シューッ！シューッ！シューッ！宇宙船は微小隕石や宇宙ゴミに対してどのように対応すべきでしょうか?

2022年12月、ロシアの宇宙飛行士セルゲイ・プロコピエフとドミトリー・ペトリンが予定通り船外活動を開始する準備をしていたちょうどその時、国際宇宙ステーションのロシアセグメントにドッキングしていたソユーズMS-22「コンスタンチン・ツィオルコフスキー」の推進モジュールに液体漏れがあることが判明し、漏れ箇所から液体がかなり速い速度で噴出し、数時間にわたって続きました...

ソユーズMS-22が冷却剤漏れ

ロシアの宇宙飛行士は、科学モジュールにドッキングされた欧州のロボットアームを使い、ソユーズMS-22を検査している。

宇宙では修復できない不具合

漏出が収まった後、宇宙飛行士のアンナ・キキナさんは科学モジュールに接続された欧州ロボットアームを操作して調査を実施し、他のモジュールのカナダアーム2も検査に参加した。その後、地上職員と宇宙飛行士の判断により、ソユーズ推進モジュール内の冷却パイプから何らかの原因で冷却剤が漏れていたことが判明した。冷却システムは、降下モジュールの内部を乗組員にとって快適な温度に保つだけでなく、内部深くに埋め込まれた飛行コンピューターやその他の機器を冷却する役割も担っています。

残念ながら、これは宇宙で修復できる欠陥ではありません。 2023年3月27日、ソユーズMS-22宇宙船は、分析または再利用のために218キログラムの科学実験結果と宇宙ステーションの機器を搭載して地球に帰還しました。その後、メディアの報道によると、ソユーズMS-22宇宙船は微小隕石の衝突により熱調節システムに漏れが発生したという。

微小隕石が宇宙船に衝突したのは今回が初めてではない。 2006 年 9 月 9 日、アトランティス スペース シャトルは STS-115 ミッションを実行するために離陸しました。このミッションは主に 2 つの新しいトラス P3 と P4 を国際宇宙ステーションに運び、9 月 21 日に地球に帰還する予定でした。点検中に、整備員はスペース シャトルの右側のペイロード ベイ ドアの内側にあるラジエーターに直径約 2.7 mm、深さ約 12 mm の穴を発見しました。この穴はフロン循環冷却ループの近くにあります。シャトルにはこうした冷却回路が 2 つあり、そのうちの 1 つが破れてフロンが漏れ、強制的に停止すると、シャトルは早期に帰還を余儀なくされる可能性がある。

スペースシャトルSTS-115 ペイロードベイドア内側のラジエーターが打撃を受けた

スペースシャトルは以前にも微小隕石に衝突されたことがある。 1995 年の STS-73 ミッション中に、微小隕石がスペースシャトル コロンビアのペイロード ベイ ドアの外部断熱材を貫通しました。統計によると、スペースシャトルは宇宙打ち上げによるアルミニウムの破片や微小隕石など、少なくとも20回の衝突を経験している。スペースシャトルだけでなく、2022年末現在、国際宇宙ステーションの約12,603平方メートルの表面は何千回も衝突され、至る所に痕跡を残しています。

近年、ロケットの打ち上げ回数の増加や衛星数の急増により、宇宙ゴミに対する注目が高まっています。 2022年には宇宙ゴミとみられる物質により衛星が破壊される事故も発生しました。では、微小隕石と宇宙ゴミとは何でしょうか?それらは宇宙船にどのような影響を与えるでしょうか?それらに対処するにはどのような方法がありますか?

微小隕石と宇宙ゴミとは何ですか?

流星体とは、太陽系内に漂う隕石の破片のことです。大きさは様々で、ほこりや砂利ほど小さいものから、大型トラックほど大きいものもあります。流星は地球の大気圏に落ちて周囲の空気をイオン化することで発生する明るい光であり、隕石は地面に落ちる流星体です。

人類にとって隕石は珍しいものではない。私たちの地球は毎日宇宙からの物質を受け入れています。統計によると、毎年約1,000万キログラムの隕石が地球に落下し、その一部は地面に衝突してクレーターを形成し、比較的良好な状態で保存されています。微小隕石とは、大きさが1cm未満の隕石の破片を指します。これらの破片はおそらく何億年もの間太陽の周りを漂っていたものと思われます。太陽系の微小隕石は、主に太陽系の形成初期に異なる大きさの小惑星同士の衝突によって発生します。太陽系形成初期の混乱の中で、小惑星が絶えず衝突して凝縮し、徐々に地球や火星のような固体惑星が形成されました。これらの衝突によって生じた破片が微小隕石の主な発生源です。それらの多くは、太陽系が徐々に安定した後も消滅せず、太陽の重力の範囲内で不規則に移動しました。

