宇宙で「ゴミ捨て」？大丈夫！大丈夫！

2023年10月、連邦通信委員会は宇宙ゴミ事件で初めて罰金を科し、行き止まりの衛星を墓場軌道に移動させなかったという理由だけで、アメリカの企業に15万ドルの支払いを求めた。人類の宇宙活動の活発な発展に伴い、宇宙ゴミの安全問題がますます顕著になり、国際的な監視もますます厳しくなりましたが、同時に新たな宇宙市場の需要も生み出しました。この目的のために、各国の宇宙軍は宇宙デブリの除去と軽減のためのさまざまな方法を模索しています。

地球の周囲に密集した宇宙船と宇宙ゴミのレンダリング

宇宙ゴミの脅威は無視できない

この記事で言及されている宇宙ゴミとは、いわゆる「宇宙ゴミ」を指し、廃棄されたロケットの上段、衛星、およびそのさまざまな部品など、主に人類の宇宙活動から残された役に立たない人工物とその破片を指します。これらの宇宙ゴミは、宇宙船の廃止、事故、運動エネルギー迎撃兵器のテストなど、多くの人工的および非人工的な宇宙活動から発生する可能性があります。

1957年10月に最初の人工衛星の打ち上げが成功して以来、不完全な統計によると、地球の軌道上には1万トン近くの人工宇宙物体が蓄積されており、そのうち正常に機能する宇宙船は約5％に過ぎず、残りは一般的にさまざまな種類の宇宙ゴミです。監視によれば、大きさが 1 センチメートルを超える宇宙ゴミの数は数百万個に達し、より小さな宇宙ゴミの数は数十億個に達する可能性がある。

近年、宇宙ゴミの量が急増しています。これは、人間の宇宙活動の頻繁化に加え、宇宙ゴミと宇宙船の衝突が激化していることも原因です。宇宙打ち上げによって発生する軌道物体やデブリの数が年々増加するにつれ、デブリ衝突の可能性が高まり、さらにデブリが発生し、悪循環を引き起こします。

宇宙ゴミの脅威を描いた衝撃的な画像

1970年代には、NASAの科学者ドナルド・ケスラーが「ケスラー効果」という概念を提唱し、宇宙ゴミの量がある一定の臨界点に達すると、軌道上での衝突の連鎖を引き起こし、宇宙船が宇宙空間で安全に運航できなくなると主張した。

一般的に、軌道高度が 300 キロメートル未満の宇宙物体は大気圏に再突入し、比較的短期間で燃え尽きますが、軌道高度が 600 キロメートルを超える宇宙ゴミは、理論上は数十年、あるいは数百年も存在する可能性があります。これらは均等に分布しているわけではなく、主に衛星が密集している高度2,000キロメートル以下の低軌道、静止軌道、中軌道に集中しています。

1993年、米国、ロシア、日本を含む複数の宇宙機関が共同で、各国の宇宙軍の行動を調整し、宇宙デブリの問題を共同で解決することを目的とした機関間宇宙デブリ調整委員会の設立を開始しました。同委員会は2012年末、「低軌道環境の将来的な安定性」という報告書の中で、低軌道の一部の領域では宇宙ゴミの量が多すぎて安定しなくなり、衝突によって生成されるゴミの数が自然に消滅する破片の数を上回るだろうと指摘した。

大規模な低軌道商用衛星群の展開が加速しており、近い将来には数万機の衛星が軌道上に投入されることが予想されます。これらは通常、低軌道に配備されるため、管理の難易度が大幅に高まり、宇宙船の衝突のリスクが高まります。

スイス再保険会社の調査によると、断面積10平方メートルの衛星が直径1センチメートルを超える宇宙ゴミと衝突する確率は年間1万分の1以上だという。米軍の統合宇宙作戦センターは、平均して毎日数十件の軌道上衝突警告を発しており、宇宙船は毎年100回以上の衝突回避の試みを行う必要がある。

宇宙ゴミは秒速 7 km を超える速度で移動する可能性があり、その運動エネルギーは軌道上の宇宙船に大きな脅威を与えるのに十分です。現在の宇宙船の主流の保護レベルによれば、直径1cmを超える宇宙ゴミとの衝突は宇宙船に損傷を与える可能性がある。

