宇宙ゴミの数は数十億個？神舟19号、宇宙ステーションの「金鐘カバー」設置へ出発

10月30日未明、蔡旭哲、宋玲東、王浩澤の3人は神舟19号有人宇宙船に乗って空から飛び立ち、正午には宇宙でのランデブーとドッキングを完了し、高度400キロの中国宇宙ステーションに入る予定。

この「龍馬コンビ」（蔡旭哲は龍、宋凌東と王浩沢は馬）は今回の旅で、宇宙ステーションに宇宙ゴミ対策装置を設置するという重要な任務を担っている。

「有人宇宙飛行は生死に関わる問題だ。」中国有人宇宙計画の林希強報道官は29日午前に行われた神舟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。

極端な場合には、宇宙飛行士は軌道上の宇宙船で早期に帰還したり、救助を行うために待機中の緊急宇宙船を打ち上げたりすることができます。

では、極端なケースとはどのようなケースでしょうか?

2013年に公開された映画「ゼロ・グラビティ」の冒頭には、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士2人がメンテナンス作業のために船室から外に出たところ、突然「デブリの雨」に遭遇するというストーリーがある。弾丸のように高速で飛来する衛星の破片は、宇宙ステーションとスペースシャトルを粉々に粉砕しただけでなく、宇宙空間にいた宇宙飛行士2名を危うく死に至らしめた。

宇宙ステーションに「金鐘の盾」を取り付け、宇宙ゴミによる突然の攻撃から守るという神舟19号の乗組員の任務が、まさに命がけの任務であることが、大画面から直感的に伝わってくる。

道路清掃員のいない高速道路

「低軌道とは、地球に比較的近い広い軌道と理解できます。宇宙ステーション、人工衛星、探査機、宇宙船など、人間が宇宙に打ち上げた物体のほとんどは、低軌道に集まっています。」

南京航空航天大学航天学院のウェン・シン教授は、高速道路で事故が起きればレッカー車が事故車両を牽引するが、低軌道の「高速道路」は60年以上も使われているのに、車線を通行止めにするレッカー車がないと例えている。

スペースデブリには、廃棄された宇宙船のブースター、退役した衛星（3,000基以上）、宇宙船のさまざまな部品（ドライバー、ナット、ボルトなど）、強い紫外線により宇宙船の外側から剥がれた塗料の破片など、さまざまな小さなゴミが含まれます。

「低軌道上のゴミの量は急速に増加している。」文鑫氏は潮報の記者に対し、地球の軌道上には10センチメートルを超える破片が約3万6000個、1〜10センチメートルの破片が数百万個、1センチメートル未満の破片が数億個あると語った。

破片の数は膨大で、追跡するには小さすぎるため、宇宙にどれだけのゴミが漂っているのか正確には誰も知りません。

米国際通信衛星会社（インテルサット）は10月21日、ボーイング社が自社向けに製造したインテルサット33e高軌道衛星が故障し、軌道上で分解したとの警告を発した。 57個の宇宙ゴミが追跡されており、他の衛星運用者にはゴミ雲の衝突の潜在的リスクに注意するよう注意喚起されている。

こういうことは珍しいことではありません。 1996年には、フランスのCERISE衛星が1970年代のアリアンロケットの残骸の破片に衝突し、衛星のメインアンテナが損傷し、衛星の正常な動作に直接影響を及ぼした。

2009年、宇宙探査史上初の軌道上衛星衝突が発生し、米国のイリジウム33号が放棄されたロシアのコスモス2251偵察衛星と衝突し、数千の破片が生成された。これらの破片は現在も軌道上にあり、宇宙最高速で移動しています。

2022年初頭、49863番の宇宙ゴミが我が国の清華科学衛星を「かすめ」通過し、最接近距離はわずか14.5メートルで、非常に興奮した。

マスク氏のスペースXが連邦通信委員会に提出した文書によると、ロシアは2021年に対衛星実験を実施し、1,500個以上の破片の雲を作り出したという。破片を避けるために、スターリンク衛星は1,700回もの回避行動を実行した。

宇宙ゴミが地球の周りを飛び回るには、時速2万8000キロメートル（秒速約7800メートル）に達する速度が必要ですが、銃から発射されるライフルの弾丸の速度はこの速度の約10分の1です。非常に高速で衝突する小さな破片でさえ、高速走行する自動車と同等の運動エネルギーを持ち、宇宙船の外殻を突き破ったり、太陽電池パネルやアンテナなどの重要なシステムに損傷を与えるのに十分です。

