宇宙ゴミは日々増加しています。どう対処したらいいでしょうか？ （優れた）

宇宙ゴミのコンピューター生成画像

神舟19号の乗組員は2024年10月30日に宇宙ステーションに入った。今回の旅での重要な任務の一つは、船外活動を通じて船室の外側に宇宙ステーションのデブリ保護装置を設置し続けることである。以前、神舟18号の乗組員は宇宙ステーションの客室の外に宇宙ゴミ保護装置を設置していた。

宇宙ゴミとも呼ばれるスペースデブリは、地球の軌道上を周回するさまざまな人工物の破片を指します。宇宙ゴミの増加の問題は現在も悪化しており、今後さらに深刻化するでしょう。

宇宙ゴミが増えれば増えるほど、それらが互いに衝突してさらに多くの破片が形成され、ドミノ倒し効果さえも起こる可能性が高くなります。そのため、宇宙飛行士の生命を脅かすなど、軌道上の宇宙船に対する脅威が増大しています。

01宇宙ゴミの起源

航空宇宙技術の普及に伴い、宇宙船の打ち上げ回数が増加し、それに応じて宇宙ゴミの量も増加しています。たとえば、2024年10月19日、国際通信衛星33Eが静止軌道上で予期せず分解し、静止軌道領域に少なくとも500個の破片が追加されました。

統計によると、現在地球の周りを周回している宇宙ゴミは少なくとも3,000トンあり、その量は年間2%から5%の割合で増加している。主に次の 3 つの部分から製造されます。

最初の部分は、退役した各種人工衛星などの人工物、および人工物同士の衝突や自然天体と人工物との衝突によって生成された破片から生じます。

2 番目の部分は、打ち上げロケットの上段から来ます。

3 番目の部分は、宇宙飛行士が宇宙活動中に生成して宇宙に投げ捨てたゴミや、宇宙遊泳中に誤って宇宙に残された物品 (ナットや工具など) から発生します。

その中で、人工物同士の衝突によって発生する破壊力は衝突の角度とも関係があります。たとえば、2009 年 2 月 10 日、ロシアの衛星 2251 がアメリカのイリジウム 33 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 2,201 個の宇宙ゴミが発生しました。

米国とロシアの衛星が衝突する軌道交差の模式図

宇宙ゴミは、その大きさに応じて、国際的に一般的に次の 3 つのカテゴリに分類されます。

① 大きな破片は大きさが10cm以上で、現在監視可能な破片は数万個あります。 ②小破片は大きさが1～10cmで、現在10万個以上ある。 ③ 微小な破片の大きさは1mm～1cmで、現在数十万個存在しています。おそらく、大きさが 1 mm 以下の破片が数億個あると考えられます。

空間分布の観点から見ると、中低軌道を周回する宇宙船や大型デブリの密度は平均して1立方キロメートルあたり約10個です。宇宙ゴミは速度が極めて速く、破壊力は速度の二乗に比例するため、わずか10グラムの宇宙ゴミの衝突エネルギーは、時速100キロメートルで走行する自動車の衝突エネルギーに匹敵し、それが引き起こす事象は「低確率、高リスク」の事象となります。

低軌道上の宇宙ゴミは大気の抵抗の影響で徐々に落下し、大気圏に戻って燃え尽きます。宇宙ゴミが高い軌道上にある場合、長期間そこに留まります。一般的に、地球から 300 キロメートル上空の宇宙物体の寿命は約 1 年ですが、600 キロメートル上空の物体は数十年、1,000 キロメートル上空の物体は数百年、4,000 キロメートル上空の物体は数千年にわたって飛行することができます。それより高い位置にある破片は、ほとんどの場合、宇宙空間にあることになります。

0 2 宇宙ゴミは非常に有害である

宇宙ゴミが宇宙船の正常な動作に与える影響は、主に宇宙船の軌道上時間、保護領域、軌道高度、軌道傾斜角などの要因によって決まりますが、その中でも最初の 3 つの要因が最も重要です。