小惑星の衝突に加えて、もう一つの脅威は彗星です。流星体を発生させる親彗星が地球に戻ってくると、地球や地球周回軌道上の宇宙船付近の流星体の数が劇的に増加し、宇宙船に大きな脅威を与えることになります。

宇宙ゴミは宇宙における人間の活動によって発生します。人類の宇宙の歴史はまだ100年にも満たないが、人類の宇宙活動が年々拡大しているため、宇宙ゴミの発生は極めて急速に進んでいる。これらのデブリは人工物から発生するため、主に1,000キロメートル未満の低軌道、静止軌道、中軌道など、宇宙船が主に分布する軌道上にあります。そのため、宇宙デブリは、宇宙ステーション、通信衛星、インターネットコンステレーション、航法衛星、リモートセンシング衛星など、人類の価値の高い宇宙資産に大きな脅威をもたらします。

宇宙ゴミは人間の活動によって生み出されます。主な発生源としては、軌道上に放置された宇宙船、廃棄されたロケット本体、分離段やフェアリングに使用された爆発ボルト、ロケットのケーブルや回路基板、飛行中に発生した金属片、塗料の破片、ロケット推進システムの破片、飛行中に固体エンジンから発生したアルミナ粒子やスラグ、何らかの理由で軌道上にある衛星やロケット段が爆発して生じた破片、熱保護層のコーティングの剥離など、ペイロードから誤って分離された部品などがあります。

上記の理由に加えて、宇宙ゴミのもう一つの発生源は、人工的な衛星破壊実験、つまり、軌道上の標的衛星を破壊するために衛星破壊ミサイルを発射することで自ら構築した衛星破壊システムをテストすることです。あらゆる対衛星実験は、大量の宇宙ゴミの生成につながります。これらの宇宙ゴミは、元の衛星の軌道上に留まるだけではありません。これらの破片は、重力と大気の影響を受けて、さまざまな高度と傾斜の軌道に徐々に広がります。しばらくすると、地球全体を包み込むまばらな宇宙ゴミの雲が形成され、さまざまな軌道上の宇宙船をいつでも脅かす可能性があります。

破片は宇宙船にどのような影響を与えるでしょうか?

微小隕石や宇宙ゴミが宇宙船に与える衝撃被害は、宇宙船への影響の程度に応じて 3 つのカテゴリに分類できます。以下では、説明を簡単にするために、微小隕石と宇宙ゴミを総称してデブリと呼びます。

壊滅的な衝突。これは最も深刻な破片衝突事故でした。具体的な場面は、映画「ゼロ・グラビティ」で国際宇宙ステーションが対衛星実験で生成された大量の破片に襲われる場面に似ていた。大量の破片が宇宙ステーションとドッキングしていたスペースシャトルを同時に直接破壊した。この規模の衝突は宇宙船を完全に機能停止させ、さらに多くの破片を生み出すだろう。現時点ではこれほどの規模の衝突は多くありません。

回復可能な衝突。これはさらに深刻な破片衝突事故です。衝突により宇宙船の機能が一時的または部分的に失われます。たとえば、衝突により宇宙船の飛行姿勢が不安定になり、正常な動作を継続するために姿勢を調整する必要がある場合があります。もう 1 つの例としては、太陽光パネルが攻撃を受けた後、電力システムの正常な動作を維持するために特定の機器をシャットダウンする必要があることが挙げられます。

累積効果衝突。これは比較的軽微な破片の衝突でした。一般的に、このような衝突によって生じる破片は大きくなく、通常はミリメートルまたはマイクロメートルの規模であり、このような衝突が宇宙船に重大な損傷を与えることは通常ありません。しかし、諺にあるように、少しずつ積み重なると大きな被害を生むため、破片一つが引き起こす被害は限定的であるものの、軌道上の破片の数は非常に多いため、宇宙船に衝突する確率は非常に高くなります。このような長期にわたる衝突は、宇宙船に相当な累積的な損傷を引き起こし、特に宇宙船の外部材料、露出した光学機器、太陽電池パネルの性能低下を引き起こします。現在の国際宇宙ステーションは、累積的な影響を受けた衝突の代表的な例です。

1984 年 4 月 7 日、チャレンジャー号スペースシャトルは特別な物体を軌道上に乗せました。その名前はLDEFで、NASAが宇宙環境でさまざまな機器や材料が受ける衝撃を研究するために使用する研究プラットフォームです。正式名称は「長期曝露施設」で、69か月間軌道上に留まりました。 1990年1月20日、LDEFはスペースシャトルコロンビア号によって地球に帰還しました。研究者らは、宇宙ゴミや微小隕石の衝突により、約130平方メートルの表面に約3万4000個の小さな衝突クレーターが見つかったことを発見した。最大のクレーターの直径は6mmでした。直径が 0.3 mm を超えるクレーターが 5,000 個以上あり、残りは 0.3 mm 未満でした。温度制御コーティングに破片が何度も衝突して発生したスパッタリングにより、コーティングの 5% が表面から剥離しました。これは累積効果衝突によって引き起こされる損傷です。

