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閉じる火星の過酷な環境に耐える強化技術
2021年2月18日、史上最も高度な惑星探査機「Perseverance」が火星に着陸しました。時速1万1900マイル（約2万km/時）で火星の薄い大気圏に突入し、岩石で覆われた地表への着陸することに成功したのです。同機のミッションは、火星に微生物が存在していたことを示す痕跡を探索するというものです。
Perseveranceは、深宇宙の強いエネルギー放射や、高温と低温を繰り返す過酷な熱サイクルなどの事象にさらされます。そのような環境に耐えつつ、掘削した9つのコア・サンプルを採取／保管し、想像の範疇にしかない可能性について検証するための実験を行います。同機の重量はわずか2300ポンド弱（約1t）ですが、そうした過酷な状況に対応するための強化技術が適用されています。同機は、太陽系の神秘を解明したいと考える人類に対し、将来に向けた道すじを示します。
火星の歴史に対する理解を深めることは、地球を含むすべての岩石惑星について、より詳細に理解することにつながります。ただ、機械や人間を宇宙に送って実験を行うには、地球上の技術の限界を新たな高みまで押し上げなければなりません。アナログ・デバイセズは、40年以上にわたって革新的な力を駆使し、宇宙という最も過酷な環境でも動作し続けるコンポーネントやシステムを生み出してきました。それらは、NASA/JPL（アメリカ航空宇宙局のジェット推進研究所）との連携によって開発されたものです。そうしたコンポーネントやシステムは、打ち上げ時の極めて大きな重力加速度に耐えられるものでなければなりません。それだけでなく、非常に厳しい多様な品質基準を満たす必要があります。Perseveranceは、NASA/JPLとの技術的な連携を深めたことによって得られた成果です。そのミッションは、宇宙探査に関するマイルストーンとして位置づけることができます。
NASA/JPLの概要
事業内容
NASA/JPLは米国が運営する研究機関。米国初の地球周回科学衛星の開発、惑星間航行に初めて成功した宇宙探査機の開発、あらゆる惑星の調査に用いる探査ロボットの打ち上げなどによって、宇宙時代の開拓を支援している。
目的
火星に生命が存在したことを示す痕跡、水分の存在、人類の移住の可能性について調査するために、技術の限界を押し上げる。開発した技術は、人類にメリットをもたらす民間宇宙事業に移管する。
課題
宇宙の過酷な条件下で、惑星とその衛星、小惑星などをロボットで探査できるようにするために、最も難易度の高い技術的な問題を解消する。
アプリケーション
アナログ・デバイセズのパワー・マネージメント・デバイス、絶縁技術、センサー、放射線に対する耐性が強化されたコンポーネントを宇宙探査用の計器／機構に適用する。
Perseveranceが上げた実績
- 火星に滞在した日数：708火星日（ソル）／728地球日*
- 採取した岩石のサンプル数：14*
- 採取した大気のサンプル数：1*
- 撮影した画像（未処理）の枚数：40万4741枚（うち2枚はセルフィー） *
- 総走行距離：12.85km（7.98マイル）**
*2023年2月14日時点
**2022年8月31日時点
Perseveranceによる古代生命の痕跡の探索
現在の火星は、ほぼ大気のない極寒の砂漠です。しかし35億年前、「Jezero」と呼ばれるクレーターには水があり、微生物が生息していたと研究者らは考えています。そして、クレーターの堆積物には、古代微生物の存在の痕跡となる化学物質、鉱物、組織が残留していると言われています。火星探査ローバー（6輪ロボット）であるPerseveranceのミッションは、それらの痕跡を探索することでした。同ローバーは、水の作用を受けた火成岩（火山岩）から成るJezeroを1年かけて探査しました。火成岩は時間の経過に伴う変化を表す優れた証拠になります。火成岩に含まれる結晶には、それが形成された貴重な瞬間における詳細な記録が刻まれているからです。それについて調べることで、クレーターであるJezeroの地質的な歴史を詳細に把握することが可能になります。
