MOONS WITH REMOTE FIBEROPTIC LASER POWER, Peter West 2014, 800 meters beneath Antarctic ice sheet, subglacial lake holds viable microbial ecosystems, n_id=132267&org=nsf&from=news 2017/8/24参照

30 参考文献 Yasuhito Sekine et al (2015),High-temperature water rock interactions and hydrothermal environments in the chondrite-like core of Enceladus, Nature Communications 6

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