技術が進歩し、コストが下がるにつれて、宇宙への進出はより容易になり、衛星はより小型化しています。

ソ連のミール宇宙ステーションの太陽電池パネルが破片にぶつかってこのようになってしまいました。画像提供：中国科学院雲南天文台

データによれば、2012年以前には、人間が宇宙に打ち上げた宇宙船の数は年間200機を超えていませんでした。しかし、2020年にはこの数は1,200に急増し、2021年には約1,800になりました。

2021年、SpaceXのFalcon 9ロケットは、1回の打ち上げで143個の星を打ち上げ、新たな世界記録を樹立した。 SpaceX の Starlink インターネット衛星群は最大 42,000 基の衛星を打ち上げる計画で、現在 6,000 基以上が軌道上にいる。

科学者たちは、物体の数が倍になると衝突の可能性が4倍に増加すると推定している。

1978年、アメリカの科学者ドナルド・ケスラーは「ケスラー効果」を提唱した。低軌道上の物体の密度が一定レベルに達すると、破片同士の衝突によりさらに多くの破片が形成され、衝突がさらに増えるというものである。この悪循環により、最終的には低軌道が宇宙ゴミで完全に覆われることになる。

有人宇宙船と無人衛星はどちらも宇宙ゴミの脅威に直面しています。宇宙船は、この高速の破片との衝突を避けるために、年に数回、軌道調整を行わなければなりません。この調整は燃料を消費するだけでなく、宇宙ミッションの正常な動作にも影響を及ぼします。

破片を避けるのはそれほど簡単ではない

宇宙ゴミを避けたいなら、まずそれを見なければなりません。

2023年9月21日、「天宮教室」第4回授業で、宇宙ステーションの景海鵬さんは内モンゴルの学生からの宇宙ゴミに関する質問に答え、「私たちは宇宙ステーションの窓からよく見たり、望遠鏡を使って探したりしますが、今のところ宇宙ゴミの痕跡は見つかっていません」と話した。

しかし、見えないからといって存在しないということではありません。いくつかの破片は14等星または15等星のように暗く、識別するのが極めて困難です。等級が15まで下がると、明るさは肉眼で見える星の約1/1000になります。

林希強宇宙飛行士は昨日の記者会見で、宇宙ステーションの運用初期と比べて、宇宙飛行士が緊急対応に使える時間が5倍に増え、宇宙ステーションと宇宙飛行士の安全性が大幅に向上したことを明らかにした。

つまり、破片の警報時間は従来の5倍に伸び、冷静に対応できるようになったのです。これはどうやって行うのですか?

これは、2021年4月に中国が軌道に打ち上げた衛星、テスト6.03号につながります。これは、中国が完全に独立した知的財産権を持つ最初の宇宙ベースの宇宙環境検出システムを構築したことを示しています。

「実験6号衛星システムは、主に宇宙船の安全を守るための宇宙環境検知に使用されます。」実験6号の主任設計者で中国科学院マイクロ衛星イノベーション研究所副所長の胡海英氏は、「これらのターゲット破片は海の中の魚のようなものです。それらを『管理』する前に、まずそれらを見分け、それが何であるかを識別し、その動きを追跡し、その軌道を計算して予測する必要があります」と紹介した。文鑫氏は潮報の記者に対し、わが国のレーダー電子技術は近年大きく進歩し、実験6号を含む先進的な探知技術が適用され、中国は宇宙の最前線に「警備員」を備えていると語った。

「宇宙にある1～10センチほどのデブリをはっきりと見るのは、これまでは難しかったのですが、その破壊力は計り知れません。私たちは、風が強く雨が降る日に外出しないようにするのと同じように、宇宙デブリの多い場所に宇宙船を近づけないように最善を尽くしています。」温鑫氏は、予報精度が向上したため、宇宙ステーションと宇宙飛行士の安全性についてより確信を持てるようになったと述べた。

宇宙ステーションに脅威となる破片を発見したらどうすればいいでしょうか?景海鵬氏は「天宮教室」で、軌道操作を通じて積極的な回避措置を講じると述べた。

では、今回の神舟19号による「宇宙デブリ防護装置の設置」というミッションはどのように遂行されるのでしょうか？中国航天科技集団の専門家、李雪東氏によると、客室外にはケーブルなど重要な機器がいくつかあり、宇宙飛行士が保護板を設置して保護する必要があるという。

「中国の宇宙ステーションは安全を確保するために、主に3つの方法を講じてきました」と李雪東氏は紹介した。

手段の1つ：受動的な保護。小さな破片の衝撃から保護するために、キャビンの外側にいくつかの保護装置を設置します。このデバイスは起動前にインストールされました。しかし、今日の宇宙ゴミの状況は前例のないほど密集し、深刻であるため、神舟18号と神舟19号の乗組員は、客室外の設備を強化し、宇宙ステーションの安全性をさらに確保する予定です。