1991年末、機能停止したロシアの衛星2機が衝突し、1機は2つに分裂し、もう1機は追跡不能な大量の破片となった。 1996 年 7 月 24 日、欧州宇宙機関 (ESA) のアリアン ロケットの破片が、相対速度 14.8 km/s で軌道を周回していたフランスのチェリー電子偵察衛星の重力勾配安定バーに衝突し、衛星の姿勢制御が不能になりました。 2009 年 2 月 10 日、ロシアの衛星コスモス 2251 号が米国のイリジウム 33 号衛星と相対速度 11.64 km/s で衝突し、監視およびカタログ化できる 2,200 個以上の宇宙ゴミが発生し、その地域にある他の 66 基のイリジウム衛星に大きな脅威を与えました。

欧州のSPOTシリーズの光学画像衛星は、宇宙ゴミによる「攻撃」を避けるため、少なくとも年に4回は軌道を変える必要があると報じられている。国際宇宙ステーションのような大型宇宙船は、より大きな宇宙ゴミを避けるために、毎年複数回の軌道操作を実行する必要があります。

国際社会は宇宙ゴミの除去と軽減にますます注目しています。 2021年6月、宇宙デブリ軽減ガイドラインの改訂版において、機関間宇宙デブリ調整委員会は、4つの宇宙デブリ軽減対策を提案しました。

まず、軌道上にある宇宙船による破片の発生を制限します。これが実現不可能な場合は、生成されるデブリの数、量、軌道上での滞在時間を最小限に抑える必要があります。原則として、軌道環境や他の宇宙船への長期的な影響が許容できるほど低いレベルであることが評価によって示されない限り、各国は宇宙デブリを生み出す可能性のある宇宙活動計画を実行すべきではない。

第二に、宇宙船の通常運用中およびミッション終了後も含め、軌道上での宇宙船の分解の可能性を最小限に抑え、意図的な破壊行為やその他の有害な活動を回避する。

第三に、寿命が尽きた宇宙船は軌道から外されるべきである。たとえば、静止軌道にある宇宙船は墓場軌道に移動する必要があります。低軌道にある宇宙船は大気圏に落下させる必要があります。

4番目に、軌道上での宇宙船の衝突を避けるようにします。

第五に、国連宇宙平和利用委員会は、宇宙デブリ低減ガイドラインに基づき、宇宙デブリ低減ガイドラインを策定しており、同ガイドラインでは、上記の勧告と概ね整合する7つのガイドラインを提示している。

ロケットのスペースデブリ軽減対策

一般的に言えば、打ち上げロケットの上段だけが地球の軌道上に残り、宇宙デブリになります。このエリアでの宇宙ゴミの発生を遅らせるために、航空宇宙ユニットは一連の対策を講じる必要があります。まず、ロケットの上段からペイロードを分離するプロセスで、宇宙ゴミの放出を可能な限り減らす必要があります。そして、ペイロードが分離された後、ロケットの上段は軌道上で分解して破片が発生するリスクを排除するために不活性化される必要がある。最後に、ロケットの上段は、軌道滞在時間を制御するために、可能な限り運用軌道から離れる必要があります。

ロケットの最終段がペイロードを放出するというミッションを完了した後、不動態化処理を行う必要があります。

いわゆる「パッシベーション」とは、ロケットの最終段階がミッションを完了した後に、残留燃料を放出し、高圧ガスを排出することを指します。ミッションの成功を確実にするために、宇宙打ち上げミッションが完了した後、ロケットの最終段には通常、数百キログラムの残留推進剤が残ります。スペースデブリの発生を低減するためには、衛星とロケットの分離後、タンク内の残留燃料と高圧ガスボンベ内の残留ガスを適時にロケット上段に排出する機能を設け、軌道上での分解の潜在的な危険性を排除する必要がある。

ロケットの最終段階がミッションを完了した後、不活性化プロセスでは主に、専用の排気パイプラインを通じて残りの推進剤を放出します。内部の加圧・供給システムには、燃料と酸化剤用の排出電気爆発弁と排出パイプのセットを追加し、タンク内の残留推進剤をロケット本体から排出できるようにする必要があります。排出計画がロケットの軌道への打ち上げペイロードに悪影響を与えないことを保証します。