低軌道の宇宙デブリの飛行速度は秒速約7.9キロメートル。それが宇宙船の表面に衝突すれば、少なくともへこみが残り、宇宙船を貫通して一部のシステム機能が停止し、さらには船外活動中の宇宙飛行士に危険が及ぶなど、壊滅的な結果をもたらす可能性がある。

非常に小さな宇宙デブリは数が多いため、宇宙船の表面性能に変化をもたらす可能性があります。わずかに大きい宇宙デブリは宇宙船の表面材料を損傷し、衝突クレーターを引き起こし、表面の装置を損傷する可能性があります。大型の宇宙ゴミが宇宙船に衝突すると、宇宙船の姿勢が変化し、さらには宇宙船の軌道が変化する可能性があります。超高速で衝突する宇宙ゴミは、それ自体と衝突した宇宙船の表面材料を蒸発させ、プラズマ雲に巻き込み、宇宙船の故障を引き起こす可能性がある。宇宙デブリのエネルギーが十分に大きい場合、宇宙船の表面を貫通し、宇宙船内の制御システムやペイロードを損傷し、宇宙船を爆発させたり、構造全体を破壊したりする可能性があります。

さらに、宇宙ゴミが大気圏に再突入した際に、完全に燃焼しなかった場合は、地上の生命や財産の安全に重大な脅威をもたらし、特に原子力宇宙船が落下した場合、その結果は特に深刻です。

例えば、1970年代から1980年代にかけて、ソ連の原子力衛星が制御を失いカナダに墜落し、大きなパニックを引き起こしました。米国のスカイラブ宇宙ステーションも制御を失って墜落し、地上の住民の家屋に被害を与えた。宇宙ゴミが多すぎると宇宙天文観測に重大な影響を及ぼす可能性があり、またゴミが宇宙望遠鏡に衝突すると望遠鏡が損傷する恐れもあります。

スペースシャトルの窓に宇宙ゴミが衝突

砂粒大の宇宙ゴミの衝撃は時速160キロメートルで飛ぶボウリングの球の衝撃と同等であるため、直径数ミリメートル未満の小さな宇宙ゴミでも運用中の宇宙船に損傷を与える可能性があります。この損傷は 2 つのカテゴリに分けられます。1 つ目は宇宙船のサブシステムの表面への損傷であり、2 つ目は宇宙船の運用への影響です。例えば、米国のスペースシャトルの窓は宇宙ゴミに衝突されたことがある。

宇宙ゴミが国際宇宙ステーションに深刻な被害を与えた。例えば、2016 年には、直径数ミクロンの金属破片が国際宇宙ステーションの舷窓に直径 7 mm の衝突クレーターを残しました。 2021年、監視下になかった破片が国際宇宙ステーションのカナダアーム2に衝突し、保護層が破れ、直径約10mmの穴が開いた。 2022年、国際宇宙ステーションにドッキングしていたロシアのソユーズ宇宙船の船体に0.8ミリの小さな穴が開き、44キロの冷却剤が漏れた。

このため、国際宇宙ステーションには現在、衝突回避プログラムが搭載されています。このプログラムは、宇宙物体が宇宙ステーションに接近し衝突の可能性があることを関連機器が検知すると、宇宙ステーションにエンジンを始動させて軌道を変更し衝突を回避するよう指示します。国際宇宙ステーションが軌道を調整する時間がない場合、安全上の理由から、宇宙飛行士はいつでも脱出できるように宇宙船の中に隠れなければなりません。

有人宇宙飛行は生死に関わる問題です。宇宙ステーションの宇宙飛行士の安全を確保するため、我が国も相応の措置を講じてきました。中国有人宇宙計画の林希強報道官は10月29日に行われた神舟19号の記者会見で、宇宙ゴミが宇宙ステーションに衝突して漏洩するなどの脅威に対応するため、緊急対応計画を常に最適化していると述べた。宇宙ステーションの運用初期と比較すると、宇宙飛行士による緊急対応に使える時間は5倍に増え、宇宙ステーションと宇宙飛行士の安全性は大幅に向上しました。