長期曝露施設は、宇宙環境におけるさまざまな機器や材料の影響を研究するための研究プラットフォームです。

具体的な観点から見ると、デブリの影響は、有人宇宙船への脅威、宇宙船の重要な部品への脅威、宇宙船表面材料の性能への影響、宇宙船への汚染に分けられます。

有人宇宙船に対する脅威はよく理解されています。たとえば、宇宙飛行士が船外活動を行っているとき、大量の小さな破片が高速で宇宙ステーションに向かって飛んでくることがあります。その速度は秒速 10 キロメートルを超えることも珍しくありません。これらの破片が宇宙飛行士の宇宙服に当たると、宇宙服を貫通し、宇宙飛行士の身体に深刻な脅威を与える可能性があります。したがって、宇宙飛行士は船外活動を行う前に軌道環境を評価し、宇宙ステーションは目に見える破片の一部を意識的に避けることになります。しかし、それらを防ぐことができない場合もあります。たとえば、スペースシャトルのミッションSTS-118では、破片が宇宙飛行士が宇宙遊泳に使用したハンドルに当たりました。できた穴は非常に鋭く、宇宙飛行士の手袋に直接穴が開いてしまい、船外活動は早々に終了せざるを得なくなった。その後、スタッフは宇宙服の手袋の耐切創性を高めるために特別な努力を払いました。

破片が宇宙飛行士の可動ハンドルに衝突

傷ついた宇宙服の手袋

宇宙船には重要な部品が多数搭載されているため、宇宙船の重要な部品に対する脅威は比較的大きなテーマです。たとえば、宇宙船の構造的な損傷などです。破片が宇宙船のパネルに衝突すると、部分的な歪みや変形を引き起こし、構造板の局所的な安定性を危険にさらし、金属インレイ付近のエポキシ樹脂パッケージ構造の完全性を破壊し、機器や装置が緩み、機器の正常な動作に影響を与えます。

宇宙船の燃料タンクや姿勢調整ガスタンクなどの圧力容器が衝突すると、貫通時に物質が外部に噴出して推力が発生し、宇宙船の姿勢が制御不能になります。十分に大きな推力により、宇宙船の特定の弱い部分が変形したり破損したり、さらには爆発を引き起こす可能性があります。

衛星や宇宙ステーションの太陽電池パネルの場合、衝突による損傷により短絡が発生し、電力供給能力が低下する可能性があります。破片が方向や駆動機構に損傷を与えると、パネルが太陽光の方向から外れ、太陽電池パネルの電力供給能力が低下し、衛星や宇宙ステーションの電力消費に影響を与える可能性があります。衛星や宇宙ステーションのバッテリーパックと衝突すると、バッテリーの電力供給能力が失われます。

国際宇宙ステーションの太陽電池パネルに破片が衝突

破片が宇宙船の外側のアンテナに衝突すると、損傷によりアンテナが変形し、性能が低下します。アンテナの向きや駆動機構が損傷すると、アンテナの方向がずれ、飛行ミッションに影響を及ぼし、宇宙船の故障につながることもあります。

破片は宇宙船の表面材料にも影響を及ぼす可能性があります。たとえば、空や地球に向けられた光学機器は、複数の小さな衝突によって引き起こされる表面の損傷に対して非常に敏感です。光の散乱度合いが劇的に増加し、衝突によって生じた汚染粒子によって機器の光学性能も低下します。宇宙船の外側に巻かれた断熱材、例えば衛星の表面に巻かれたポリイミド材などは、小さな衝突を何度も繰り返すと断熱フィルムの断熱能力が衰え、劣化し、熱吸収係数が増加します。さらに、これらのフィルムは、小さな破片による多重衝突によって深刻な損傷を受け、断熱性能が低下する可能性があります。表面材質が直接貫通すると、外部と直接接触できない機器の一部が外界と接触し、機器の故障の原因となります。

国際宇宙ステーションのロシアモジュール「ザーリャ」の断熱ブランケットが破片に衝突した

ソユーズMS-22の冷却剤漏れ事故では、漏れた冷却剤が客室の壁に接触して汚染を引き起こすことを恐れ、地上職員は宇宙ステーションの宇宙飛行士に汚染を避けるために窓を閉めるよう要請した。破片が表面物質に衝突すると、宇宙船の表面でスパッタリング、蒸発、イオン化、プラズマ雲、二次破片雲などが発生し、宇宙船の表面に深刻な汚染を引き起こす可能性があります。もちろん、宇宙では、デブリの存在に加えて、原子状酸素や紫外線など、宇宙船の材料にダメージを与える要因も存在します。

STS-7ミッション中にスペースシャトルの窓が破片に衝突

国際宇宙ステーションのズヴェズダコアモジュールの窓が破片に衝突した

フラグメントを処理する方法は何ですか?

