掃除すべき宇宙ゴミがまだあります。どうすればいいでしょうか?

最近、欧州宇宙機関は、当初は2026年に宇宙ゴミを除去するために宇宙に行く能動型宇宙ゴミ除去機を打ち上げる計画だったが、予想外に近くでさらに多くの宇宙ゴミを発見し、その原因は宇宙ゴミの衝突ではないかと推測していると発表した。では、ESA の関連ミッションはどのような課題に直面する可能性があるのでしょうか?宇宙ゴミの除去と宇宙デブリの増加抑制の状況はどうなっていますか?これは ESA の考慮事項に何を反映しているのでしょうか?

研修前に事故が発生

宇宙ゴミの予想外の増加がESAの注目を集めた主な理由は、ESAが長年にわたってその宇宙ゴミに注目していたためです。

この宇宙ゴミは2013年に作られた。当時、ESAのベガロケットが2回目の衛星打ち上げミッションを完了した後、衛星ブラケットが軌道上に残された。これは、ベガロケットのペイロードアダプターの上部でもありました。全体の形状は円錐形で、直径は約2.1メートル、高さは約1.3メートル、質量は約112キログラムでした。現在、ブラケットは高度約800km×660kmの地球軌道上に位置している。比較的シンプルな形状と強固な構造をしています。そのため、ESAは、能動的な宇宙デブリ除去ミッションを実行するための「極めて適切な」捕獲対象であると判断する。

2020年12月、ESAはスイスのクリーンスペース社の産業チームと8,600万ユーロ相当の契約を締結し、独自のクリーンスペース1サービスを調達しました。簡単に言えば、このミッションは宇宙ロボットを打ち上げて衛星ブラケットに接近させ、4本のロボットアームで衛星を捕獲し、その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。このプロセスの間、宇宙ロボットは人工知能を使用して目標の状況を自律的に評価し、動きを合わせます。捕獲はESAの監督の下で行われる。

ロボットアームは宇宙船が宇宙ゴミを除去するための効果的な手段になると期待されている

この宇宙ロボットのシステム構造は比較的複雑で、多くの西側諸国の航空宇宙企業によって開発されました。推進サブシステムは、ロボットを駆動して軌道を正確かつ安定的に変更し、目標に接近させるために使用されます。高度な「神経系」は、ミッションの進行計画を支援し、4 本のロボット アームの背後にある電子機器に直接指示を出します。統合センシングシステムには長距離レーダーシステムと2台のマイクロカメラが含まれており、ナビゲーションや位置決め、ターゲットの検出に使用されるだけでなく、ターゲット捕捉操作中に必要な視覚的支援も提供します。プロセッサパネルは、人工知能と後方チームがターゲット画像を分析し、タイムリーかつ効率的な意思決定を行うのに役立ちます。ミッションの信頼性を確保するため、宇宙ロボットは複合構造と効率的な熱制御システムを備えることになります。

これは、宇宙探査の歴史上、精密かつ複雑で近距離の作業を通じて軌道上から宇宙ゴミを除去する初めてのミッションとなると言える。その後、ESA は、宇宙ゴミを積極的に除去するというより複雑で野心的な目標を達成し、ミッションの難易度を継続的に高め、最終的には 1 回の打ち上げで複数のターゲットの除去を達成することを望んでいます。

ESA の推定によると、最近の宇宙ゴミとの偶発的な衝突により、少量の衛星ブラケットハードウェアが失われたが、Clean Space-1 ミッションの実施に大きな影響はないとのことです。しかし、このミッションはターゲットハードウェアが無傷であることを前提としているため、ESAは次のステップを決定するために少なくとも数週間かかる評価を実施している。

別の観点から見ると、この事故は宇宙ゴミの衝突の「増殖」の危険性をさらに浮き彫りにしている。アメリカの航空宇宙専門家ドナルド・ケスラーは、1970年代初頭に「ケスラー効果」を提唱した。これは、宇宙ゴミの量がある一定の臨界点に達すると、軌道上で衝突の連鎖を引き起こし、それが人間の制御を超え、最終的には地球の周りの空間がゴミで満たされ、人間が安全に使用できなくなる可能性があるというものだ。

積極的な除去はより緊急である

宇宙デブリ問題は国際的な問題であるため、1993年に米国、ロシア、日本などが共同で、各国の統一的な宇宙活動を調整し、宇宙デブリ問題を共同で解決することを目指す機関間宇宙デブリ調整委員会の設立を主導しました。それ以来、各国は宇宙デブリの問題に対する懸念を強めるようになり、宇宙デブリの脅威に対処するためのさまざまな解決策を提案してきました。

近年、宇宙ゴミが急増している

一方では、宇宙船自体に対する保護対策が講じられており、主に次の3つの状況が含まれます。1cm未満の宇宙ゴミの場合、衛星やその他の宇宙船は構造、材料、および必要な保護および強化対策に頼って「持ちこたえる」ことができます。 1～10cmの大きさの宇宙ゴミについては、各国で解決方法が異なります。 10cmを超える大きなデブリについては、地上チームは常に注意を払い、宇宙船と宇宙デブリの軌道傾向に基づいて宇宙船とデブリの衝突確率を適時に計算し、警告値に達したら宇宙船に回避操作を行わせる必要があります。

一方、私たちは宇宙デブリ問題を発生源から解決し、宇宙環境の改善に積極的に取り組んでいきたいと考えています。予備分析によると、関連する技術的対策には、主に不動態化処理、能動的脱軌道、能動的除去の 3 つのカテゴリが含まれます。

