太陽はますます「凶暴」になっていますが、宇宙船はどうやって「自らを守る」ことができるのでしょうか？

最近では太陽フレアなど太陽活動の激化により、7月以降200基以上のスターリンク衛星が失われており、退役のスピードが以前よりも速くなっているとの報道もある。では、なぜ太陽フレアなどの遠方の宇宙現象が衛星などの低軌道宇宙船を脅かすのでしょうか?その背後にある動作原理は何ですか?研究者は悪条件を防ぎ、緩和するためにどのような対策を講じることができますか?

太陽活動のピークは予想を上回る

太陽活動とは何ですか?簡単に言えば、これは太陽の大気圏で起こるすべての活動現象の総称です。太陽活動中には、太陽黒点、輝点、スペクトル斑、フレア、プロミネンス、コロナ過渡現象など、エネルギー変化の驚くべき壮観な現象が次々と現れます。

太陽フレアの模式図

たとえば、太陽黒点は太陽の光球面にある暗い斑点であり、周囲よりも磁場が強く、温度は低いものの、それでも摂氏 4000 度を超えます。太陽フレアは最も激しい太陽活動の一つであり、「彩層噴火」としても知られています。これらは主に、数分から数時間以内に太陽の内部からコロナ物質の球体が噴出する現象として現れます。射出速度はピーク時には秒速1000キロメートルを超えることもあります。そこに含まれる膨大なエネルギーが想像できます。

太陽プロミネンスは太陽の周りの赤いリングです。天体望遠鏡を通して見ると、リングの上で踊る真っ赤な火の舌が見えます。プロミネンスが爆発する前は、数千度の温度が維持されていることがよくあります。数百万度のコロナと相互作用すると、壮大な爆発効果を生み出します。

これらの現象がなぜ宇宙船に干渉するのかを理解するには、その原理をさらに深く掘り下げる必要があります。本質的に、太陽活動は太陽大気中の時には激しく、時には弱い電離プロセスから生じ、通常は 11 年の規則的な周期を持ちます。活動が激しい時期の太陽は「乱れた太陽」とも呼ばれます。太陽は、大量の紫外線、X線、粒子流、強力な電波を放射することが多く、これらは急速に地球の大気に影響を与え、オーロラ、磁気嵐、電離層擾乱などの現象を引き起こします。

たとえば、コロナ質量放出はコロナの大規模な磁場バランスの破壊の結果であり、太陽風の流れに深刻な影響を与える可能性があります。高エネルギー粒子の流れや宇宙線の影響は無視できません。地球の大気の状態が「免れる」ことはできないのは明らかです。

現在、太陽活動は過去20年で最高レベルに達しており、天文学者がこれまで予測していたよりも早くピークに達しただけでなく、予測よりも約50％も激しくなっている。

科学者たちは、何年にもわたる研究の結果、太陽フレア、プロミネンス、コロナ質量放出などの現象が頻繁に起こるようになると、太陽から放出される高エネルギー粒子や極短波放射線（X線や紫外線など）が強くなり、地球の磁場や衛星通信が著しく「乱れ」、宇宙船にさらに壊滅的な危険をもたらす可能性があることを発見しました。

なぜ宇宙船は「被害者」なのか

太陽活動が地球の気候に与える影響については議論があるものの、宇宙船が直面する高エネルギー粒子の流れや宇宙放射線などの脅威は、さまざまな国の航空宇宙研究者の前に提示されてきた。昨年2月、太陽放射線の爆発的な増加により強い磁気嵐が発生し、打ち上げ直後に約40機のSpaceX衛星が正常に軌道を上げることができず、大気圏への再突入を余儀なくされた。今夏以降、各国で宇宙船の故障や早期の寿命切れが徐々に増加しており、低軌道で運用される衛星の作業環境がより過酷になっていることが示されており、多くの国の衛星運用者は大きな課題に直面しています。

なぜ遠くの太陽活動は低軌道宇宙船にこれほど大きな影響を与えるのでしょうか?研究者たちは、学んだ教訓をもとに、この問題に対する理解を徐々に深めてきました。

初期の宇宙活動中に、研究者たちは、地球の周りの空間に「地球放射線帯」と呼ばれる高エネルギーの荷電粒子が大量に集中していることを徐々に発見しました。これらの高エネルギー荷電粒子は、宇宙船に放射線損傷を引き起こし、電子機器の性能低下につながる可能性があります。

宇宙に打ち上げられる衛星が増えるにつれて、予期せぬ故障が時々発生します。研究者たちは、太陽活動が宇宙の特定の領域でプラズマ濃度の増加を引き起こし、それが宇宙船を数千ボルト、あるいは数万ボルトの高電圧に「充電」させ、その後激しい「放電」現象を引き起こす可能性があることを徐々に発見してきました。強い電流変動は、宇宙船の部品に瞬間的な損傷を引き起こすことがよくあります。

地球の大気に影響を及ぼす太陽の高エネルギー粒子の流れの模式図

たとえ宇宙船が幸運にも「脱出」できたとしても、「放電」現象は強力な電磁パルスを伴い、宇宙船の積載物の正常な動作を妨げることになる。地上と宇宙間の通信が途絶えたり、電力供給不足により衛星が不安定になったりといった予期せぬ事態が発生すると、地上チームはいわゆる「単一粒子事象」の問題に直面することになります。