2番目の方法：積極的な回避。宇宙デブリを予測してカタログ化し、軌道計算を使用して、どの宇宙デブリが宇宙ステーションと衝突する危険性があるかを事前に検出し、宇宙ステーションが積極的に軌道を変更してデブリの飛来を回避できるようにします。

方法3：緊急対応。宇宙ステーションの密閉された客室が破片の衝突により実際に漏れてしまった場合、宇宙飛行士は漏れを素早く塞ぎ、密閉された客室内の空気が漏れ続けるのを防がなければなりません。これは宇宙飛行士の心理的資質と緊急対応能力に対する厳しいテストです。

「小さな破片は予測や観察が難しいため、通常は運搬が困難なアプローチをとっています。宇宙ステーションの表面には保護層があります。特に敏感で重要な機器は、別途強化して保護する必要があります。」国際宇宙連盟宇宙輸送委員会の楊雨光委員長は潮報の記者に対し、「一度衝突した場合、漏出速度が比較的遅ければ冷静に対処できるが、漏出速度が比較的速ければ緊急避難が絶対に必要だ」と語った。

破片を避けられないことが判明した場合、宇宙飛行士は非常に頑丈な宇宙船帰還カプセルに緊急に乗り込み、いつでも地球に帰還できる準備を整えることができます。近年、国際宇宙ステーションでも同様の現象が起こっています。

3月2日、北京航空航天飛行管制センターで撮影されたこの写真には、宇宙ステーション施設の外で作業する神舟17号の宇宙飛行士、唐紅波氏が写っている。画像提供：新華社

宇宙飛行士の船外活動の安全を確保するにはどうすればいいのでしょうか？ 「宇宙船を離れる前に、軌道上に隕石やその他の破片がないか確認します。軌道が重なっていることがわかったら、この期間中は宇宙船を離れません」と楊雨光氏は説明した。 「宇宙船の宇宙服がとても重いのがわかります。宇宙飛行士の命が危険にさらされないように、小さな破片の衝撃に耐えられるようにすでに設計されているのです。」

ゴミの清掃は人間の責任感を試す

「現在、長征2号Fの堯20号運搬ロケットと神舟20号有人宇宙船は酒泉発射センターの最終組立棟で待機している。必要があれば、すぐに打ち上げ状態に切り替えて宇宙ステーションの緊急救助任務を遂行し、宇宙飛行士の生命の安全を確保することができる。」林希強氏が29日の記者会見で紹介した。

ロケットや宇宙船はどのように待機しているのでしょうか?楊雨光氏は潮報の記者に対し、待機状態のときは組み立てて簡単なテストを行うだけでよく、信頼性と安全性を大幅に犠牲にすることなく打ち上げの準備を整えることができると語った。

「ロケットと宇宙船はどちらも非常に複雑な製品です。その信頼性と飛行の安全性は、十分なテストによって保証されなければなりません。しかし、テストには時間がかかります。テストの範囲、包括性、徹底性は飛行の安全性に影響し、矛盾を生み出します」と楊雨光氏は述べた。 「したがって、信頼性を損なうことなくテスト時間を可能な限り短縮し、宇宙飛行士を救助する時間を稼ぐために、テストプロセスを可能な限り最適化することしかできない。」

宇宙ゴミをいかに除去するかが緊急の課題となっている。多くの国が宇宙ゴミの問題に対処するための関連プロジェクトを立ち上げています。

欧州宇宙機関（ESA）は、宇宙ゴミの速度を宇宙の第一速度よりも遅くするClearSpaceプロジェクトを立ち上げた。その後、大気圏に落ちて、大気との摩擦により燃え尽きます。

英国サリー大学が主導するRemoveDEBRISプロジェクトは、2018年に「網と銛」を使ってゴミを清掃する実験を行った。多くのテストを通じて、「網と銛」は実行可能な清掃方法であることが証明された。

「調整メカニズムを強化し、各国は作業中の宇宙船の軌道の相互通知を強化すべきだと考えている。特に軌道変更後は、以前の軌道は無効になる。更新された軌道は、タイムリーに他の関係者と同期させる必要がある。これが責任あるアプローチだ」楊雨光氏は「また、無効な宇宙船や宇宙ゴミの軌道予測と監視を共同で強化する必要がある」と述べた。

楊雨光氏はまた、宇宙ゴミの除去は技術的に非常に複雑で費用もかかるが、直接的な利益は見込めないという重要な問題を提起した。

「誰がそれを実行し、誰が費用を負担するのか。これは現在、世界のすべての国が直面している共通の問題だ。これは我々の技術力と財源を試すだけでなく、全人類の責任感と連帯感も試されることになるだろう」と楊雨光氏は語った。