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maruto!の日記: ぼくらの月面ローバー

日記 by maruto!

もしあなたがロボット技術者で、ある日突然営業が「月面を這い回る探査ローバー」の発注を受けたとする。あなたならどんなローバーを開発するだろうか?

たとえばこんな条件をつけてみるとして。

質量 10kg以内
動作寿命 一ヶ月以上。
動力は太陽電池(数十W程度)およびバッテリー。
リアルタイムで動画を送れる低解像度の3Dカメラと、高解像度のHDカメラを搭載。
月面の状況をリアルタイムで地球に送信できる高速デジタル無線システム。
オプションで、土中に含まれる水分を検出する装置を搭載可能。

まずは月面における環境条件を書き出してみる。

・限りなく真空+紫外線がたっぷりの直射日光
・昼間14日、夜14日
・昼間は150℃。夜は-150℃。温度差300℃!
・宇宙放射線が直接降り注ぐ、電子機器にとっては劣悪な環境
・月の砂(レゴリス)はきわめて粒子が細かい上、帯電しやすく、また磁石にもくっつくので、いろいろな場所に張り付きやすい。

さて、まずは内蔵する機器について考えよう。Google Luner X PRIZEのサイトによれば目的は500m以上動き回って動画を地球に送信する事。火星の場合は地球から遥かに遠いためローバーには自律性が求められてきたが、月は火星よりも遥かに地球に近い為、月ローバーは火星ローバ−ほどの自律性は求められてはおらず、地球側からの操縦だけで目的は達成できそうだ。ただ、電波の速度の関係で、地球〜月〜地球までは合計3秒のタイムラグがあるので、ラジコンのような操縦感覚というわけにはいかない。ならば地球から簡単なコマンド列を送信し、ローバーにその順序通りに実行してもらうのはどうか。実行完了、もしくは何らかの障害にぶつかったときは停止してオペレータの入力を待つようにすればいい。これなら内蔵CPUはPICマイコンのような組み込み系の簡単なプロセッサでいい。消費電力も小さく、集積度も大きくないから放射線にも強いはずだ。逆に、カメラ画像をエンコードして地球に向けて送信する部分は速度が求められる上に集積度も高いので、対放射線シールドと放熱処理をきちんとせねばならないだろう。あと、カメラであるが、大気による散乱光のない月面は日向と日陰のコントラストの差が激しいので、ダイナミックレンジの極めて広い撮像素子が必要となるだろう。

次に移動手段について考えよう。重力が小さく、また大気による風化のない月面はかなり荒々しい場所である。表面はレゴリスと呼ばれるちりで覆われ、起伏はかなり激しく、特にクレーターの淵などはかなり切り立った斜面となる。大きさ10cm〜20cmほどの石もゴロゴロしている。

現在すべての火星ローバーで使用されているのはまるでモビールのようなrocker-bogieと呼ばれるサスペンションである。これは自らの車輪よりも大きな岩や段差を乗り越えられるという特徴がある。だが、移動手段はなにもrocker-bogieばかりとは限らない。JAXAは、中央大学・明治大学と共同で、5輪駆動のローバーを開発中で、“かぐや”に続く新たな月探査器SELENE-2への搭載が検討されている。ローバーの場合、モーターが高価なパーツの代表的存在となるので、モーターの数が少ない方が望ましい。そうなると究極となるのが、セグウェイのような二輪車であるが、凸凹や急斜面にどこまで耐えられるかがちょっと疑問。また車輪以外の移動手段もあるわけでクローラー型(いわゆるキャタピラ)とか多足歩行型のローバーもあってもいい。これらのローバーは主に傾斜地に置いて車輪型以上の働きをするはずだ。

とりあえず、我が空想のローバーは開発費を下げるため、今や枯れた技術と言えるrocker-bogieを使った方がいいかもしれない。次点はクローラー型で、レスキューロボットとして開発されているのが参考になるだろう。

さて次はボーナスポイントの一つ水の氷の発見である。学説によると月の極の部分のクレーターの淵に一年中太陽光があたらない場所があり、そこに永久氷があるかもしれない、…という。ならばまずは間接的手段で氷を探してみよう。極地にやってきたローバーはそれらしきクレーターを探し出すとまず淵の部分を分光カメラで撮影する。氷を含んでいれば近赤外域に吸収スペクトルが現れるはずだ。次にクレーターの淵の周囲を回りながら宇宙放射線との干渉により地下から飛びだしてくる中性子とガンマ線の量を計る。もし周辺よりも中性子が少なく、ガンマ線が多ければそこには水のある可能性が極めて高い事を示している。

これらセンサーによって氷の場所を特定したらいよいよボーリングにより直接氷を掘り出すプロセスに移行する。ローバーに搭載可能な小型の機械で深い穴を掘らせるものとして、先端のドリルと収縮運動によって地下を掘り進むもぐら型月面掘削ロボットが考えられている。

最後はこれもボーナスポイントの一つ「月の夜を耐えきる」である。……実際のところかなり厳しい条件である。温度が一気に300℃も降下し、それが14日も続くのだ。これはローバーのあらゆる部位に多大なダメージをもたらす。JAXAの月面ローバー構想も月の夜の事は考えておらず、太陽が沈んだ時点で探査は終了する。原子力電池でもあればローバー内蔵のヒーターで各部を暖めるのだが、民間が扱うには敷居が高過ぎる。仕方がないので内蔵バッテリーを使い、電解液が凍らないようにしつつ、最低限必要な場所を暖めるしかない。

と、ここまで月面ローバーについていろいろ妄想をぶつけてみた。現実にはどんなローバーが登場するのだろうかと期待しつつ終わりとしたい。

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一つのことを行い、またそれをうまくやるプログラムを書け -- Malcolm Douglas McIlroy

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