さらに、ロケットの最終段が不活性化されるとき、推進剤の放出によって生成される煙場を分析して放出計画を最適化し、ロケットの姿勢への干渉を最小限に抑えるとともに、不活性化プロセスによって引き起こされる衛星やその他のペイロードへの干渉や「汚染」を回避する必要があります。

ロケットタンク内に残っている推進剤をできるだけ早く排出するためには、衛星（船）とロケットの分離後、排出時に推進剤が底に沈むような推進剤管理措置を講じる必要があります。具体的には、推進剤管理では、一般的に姿勢制御沈下エンジンを使用して慣性力場を形成し、推進剤が確実に底まで沈むようにします。残留燃料の排出時に発生する力を利用することで、ロケット最終段の軌道離脱効果も大幅に向上します。

いわゆる「軌道離脱」とは、定められた飛行ミッションを完了した後、ロケットの最終段によってペイロードの軌道を人工的に離脱させる方法を指します。この目的のために、機動飛行を実行します。ロケットの最終段が軌道上に留まる時間を制御する方法です。軌道離脱には、主にアクティブ軌道離脱とパッシブ軌道離脱の 2 種類があります。

アクティブデオービットとは、ミッションが完了した後、ロケットの上段が動力装置を使用して軌道操作を実行し、徐々に減速して軌道近地点高度を下げ、ペイロード軌道を離れるか、直接大気圏に再突入することを意味します。ここでのロケットの最終段動力装置には、液体燃料エンジン、姿勢制御エンジン、または固体ロケットが含まれます。

パッシブデオービットとは、ミッション完了後に外部の力を利用してロケットの最終段の軌道を下げるプロセスです。現在、主な技術的手段には、抗力増強装置、ソーラーセイル、軌道ケーブルなどがあります。ロケットには、複数の点火機能を備えたエンジンと対応するサポートシステムを搭載できます。衛星、ロケット（船）の分離後、エンジンが再度点火され、ロケットの最終段階の能動的な軌道離脱が実施されます。

最新の国際動向によれば、ロケット最終段の軌道離脱に対する基本的要件には、ロケット最終段の軌道離脱措置がロケットの確立された飛行ミッションの信頼性と安全性に影響を与えないこと、またはもたらされるリスクが評価後に許容できると判断されることなどが含まれる。ロケット最終段の軌道離脱効果は、国連宇宙デブリ作業部会がまとめた「宇宙デブリ軽減ガイドライン」に可能な限り沿うものでなければならない。同ガイドラインでは、「宇宙船は運用任務の完了後、25年以上軌道上に留まってはならない」と規定されている。いくつかの国や組織の新しい航空宇宙規制では、軌道上滞在時間指標の短縮が提案されています。ロケットの最終段階の軌道離脱プロセス中に、新たな宇宙ゴミが生成されないようにする必要があります。

衛星のスペースデブリ軽減対策

衛星やその他のペイロードが地球の軌道に入った後、宇宙デブリは主に次の 4 つの方法で生成されます。

1つは、軌道投入の過程で生成される宇宙ゴミです。一部の衛星は固体燃料の遠地点エンジンを使用し、遠地点で軌道変更操作を実行し、最終的に準同期軌道に入ります。その後、エンジンは衛星から分離し、宇宙ゴミの重要な発生源となる。

2つ目は、運用中に発生する運用上のスペースデブリです。衛星は、運用中に、電線接続部、アンテナ展開用のクランプ機構、アポジブースターエンジンの熱シールド、固体燃料スラスタのノズルカバー、ペイロードの保護カバー、爆発ボルト、スプリング、ストラップなどの廃棄物を廃棄します。

3つ目は、耐用年数の終了により発生する宇宙ゴミ、つまり耐用年数が経過した後に、軌道から離脱できずに大気圏に再突入したり、墓場軌道に入ったりする衛星です。

4つ目は、宇宙環境の影響により発生する宇宙ゴミです。宇宙では、さまざまな環境減衰要因が複雑に絡み合って、必然的に宇宙船に悪影響を及ぼします。例えば、表面の塗装が剥がれてしまうと、宇宙ゴミになってしまう可能性があります。