0 3 古い宇宙船の扱い方

人工衛星、宇宙ステーション、その他の宇宙船は、寿命が尽きたり、早期に故障したりすると、宇宙ゴミになります。軌道上で正常に動作している他の宇宙船に影響を及ぼす可能性があるため、古い宇宙船を適切に処分することが重要です。

廃棄された宇宙船は制御可能なものと制御不可能なものの 2 つのカテゴリに分けられるため、具体的な状況に応じて廃棄された宇宙船を処理する方法は多数あります。制御可能な廃棄宇宙船を扱う場合でも、軌道の高さ、宇宙船のサイズなどに基づいて異なる方法を使用する必要があります。

静止軌道上の衛星が故障したり寿命を迎えたりすると、通常は衛星のエンジンを遠隔操作して、衛星をより高くて役に立たない軌道に飛ばすことで軌道変更されます。その理由の 1 つは、静止軌道は非常に貴重であり、現在過密状態にあるため、古くなった通信衛星を空ける必要があるためです。 2つ目の目的は、古くなった静止軌道衛星は宇宙ゴミとなっているため、他の静止軌道衛星に危害を与えないよう安全な場所に保管する必要があることです。

中軌道上の放棄された大型衛星についても同様です。しかし、放棄された衛星の軌道変更を遠隔操作するためには、衛星が制御可能であり、余剰燃料があることが前提条件となる。

米宇宙探査技術公社は、同社の低軌道スターリンク衛星はすべて電気推進システムを搭載しており、寿命が切れた後に軌道を積極的に下げてより早く大気圏に再突入することができ、25年以内に大気圏に再突入するという規制を満たしていると主張している。しかし、2019年9月2日、欧州宇宙機関のアイオロス衛星は、スターリンク衛星との衝突を回避するために危険な障害物回避操作を実行しました。

低軌道で運用されている小型宇宙船が廃棄される場合、残留大気の影響で軌道を下げ続け、最終的には大気圏に突入して燃え尽きてしまうため、通常は無視されます。

低軌道で運用されている大型宇宙船が廃棄される場合、大気圏に再突入する際に完全に燃え尽きることは容易ではないため、地上からの遠隔操作で無人地帯に墜落させるのが最善の対処法となる。例えば、世界一重い衛星である米国のコンプトンガンマ線望遠鏡（17トン）と、数百トンの重さがあるロシアのミール宇宙ステーションは、どちらも寿命が尽きた後、手動で制御され、南太平洋の「宇宙船の墓場」として知られる場所に墜落した。我が国の天舟シリーズ、ロシアのプログレスシリーズなどの貨物宇宙船も、任務を終えた後は同様に扱われます。

2024年11月17日北京時間21時25分、天舟7号貨物宇宙船は制御された状態で大気圏に再突入した。宇宙船の部品のほとんどは大気圏への再突入時に焼失・破壊され、少量の破片が南太平洋の指定された安全海域に落下した。

現時点では、低軌道で飛行中の大型宇宙船が制御不能に陥ったという成功例はない。いくつかのオプションがあります:

一つは、スペースシャトルに似た大型の地球から宇宙への輸送機を使って軌道上で回収するというものですが、コストが高すぎるため現在ではほとんど使われておらず、スペースシャトルは退役しています。 2 番目の選択肢は、対衛星兵器を使用して大型宇宙船を破壊し、大気圏に再突入したときに燃え尽きるようにすることです。しかし、この選択肢は、宇宙船が破壊された後に大気圏に再突入しない場合、大量の宇宙ゴミが容易に発生するため、非常に物議を醸しています。 3つ目は、精密な追跡によって大型宇宙船の墜落現場を特定し、関係者を事前に避難させることです。

著者: パン・ジーハオ

国立宇宙探査の主任科学コミュニケーション専門家

編集者: 董暁賢

レビュアー: Liu Kun と Li Peiyuan