軌道上に無数の破片が浮遊している状況において、軌道上の破片を追跡するなど、宇宙船への脅威を最小限に抑える方法は現在いくつかあります。残骸の増殖を遅らせるための対策を講じる。宇宙船を保護する;積極的に破片を捕獲します。

残骸の追跡は長年にわたって行われています。欧州宇宙機関の宇宙デブリ事務局のデータによると、2022年12月22日現在、10cmを超える宇宙デブリは約3万6500個、1cm～10cmの宇宙デブリは100万個、1mm～1cmの宇宙デブリは1億3000万個あるという。しかし、地上のレーダーや望遠鏡では観測が難しい、極めて小さな破片が無数に存在するのは、この中には含まれません。したがって、この方法は、より大きく、より脅威的なデブリの軌道を事前に予測し、宇宙ステーションや衛星が事前にそれらを回避できるようにするためにのみ使用できます。

地球を取り囲む宇宙ゴミのイラスト

瓦礫の増大を遅らせることは今や国際的な合意となっている。残留推進剤を放出してロケットの第 2 段と第 3 段を不活性化するなど、破片の成長を遅らせることができる操作は多数あります。ロケットの第 2 段と第 3 段は、分離時の速度と軌道では地球に戻ることができなくなるため、宇宙に直接放棄されることがよくあります。このとき、タンク内の燃料を排出することで不活性化でき、宇宙空間で爆発して破片が出ないようにすることができます。衛星に関しては、大気圏への帰還が困難で寿命が尽きた衛星については、地上で一連の操作を行って衛星を既存の軌道から外し、貴重な軌道資源を解放して「墓場軌道」とも呼ばれる超静止軌道に送ることができる。

現在、宇宙船にはデブリの侵入に抵抗するさまざまな方法があります。たとえば、ホイップルシールドは国際宇宙ステーションやいくつかの深宇宙探査機で使用されています。ホイップルシールドは、基本的に、中央に隙間を設けて積み重ねられた複数の金属板です。金属はステンレス鋼や硬質アルミニウム合金で、中間部分には防弾チョッキやヘルメットに使用されるケブラーなどの繊維を充填することができます。欧州のコロンバスモジュール、国際宇宙ステーションのノード2、ノード3で使用されているホイップルシールドを例にとると、外側から内側に向​​かって、厚さ2mmの306ステンレス鋼、厚さ2mmの6061T-6アルミニウム合金、厚さ110mmのケブラー繊維防弾層、厚さ50mmの2219アルミニウム合金、最後に断熱層となっています。

アクティブキャプチャは現在、破片を処理する比較的新しい方法です。日本は2016年に国際宇宙ステーションへ補給船HTV-6号機を打ち上げた。宇宙船には、ロープネットを放出して破片を捕捉・捕獲できる破片収集装置が搭載されていたが、ロープネットの放出がうまくいかなかったため、ミッションは最終的に失敗した。各国は現在、レーザーやロープネットなどさまざまな方法を使って瓦礫を撤去する計画を立てているが、いずれもまだ実行されていない。しかし、デブリの清掃は効果がなかったものの、放棄された衛星の清掃実験は成功裏に実施された。

1978年、NASAのドナルド・ケスラー教授は、低軌道上の宇宙ゴミによる汚染がすでに非常に深刻であるため、ゴミ同士、ゴミと宇宙船の衝突が連鎖反応を引き起こし、衝突のたびにさらに多くのゴミが発生し、ゴミが増えると衝突の可能性がさらに高まるという影響を提唱しました。この概念は「ケスラー効果」と呼ばれます。

最悪の場合、破片が地球の軌道を完全に覆ってしまうため、破片が自然に大気圏に戻るまで、人類は長期間にわたって軌道上の資源を使用できなくなります。しかし、破片が大気圏から遠いほど、かかる時間は長くなり、数万年かかる可能性もあります。現在、地球の軌道上にはますます多くの衛星が存在するため、このような状況が発生する可能性はゼロではありません。今後、地球の低軌道上では数万機の低軌道衛星が運用されることになり、デブリ衝突の確率が大幅に増加し、宇宙船に対するデブリの脅威はますます大きくなるでしょう。よりクリーンな軌道を実現するためには、宇宙活動に関わるすべての関係者が協力して宇宙環境のクリーン化に貢献する必要があります。