一般的に、低軌道の宇宙ゴミは時間の経過とともに太陽活動や大気の抵抗の影響を受けて、最終的には大気圏に再突入して燃え尽きると考えられていますが、高軌道の宇宙ゴミの場合はそうではない可能性があります。したがって、衛星やその他のペイロードからの宇宙ゴミの発生を遅らせたいのであれば、その発生源から始めるべきです。主な対策としては、パッシベーション、能動的な軌道離脱、能動的な除去などがあります。

不動態化処理とは、退役した衛星やその他のペイロードが将来爆発するのを防ぐために、推進剤やバッテリー電力を使い切るなどの対策を適時に講じることを指します。不完全な統計によると、軌道上の衛星やその他の宇宙船の約 550 件の既知の分解事故のうち、最も多くの宇宙ゴミが発生したのは、宇宙船の不活性化の失敗によるものでした。

能動的軌道離脱とは、スラスタ、気球、光帆などの手段を使用して、衛星やその他の宇宙船が作業軌道を離脱することを指します。その後、低軌道の衛星は大気圏に降ろされて燃え尽き、一方、静止軌道の衛星は墓場軌道に上げられ、軌道上の宇宙船が宇宙ゴミに衝突するのを防ぐか、少なくとも衝突のリスクを大幅に軽減します。

従来、パッシベーションと能動的な軌道離脱のどちらの対策でも、衛星やその他の宇宙船は、寿命の終わりに関連操作を実行できるように、対応するハードウェア対策を追加するか、より多くの推進剤を搭載する必要があります。しかし、さまざまな要因により、こうした対策を講じて国際基準を満たしている衛星の数は絶対多数ではありません。

実際、現在、衛星の設計では、衛星がミッションを完了した後に廃棄能力を確保し、運用中の宇宙ゴミの放出を減らすために、宇宙ゴミ軽減要件を考慮する必要があります。具体的な要件は主に3つの側面に分けられます。

衛星プログラムの実現可能性調査段階では、静止軌道衛星開発の初期段階で潜在的な宇宙デブリのリスクを確認し、残留推進剤の排出、バッテリーの不活性化、高圧ガスボンベ内のガス排出、ミッション終了時およびミッション完了後の宇宙デブリの処分の要件を満たす運用上の宇宙デブリ軽減設計を採用する必要があります。

設計段階では、衛星には、電力システムのバッテリーパック、制御システムのフライホイールシステム、および推進システムを含む、エネルギー貯蔵システムまたは単一の機械に対するパッシベーション設計要件が必要です。取り外し可能な放射冷却カバーを展開可能なカバーに変更するなど、運用時の宇宙デブリの発生を軽減するための要件を備えるべきである。推進剤と加圧ガスの残量を測定する手段を備えること。衛星の軌道近地点を200キロメートル上昇させるなど、軌道離脱制御に必要な燃料の予備を考慮する必要がある。これには毎秒11メートルの速度増加が必要となる。

衛星の設計材料に関しては、研究者は選択を最適化し、宇宙ゴミが発生する可能性が低い材料とプロセスを選択する必要があります。例えば、高圧ガスボンベや貯蔵タンクの製造には複合材料が使用され、放射線、衝撃、温度変化などの試験を通じて、宇宙デブリの大量発生を防止できる材料やプロセスが選択されます。

積極的な除去措置は様々

研究によると、地球軌道上にある記録された宇宙ゴミの約3分の1は、10の最大の宇宙崩壊事象によって生成されたものであることがわかっています。そのため、スペースデブリの発生を積極的に防止することを基本として、軌道上のスペースデブリの管理を行う必要がある。大型の宇宙ゴミを除去することができれば、宇宙環境は大幅に改善され、「連鎖衝突」の発生も効果的に抑制される。