Perseveranceは最初の科学活動として岩石のコア・サンプルを8つ採取しました。その際には、31火星日（ソル）の滞在日数、約3マイル（約5km）の走行距離という記録を樹立しました。その後、同ローバーは、Jezeroの西端にある干上がった河川へと移動しました。初期の火星に有機生命体が生息していたとすれば、粒の細かい堆積岩でできた盆地状の河川デルタは、その痕跡を保存している可能性のある理想的な地質環境だと考えられます。
興味深い手がかり
Perseveranceは、注目に値する泥岩から2つのサンプルを採取することに成功しました。センサーによって得たデータは、有機化合物とリング状分子（芳香族）の存在を示唆していました。研究者らは、それらが非生物学的なプロセスによって形成されたものであると、ほぼ確信していました。タンパク質やアミノ酸といったより複雑な有機分子が発見されれば、生命が存在したことを示すより有力な証拠になります。しかし、その有無については、サンプルを地球に持ち帰って分析を行わなければ判断することはできません。
Perseveranceによる火星探査の最初のミッションでは、岩石、堆積物、掘削したコア・サンプルを採取して試験管に封入し、それらを火星の表面に保管するということが行われます。それらのサンプルは、Mars Sample Return（MSR）という今後のミッションで回収される予定です。MSRでは、他の惑星の表面からロケットを打ち上げてサンプルを持ち帰るという初の試みが行われます。サンプルが地球に届くのは2033年の予定です。地球上では、非常に大きく複雑であるために火星には運べない高度な計測器を使用し、詳細な分析が実施されることになります。
アナログ・デバイセズのKristen Chongが、火星探査機（ローバー）「Perseverance」の着陸について、また同機によって謎が解明される可能性について語ります。
ミッションを支える電力
Perseveranceによる計測、通信、移動、科学的活動の動力源としては電力が使われます。長いバッテリ寿命と信頼性の高い電力供給は、11年間に及ぶミッションに必須の要素です。同機では、高い効率を得るために高電圧のバッテリ・バスから給電を行います。しかし、バスから直接出力される電圧は、同機の電子システムのうち99%にとっては高すぎます。そのため、降圧の処理が必要になります。ただ、それが効率的に行われなければ、膨大な量の電力が無駄に消費され、バッテリを頻繁に再充電しなければならなくなります。
電力に関する連携
NASA/JPLは、重要なパワー・マネージメント・ソリューションを提供する技術プロバイダとしてアナログ・デバイセズを選択しました。このアプリケーションでは、バッテリ・バスからの高い電圧を基に、Perseveranceの全コンポーネント（IC）の動作に必要な低い電圧を生成する必要があります。そのためのインターフェースとして機能するのは、高電圧に対応する同期整流方式／電流モードのコントローラです。このコントローラについては、放射線に対する耐性が強化されています。また、無駄になる電力を可能な限り抑えて最大限の変換効率が実現されます。電力損失が生じると熱が生成されます。そして、過剰な熱はコンポーネントの状態に悪影響を及ぼします。しかも火星は大気が薄いため、過剰な熱を取り除くのはより困難になります。
スマートフォンやタブレット端末において、この画像（ARを利用した3Dモデル）をタップすると、あらゆる方向からPerseveranceの外観を確認できます。
より大きなミッションに向けた最初の一歩
Perseveranceに関連するプロジェクト「Mars 2020」では、将来のミッションの準備として複数の実験が行われます。その中で最も野心的なものは、おそらく「MOXIE（Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment）」です。これは、火星の薄い大気から酸素を抽出する方法についてのテストを実施するというものです。言い換えると、火星の二酸化炭素から酸素を生成することができる可能性があるのか否かが検証されます。この実験に成功したら、MOXIEで扱う技術を更に発展させることになります。その技術は、火星に関する他のミッションに必須の要素になるはずです。すなわち、ロケットの燃料の供給手段や将来の開拓者／移住者に対する酸素の供給手段として使われるということです。