1980 年代には、小型で高度に統合され、低消費電力のマイクロエレクトロニクス デバイスが宇宙船で徐々に広く使用されるようになりました。これらのデバイスは電磁異常に対してより敏感です。したがって、太陽系内の高エネルギー荷電粒子、特に重イオン、さらには天の川宇宙線、地球の放射線帯などは、宇宙船の運航にどのような定量的な影響を与えるのでしょうか。これは各国の宇宙機関にとって重要な研究テーマとなっている。

その後、研究者たちは、相対論的電子フラックス増強イベントが静止軌道衛星などの宇宙船の故障を引き起こす主な要因の 1 つであることを発見しました。相対論的電子とは、光速に近い速度で移動する電子を指し、地球の放射線帯では珍しくありません。宇宙空間における相対論的電子の流束（濃度とみなすことができる）が増加すると、磁気圏内で最も破壊的な宇宙天気現象を引き起こす可能性が高くなり、宇宙船が損傷する可能性が高まります。そのため、相対論的電子は研究者によって「キラー電子」と呼ばれ、関連する防止対策は各国の航空宇宙工学プロジェクトで大きな関心事となっている。

脅威を回避するための多面的なアプローチ

ますます激しくなる太陽活動の影響下で宇宙船の安全を確保するためには、各国の研究者が多角的なアプローチを取り、宇宙船の設計、試験、製造、打ち上げなどのさまざまな段階でさまざまな予防策を講じる必要があります。

この問題を解決する最善の方法は、「根本」に取り組み、宇宙船の設計段階で一連の安全策を講じることです。まず、研究者は宇宙船に適用可能な宇宙環境条件を明らかにし、それに応じた仕様を策定する必要があります。これらの仕様は、宇宙船の寿命と安定した信頼性の高い動作を保証するだけでなく、コストを管理するための適切な余裕も残す必要があります。さらに、地上シミュレーション試験の技術的条件、開発装置の仕様、選択する原材料のカタログなどを策定する必要がある。また、壊滅的な太陽活動や衛星の異常な運用などの状況に迅速に対処するための緊急計画を策定する必要がある。

宇宙船の開発段階では、科学研究者は仕様に従って宇宙環境シミュレーションテストを実施し、宇宙船の部品や原材料に対して放射線耐性テストを実施する必要があります。安全のためには、科学研究者が宇宙環境への適応性や関連対策を繰り返し確認し、事前に策定した緊急時対応計画を検証する必要がある。

宇宙船の打ち上げや軌道上での運用段階では、「後戻りはできない」ように思われますが、実は太陽活動の影響に対処する方法はあります。たとえば、研究者は、ミッションの要件を満たすだけでなく、高高度の大気の密度、電離層の状態、流星の出現確率の予測など、対象空間の気象条件を十分に考慮した安全な打ち上げウィンドウを選択します。

宇宙船を脅かす太陽活動の模式図

宇宙船が軌道に入った後、地上チームは宇宙環境をリアルタイムで監視し、急速に変化する主要な環境パラメータを「捕捉」して、飛行管制要員が宇宙環境イベントの影響を回避または軽減するための適切な措置を講じられるようにするとともに、宇宙船の異常を分析するための基礎を提供する必要があります。さらに、宇宙環境警報機構を確立することが、現時点で太陽活動に対する最も効果的な対策となるはずです。

宇宙プラズマは宇宙船に「充電」障害を引き起こしやすいため、研究者は 2 つの予防策を用意しています。1 つはコンピューター数値シミュレーション、もう 1 つはプラズマ シミュレーション実験室でのテストです。関連するシミュレーションや実験では、宇宙環境、太陽光条件、宇宙船の形状、構造、表面材質など、複数の要素を総合的に考慮する必要があります。宇宙環境が宇宙船に与える影響を予測し、宇宙船の設計ガイドラインや試験・監視計画を策定し、制御方法を最適化し、宇宙船の寿命を延ばすことができます。シミュレーション ソフトウェアと実験は、静止衛星や極軌道衛星などのさまざまな軌道要件に応じて最適化する必要があります。

実際、太陽活動などの宇宙環境要因が宇宙船に与える影響を研究するには、部品、原材料、航空宇宙機器に対する照射試験が不可欠であり、主に総線量照射試験、単一粒子照射試験、加速器照射試験が含まれます。

総線量照射試験は、部品や原材料の計測指標を決定し、宇宙船の放射線耐性設計の基礎を提供することができます。実験では、電子部品や太陽電池の特性の違いに応じて異なる放射線源が使用されます。単一粒子アップセット試験は、多くの場合、真空条件下で実行されます。チップ デバイスはオンラインで電源をオンにして測定する必要があります。必要に応じて、重イオン加速器を使用して宇宙環境をシミュレートします。加速器照射試験は主に航空宇宙機器全体を対象としています。電源を入れると、宇宙粒子放射線に対する耐性がテストされます。

つまり、科学研究者は、宇宙船のミッションプロセス全体を通じて詳細な監視とテストを実行し、隠れた危険を一つずつ排除し、緊急時対応計画を準備し、宇宙船がより安全かつ長期的に科学的および応用的な目標を達成できるようにする必要があります。 （著者：ウェン・シン、チャオ・ジハン、シュー・セン、画像提供：NASA、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、ジャン・ファン）