不完全な統計によれば、静止軌道上では、退役した衛星の 10% 以上がその場所に留まっているか、軌道が十分に高く設定されていない。低軌道では、多くの衛星は退役後に軌道を変更する能力を持たず、積極的に軌道を離れることができません。海外の航空宇宙企業や研究機関は、宇宙船の運用の安全性を向上させるだけでなく、新たな商業航空宇宙市場の拡大も期待して、さまざまなサイズの宇宙デブリに対する積極的な除去方法と戦略を提案している。

米国の軌道サービスプロバイダーであるVivisatは、退役した衛星や「取り残された」衛星を別の軌道に再配置するための宇宙ロボットを打ち上げることを目指して、ミッション延長ビークル（MEV）のコンセプトを提案した。アメリカの企業テザー・アンリミテッドは、「小型衛星と宇宙デブリの捕獲と再スピン」（略してWRANGLER）と呼ばれるプログラムを立ち上げ、軌道上の宇宙船のより複雑な組み合わせを使用して、退役した多数の小型宇宙船を捕獲し、できるだけ早く大気圏に再突入させることを目指している。

海外で開発されたMEV宇宙ロボットは、退役した衛星を牽引して軌道を変えるように設計されている。

Tether UnlimitedによるWRANGLERスキームのコンセプトイメージ

アメリカの民間航空宇宙企業の多くが、さまざまな宇宙ゴミ除去計画を提案している。主な技術設備には、軌道タグプラン、高機動性宇宙船、太陽同期軌道の宇宙ベースの紫外線レーザー送信機などがあり、放棄された衛星を墓場軌道に送ったり、溶かしたりすることを期待しています。

ESAは2012年に早くも、制御不能となった欧州環境衛星を除去するという目標を設定し、ミッションの実証と技術開発を行うためにEUの航空宇宙企業を広く募集した。予備的な能動的な除去技術手段には、ロボットアーム、「触手」、飛行網、イオンビームなどが含まれます。

フライングネットを使って宇宙ゴミを回収する構想

2016年、エアバス・ディフェンス・アンド・スペースは、10の欧州パートナーと共同で「宇宙船自己除去技術」プロジェクトを実施し、費用対効果が高く信頼性の高い除去モジュールのプロトタイプに関する初期研究を実施し、宇宙船が故障したり、制御を失ったり、寿命を迎えたりした場合に自動的に軌道を離脱することを目指しました。

2018年6月、エアバスの子会社サリー・サテライト・テクノロジーズが開発した宇宙ゴミ除去ミッション試験衛星が国際宇宙ステーションから放出された。同年9月から2019年3月にかけて、飛網や「銛」を使って立方体衛星を捕獲する技術や、宇宙目標の運動を追跡する技術、軌道外帆で立方体衛星を牽引する技術などの軌道上検証に成功した。

衛星が退役した後は、軌道離脱セイルを使用して積極的に軌道離脱させることができます。

2020年12月1日、ESAはスイスの産業チームと8,600万ユーロ（約6億8,000万元）の契約を締結し、独自の「クリーン・スペース1」ミッションサービスの購入を決定した。このミッションは、宇宙ロボットを打ち上げ、2013年にベガロケットが宇宙に残した第2段ペイロードアダプターの上半分とランデブーし、これを捕獲した後、地球の大気圏に引きずり込んで燃え尽きさせるというものだ。その際、宇宙ロボットは人工知能を活用して自律的に目標を評価し、移動状態を合わせます。具体的な捕獲作業は、ESA の監視の下、ロボットアームによって実行されます。現在、このミッションは推進サブシステムの製造、衛星の組み立て、統合、テストの段階にあり、2025年に打ち上げられる予定です。

宇宙ゴミを捕獲する宇宙ロボットアームのコンセプトイメージ

日本の航空宇宙軍もこの分野で活躍しています。宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）と日東ネットワークスは、宇宙ゴミ（スペースデブリ）除去の技術試験を行うため、香川大学の超小型衛星に搭載する「宇宙電磁ネット」の開発に協力している。さらに、東京にある理化学研究所は、国際宇宙ステーションにファイバーレーザーを設置し、日本の実験モジュールにある日本宇宙観測所の超高輝度望遠鏡を使用して、直径1センチの宇宙ゴミを除去する計画を提案している。