パッシベーションとは、退役した宇宙船が将来爆発するのを防ぐために、事前に推進剤やバッテリー電力などを使い切るプロセスを指します。注目すべきは、長年にわたり、軌道上での宇宙船の分解事故が毎年平均 12 件以上発生しており、約 550 件の既知の事故のうち、パッシベーションされていない宇宙船の分解によって最も多くの破片が発生していることです。

能動的軌道離脱とは、宇宙船が独自のスラスタ、気球、光帆などを使用して作業軌道を離脱することを意味します。低軌道衛星は大気圏に降ろされて燃え尽きるが、静止軌道衛星は「重軌道」に上げられ、正常に動作している宇宙船が破片に衝突するのを防ぐか、少なくとも偶発的な衝突のリスクを大幅に軽減する。

能動的な除去には通常、ロボットアームによる捕獲、ネットバッグや「ハープーン」による捕獲などの方法によって大型の宇宙ゴミを捕獲するための専用宇宙船の打ち上げが必要であり、その後、専用宇宙船が動力を開始して宇宙ゴミを軌道から除去します。

不活性化処理と能動的な軌道離脱対策の両方において、宇宙船に対応するハードウェアを追加するか、より多くの推進剤を搭載する必要があり、コストがかかり、信頼性のリスクが生じることは容易に理解できます。国際ガイドラインでは、運用者はミッション終了後25年以内に宇宙船を低軌道から除去する必要があるが、実際にはミッション運用者の60%しかそうしていない。したがって、大量の宇宙ゴミを除去するには、能動的な除去が効果的な手段となります。

ESAは主導権を握りたい

EUは環境保護の分野で強力な世論基盤を持っているため、宇宙ゴミの除去は早い段階で幅広い支持を得てきました。 2002年に、さまざまな団体が「宇宙デブリ軽減ガイドライン」を発表し、ESAは同時に「欧州宇宙デブリ安全および除去基準」を発表しました。 2004年、イタリア、イギリス、フランス、ドイツは共同で宇宙デブリ軽減に関する欧州行動規範に署名しました。 2014年、ESAは宇宙デブリ軽減政策に関する行政指令を発行しました。 2015年、ESAは宇宙デブリ軽減コンプライアンス検証ガイドラインを発表し、具体的な検証方法と宇宙デブリ軽減対策を示しました。

ESAは近年、宇宙環境レポートを毎年定期的に発行し、地球規模の宇宙活動が宇宙環境に与える影響や国際的な宇宙デブリ軽減対策の有効性を評価しています。また、将来の宇宙の持続可能性に関する目標も公表しており、2030年までに宇宙ゴミの脅威に抵抗できる宇宙船「艦隊」を保有する。軌道上の既存の破片の除去や処分を含む「宇宙交通」を監視し、安全に管理する能力を有する。新たな宇宙ゴミを作らないよう、宇宙船の自動衝突回避システムを開発します。

具体的には、2012年にESAはEUの衛星メーカーを集め、制御不能な環境衛星の除去を目標に、宇宙デブリ除去のミッション実証と技術開発を実施しました。検討された能動的な除去技術には、ロボットアーム、「触手」、飛行網、イオンビームなどが含まれていました。

宇宙ゴミを捕獲する特殊な素材で作られた網のイメージ

エアバスは2016年以来、欧州の複数のパートナーと「宇宙船の自己除去技術」に取り組んでおり、費用対効果が高く信頼性の高い機器のプロトタイプの初期研究を行っており、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ときに自動的に軌道を離脱できるようにすることを期待している。

2018年6月、エアバスの子会社であるSARサテライトテクノロジーズが開発した宇宙デブリ除去ミッション試験衛星が国際宇宙ステーションに展開された。このミッションは、2018年9月から2019年3月まで、ネットバッグによる立方体衛星の捕獲、宇宙目標の動きの追跡、「銛」による捕獲、曳航帆による軌道離脱など、実際の宇宙環境での4つの実験を成功裏に完了しました。

今年6月のパリ航空ショーで、ESAの長官とEUの航空宇宙企業数社の幹部は、宇宙ゴミの発生削減に努め、低軌道の状況に重点を置き、宇宙活動の安全性と長期的な持続可能性を促進するため、「宇宙ゴミゼロ計画」を共同で策定すると発表した。

ESAは今年、一連のセミナーを開催し、年末までに「ゼロ・デブリ憲章」プログラム文書の草稿を完成させる予定で、2030年までにプログラムに参加する国や組織は、耐用年数が経過した宇宙船を速やかに廃棄して軌道から外すか、航空宇宙企業から能動的な宇宙デブリ除去サービスを購入することが義務付けられる。 ESA の一連の計画は、明らかに軌道空間の安全性の向上に役立ち、軌道上清掃、補給、メンテナンスなどの軌道上サービスを含む新興の商業航空宇宙産業の発展を促進することが期待されます。

2022年11月を振り返ると、欧州宇宙機関の加盟22カ国はパリで会議を開き、宇宙プロジェクトへの支出を過去最高の17％増額し、169億ユーロの3年間の予算を可決し、航空宇宙分野で世界の超大国と競争する準備を整えた。 ESA は、「宇宙デブリゼロ計画」の提案や「クリーンスペース」などのミッションの継続的な推進により、宇宙環境管理の「大義」を利用して EU の航空宇宙企業に新たな市場を開拓し、航空宇宙技術における軌道上サービスの主導権を握ることを望んでいることは明らかです。 （著者：Yu Yuanhang）