Mars 2020では、Perseveranceに加えて「Ingenuity」も火星に送られました。Ingenuityは、太陽電池を搭載するドローン（ヘリコプタ）です。火星の大気は地球のわずか1/100のレベルですが、このような条件下で飛行の安定性が得られるか否かという試験に使用されます。またIngenuityは、最も良好な探査場所とPerseveranceの最も安全な走行ルートを偵察する役割も果たします。当初の計画では、Ingenuityは30火星日のテスト期間中に5回だけ飛行する予定でした。しかし、実際には既に33回***の飛行を実施しており、当初の運用予定期間を1年以上超えてもなお飛行能力を維持しています。これは、適用された強化技術の堅牢性を示す成果です。
***2022年9月24日時点
Jezeroで活動するIngenuity。Perseveranceによって火星まで運搬されました。
提供：NASA/JPLとカリフォルニア工科大学
Ingenuity：火星探査用のヘリコプタ
更新日：2023年2月16日
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＊ 出典：https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/#Five-Things
Perseveranceは2020年7月30日、ケープ・カナベラル空軍基地から打ち上げられました。その7ヵ月後、1億3000万マイル（約2億km）離れた火星に着陸しました。
Perseveranceの腹部に搭載されていたのがIngenuityです。Ingenuityの重量は4ポンド（約1.8kg）。太陽電池を搭載しており、自律飛行を実現します。2021年4月19日には、Ingenuityの火星における初の飛行実験が行われました。同機の2つのローターは、通常のヘリコプタの数倍にあたる約2400rpmの速度で逆方向に回転します。この小型ヘリコプタによって、地球の1/100という火星の薄い大気中で飛行できるだけの十分な揚力を生成しなければなりません。技術的な実証を目的とし、Ingenuityは垂直に離陸してホバリングした後に着陸しました。総飛行時間は39.1秒でした。
当初、Ingenuityの飛行実験は30火星日のテスト期間中に最大5回実施される予定でした。その動力飛行の条件は、最長飛行時間が3分、最長飛行距離が980フィート（約300m）というものでした。また、火星では夜間の気温が-90°C（-130°F）まで低下します。したがって、Ingenuityにはそれに耐えられるだけの能力が求められます。
2023年2月16日の時点で、Ingenuityは当初の予定の約9倍に相当する44回の飛行を終えています。また、当初の運用予定期間を1年以上超えても飛行能力を維持しています。これは、Ingenuityに適用された強化技術が火星上の過酷な環境に耐えられるものであることを証明しています。
ただ、Ingenuityについては新たな課題を解決すべく取り組みが続けられています。NASA/JPLでIngenuityチームを統括するTeddy Tzanetos氏は「飛行を成功させる確率を高めるためには、運用に関する柔軟性と飛行時の安全性を向上する必要があります。そのために、飛行に使用するソフトウェアのアップグレードを試みています」と述べています。Jezeroの河川デルタには、Perseveranceをその場で立ち往生させるおそれのある障害が至るところに存在します。例えば、切り立った岩崖や、急傾斜の斜面、突き出した巨礫などです。ソフトウェアのアップグレードを図ったIngenuityであれば、そのような場所におけるより過酷なミッションにも対応できるようになるはずです。
「Fortun Ridge」の画像。Ingenuityの27回目の飛行時に撮影されました。
提供：NASA/JPLとカリフォルニア工科大学
Ingenuityは2022年4月23日、Jezeroの河川デルタの近くにある稜線の調査を実施しました。同機のカメラは、火成（火山）が起源だと想定される岩石の露頭をはっきりと捉えました。この発見は、クレーターの歴史に関する情報を提供してくれるでしょう。
上記の実験により、Ingenuityは火星の薄い大気中でも適切に制御された動力飛行を実現できるということが証明されました。飛行中に取得されたデータは、次世代のヘリコプタに、火星の探査を上空から支援するための機能を追加することに役立てられます。Ingenuityを利用すれば、火星探査ローバーでは近づきにくい場所の調査や偵察を実現できます。今後行われるであろう火星のロボット探査、あるいは有人探査においても、Ingenuityは重要な役割を担えることが実証されました。
強化技術の歴史
Perseveranceは、アナログ・デバイセズ製のコンポーネントを63個搭載しています。 これらは火星におけるミッションで重要な役割を果たします。当社マーケティング・マネージャ兼アプリケーション・エンジニアのKristen Chongは「RF/マイクロ波に対応するコンポーネントから、オペアンプ、パワー・マネージメント・デバイス、データ変換用のデバイスまで、あらゆる処理を担う製品を提供しました。当社は引き続きNASA/JPLと連携し、宇宙を対象とする難易度の高い新たなプログラムに取り組んでいきます」と語ります。
アナログ・デバイセズは、1980年代の初頭からNASA/JPLと連携することにより、技術の限界を押し上げるための取り組みを続けています。それにより、重要なコンポーネント、カスタムのプログラム、強化技術などを開発してきました。宇宙分野のアプリケーションでは、すべてのコンポーネントが極端に大きい重力加速度、振動、温度の変動、放射線といった非常に過酷な環境にさらされます。
NASA/JPLは、2011年8月5日に宇宙探査機「Juno」を打ち上げました。同機は、深宇宙の過酷な環境の中を5年弱にわたって航行し、2016年7月4日に木星周回軌道に到達しました。同機のミッションは、巨大ガス惑星である木星やその他の惑星の誕生から現在に至るまでの過程を明らかにすることでした。「太陽系には、放射線が降り注ぐ非常に過酷な環境が存在します。その中でも、木星はおそらく最悪の部類に属します。木星の磁気圏は、そのヴァン・アレン帯においてかなりの放射線を捕捉します。その量は、地球をはじめとする太陽系内のどの惑星のヴァン・アレン帯と比べても、はるかに多くなります。したがって、Junoには放射線に対する耐性を極限まで強化したコンポーネントが必要でした。同探査機のミッションは、非常に果敢なものだと言えます」とChongは述べています。
Junoには、放射線に対する耐性が強化された温度センサー「AD590S」が使われました。宇宙探査機は、周回する惑星の陰を抜けて太陽光を直接浴びる位置に出た瞬間に、急激な温度変化に見舞われる可能性があります。太陽光を浴びている状態でも、太陽の方を向いている側とその反対側とでは、温度がかなり異なります。このような温度の変動は、宇宙探査機に実装されたICに多大な影響を及ぼすおそれがあります。ただ、その影響については予測が可能です。温度センサーからの情報を利用することにより、宇宙探査機上の温度の変化に応じた調整／補償を実現できるということです。
ミッションが始まってから約20年が経過しても、AD590Sによる温度データの収集は続きます。その優れた実績から、NASA/JPLはMars 2020のPerseveranceのミッションでもAD590Sを選択しました。
放射線がもたらす悪影響
各種の探査機は、地球の磁気圏によって保護された領域を超えて宇宙を航行します。その際、探査機は悪影響を及ぼす太陽からの放射線にさらされます。放射線は、ICにランダム・エラーを生じさせたり、その動作をリセットしたりすることがあります。場合によっては、コンポーネントを破壊してしまうこともあります。放射線は、次のような現象を引き起こします。
- シングルイベント効果（SEE：Single-event Effect）：単一のイオン／粒子がデバイスの特定の領域に入射し、様々な異常やエラーを引き起こします。
- トータル・ドーズ効果（TID：Total Ionizing Dose Effect）：コンポーネントの稼働期間を通してイオンが放射されることにより、長期的な蓄積効果が生じます。それにより、一部のコンポーネントに対する供給電流が増加するといった形でオフセット・シフトが発生する可能性があります。
- 変位損傷（DD：Displacement Damage）：中性子などの大きな粒子によって、シリコン・チップの結晶構造が破壊され、物理的な損傷が生じる可能性があります。
放射線の試験
2017年に、アナログ・デバイセズは高性能なパワー・マネージメント・システムで知られていたLinear Technologyを買収しました。それまでに、Linear Technologyの技術者らはテキサスA&M大学のサイクロトロン研究所などを訪れ、NASA/JPLからの協力も得て、宇宙市場に投入するコンポーネントの選定を進めていました。当時の技術者は、放射線を緩和するか、放射線に対する耐性を強化するように設計された様々なプロセスを採用していました。
アナログ・デバイセズのスタッフ・フィールド・アプリケーション・エンジニア（FAE）、John Guyは「ICが正しく機能せず、難易度の高い課題が発生すると、当社に対して支援の要請が寄せられました。当社は、放射線を定量化するプロセスの一環として、テキサス州のカレッジ・ステーションに人員を派遣しています。ある事例では、放射線の試験中に異常な動作が生じないかどうかを確認するために、そのコンポーネントを最初に設計した技術者とFAEが派遣されました」と述べています。その際、設計者とFAEはNASA/JPLの技術者と連携し、課題の解決に取り組んでテストを実施しました。それにより、アプリケーション・レベルの問題なのかコアの設計上の問題なのかを見極め、放射線に対する耐性を強化した最終的な製品を開発しました。
品質管理、性能、動作寿命
アナログ・デバイセズは40年以上にわたってNASA/JPLと連携し、非常に過酷な宇宙環境に耐えられる強化技術を開発してきました。言うまでもなく、それらを適用したコンポーネントは宇宙環境でも問題なく動作します。それだけでなく、多くの場合、ミッションの要件として定められている期間よりも数年長く、あるいは数十年も長く動作し続けています。つまり、あらゆる期待を上回る成果を収めているということです。
当社が開発した製品、試験に対する厳格な姿勢、目標に掲げる高い品質は、NASA/JPLからの揺るぎない信頼を得ています。長きにわたる提携関係がその信頼を物語っています。また、そのことは、世代をまたいで宇宙でのミッションを支えてきた当社のオンサイト・サービスの有用性、深い専門知識、技術力の高さの証でもあります。
地球上で使われるアプリケーションでは、そこまでの要件が求められることは少ないでしょう。そうしたアプリケーションを対象とするお客様にとっても、宇宙分野における当社の実績は、当社のレベルと価値を具体的に証明するものになるはずです。当社の製品は、最も過酷な宇宙環境で数十年にわたって使用できるだけの品質を備えています。そのことを知っていただければ、当社の製品に対する信頼と信用は更に高まるはずです。製造工場であれ、電気自動車であれ、病院の手術室であれ、当社の製品ならば故障することなく機能するということを確信できるでしょう。
将来を見据えるパートナー
当社は、イノベーションの発生源でありたいという飽くなき向上心を抱いています。将来に目を向け、好奇心を忘れず、適応することを学び、従来の枠組みにとらわれずに考える姿勢を貫いています。これはNASA/JPLと同様です。当社は50年に及ぶ歴史を通じて1つのことを学びました。それは、新たな技術革新は業界に新たな道すじをもたらし、今日の私たちが夢にも思わない方法で世界を形作っていくということです。当社は、最も複雑で難易度の高い課題の解決に積極的に取り組みます。そのような課題を解決するのは有意義なことであり、それによって得られるインパクトは非常に大きいからです。当社は、そのようにして想像を超える可能性を目指すことをビジョンとして掲げています。
Perseveranceのミッションやそれに続く多くのミッションは、より壮大なプログラムのほんの一部にすぎません。NASAは火星探査の準備として、2024年までに再び宇宙飛行士を月面に着陸させ、2028年までに持続可能な形で人間を滞在させるという計画を立てています。アナログ・デバイセズは、その素晴らしい探査活動にも参加することを決意しています。
「私たちは月に着陸する。火星に着陸する。太陽系外の惑星の衛星に着陸する。彗星に着陸する。彗星から彗星へとつま先で飛び移り、数々の星へと向かう」Carl Sagan博士
天文学者、宇宙論研究者、作家、詩人、科学コミュニケータ