宇宙ゴミだけでなく、宇宙船にも脅威を与えます。

少し前に、NASA、ESA、カナダ宇宙庁が共同で評価報告書を発表し、ウェッブ宇宙望遠鏡が6回の微小隕石の衝突を受け、そのうち1回がC3レンズに衝突して望遠鏡に修復不可能な事故を引き起こしたことを明らかにした。周知のとおり、低軌道には大量の宇宙ゴミが存在し、ウェッブ望遠鏡は地球から150万キロ離れたL2ハロー軌道で運用されており、微小隕石の災害から逃れることはできません。では、宇宙ゴミの他に、宇宙船に脅威を与える可能性のあるものは何か？

自然の隕石衝突

2021年、NASAは、米国宇宙監視ネットワーク（SSN）による検出と追跡によると、地球の軌道上に少なくとも27,000個の宇宙ゴミがあると発表した。当時のSSNは約10センチメートルほどの低軌道上の目標物しか検出できなかったことを考慮すると、実際の宇宙ゴミの量は検出された量よりもはるかに多かったことになります。

宇宙ゴミが非常に有害であることは誰もが知っています。国際宇宙ステーションと中国の宇宙ステーションはどちらも、宇宙ゴミを避けるために軌道を変更しました。宇宙ゴミによって地球の軌道は極めて混雑しているが、有人宇宙船が宇宙に進出する前は地球の軌道が空ではなかったという事実を多くの人が見落としている。

流れ星に願い事をする人は多いですが、流れ星は実は珍しいものではありません。フランスが率いる科学チームの研究結果によると、地球の表面に毎年合計約5,200トンの微小隕石が落下していることが明らかになった。

地球の大気圏には昼夜を問わず多数の小隕石や微小隕石が落下しており、地球から遠く離れたL2軌道であっても、さまざまな微小隕石による脅威を回避することは困難です。

実際には、微小隕石は、太陽系が形成された当時存在していた可能性のある、より大きな天体の岩石や破片から生じたものであるか、あるいは、その後に放出または破壊された彗星や小惑星の破片である可能性があります。

彗星の巨大な尾は美しいが、彗星が太陽に近づくたびに大量の物体を放出し、新たな宇宙微小流星体となることを知る人はほとんどいない。同時に、彗星はその寿命の終わりに分裂して崩壊し、多数の微小隕石を生成する可能性があります。

有名な獅子座流星群は、テンプル・タットル彗星の噴火とその破片が大気圏に突入することによって発生します。ウェッブが現在遭遇している微小隕石の衝突は、ほんの始まりに過ぎません。この望遠鏡は2023年から2024年にかけてハレー彗星が残した微小流星帯も通過する予定で、その際には間違いなくより大きな試練に直面することになるだろう。

放射線粒子は大きな脅威となる

微小隕石は宇宙船が直面する主な脅威の 1 つですが、宇宙の過酷な環境は微小隕石だけに限りません。誰もが慣れ親しんでいる真空環境に加え、高エネルギー放射線が主な脅威となります。宇宙における放射線源には、太陽から放出される高エネルギー粒子、地球の磁場によって形成される放射線帯、天の川からの高エネルギー宇宙線などがあります。

真空環境では、多くの非金属材料は高温で気化したり分解したりします。例えば、一般的なゴムは190℃で年間分解率が10%ですが、ナイロンやエポキシ樹脂は年間分解率が10%に達するとより低い温度が必要になります。

この意味では、太陽光は宇宙船に搭載されている一部の物質を脅かす可能性があります。宇宙空間で長期間運用される宇宙船では、外装材を厳選することで、高温による蒸発や分解の心配がありません。しかし、太陽などの天体から放出される高エネルギー放射線は、依然として無視できない脅威です。

有人宇宙飛行では宇宙飛行士の健康が最も重要であり、有人宇宙船は放射線の危険を特に「恐れている」。太陽フレアは、大量の紫外線とX線、そして多数の高エネルギー陽子を放出します。それらの発生は不規則かつ予測不可能です。大規模な太陽フレアの放射線量は非常に強力です。宇宙飛行士が適切に保護されていない場合、放射線障害を患ったり、死亡する可能性もあります。

銀河宇宙線はエネルギーが非常に高く、防御するのがより困難ですが、その年間放射線量は大規模な太陽フレアの放射線量よりもはるかに少ないです。幸いなことに、地球の磁場は宇宙からの放射線のほとんどを遮蔽します。地球のヴァン・アレン放射線帯の下にある場合、宇宙船は宇宙放射線の一部を遮蔽できる金属殻を備えているため、特別な放射線防護対策を講じる必要はありません。しかし、深宇宙を飛行する宇宙船の放射線防護は非常に難しく、将来の有人深宇宙飛行の障害の一つにもなっています。

宇宙放射線は無人宇宙船にとっても脅威となります。太陽の強力な紫外線、X線、高エネルギー荷電粒子が宇宙船の搭載物の一部に影響を及ぼす可能性がある。特に強い紫外線は有機物の分解を促進させます。

宇宙天文施設によっては、特殊な部分もシールドする必要があります。同時に、太陽フレアや銀河宇宙線も宇宙船の電子機器に影響を与え、宇宙船の電子機器の故障を引き起こす可能性もあります。

保護の選択肢は多くない

宇宙環境は極めて過酷です。このような過酷な環境に耐えるために、各国が開発する宇宙船は次々とさまざまな防御策を開発してきました。

低軌道には天然の微小隕石だけでなく、人工的に生成された宇宙ゴミも存在します。宇宙船、特に有人宇宙船は、必要な保護措置を講じなければなりません。現在、世界各国が開発している宇宙船は、衝撃に耐え、気密性の高いキャビンが貫通されないことを保証するために、主に硬い金属殻に依存しています。

無人宇宙船は衝突回避の優先度は低いですが、一定の対策も講じる必要があります。米国のハッブル宇宙望遠鏡を例にとると、リッチー・クレティエン（RC）反射鏡は長い筒の中に設置されており、筒自体が一定の保護の役割を果たしている。さらに、微小隕石の衝突を避けるために、必要に応じて閉じることができるチューブカバーが付いています。

低地球軌道で運用されるハッブルと比較すると、L2ハロー軌道で運用されるウェッブは、微小隕石の密度がはるかに低い。しかし、ウェッブの象徴的なテニスコートほどの大きさの耐熱シールドは、微小隕石の衝突に耐えられるように特別に設計されている。主な方法は、多数の補強ストリップを接着して「破れにくい」グリッドを形成することです。これは、微小隕石の衝突によって生じた穴がグリッドの外側に広がらないようにすることを目的としています。

一方、Webb のレンズに関しては、反射鏡の傷が画像にほとんど影響を与えないことが、同社が発表したレポートでも確認されています。一方、大きな微小隕石の衝突に遭遇しないことを祈るしかない。

さらに、宇宙船は宇宙からの高エネルギー放射線の脅威に抵抗する必要があり、現在は主に力ずくでそれに頼っています。現在の宇宙船のアルミニウム金属殻はある程度の宇宙放射線を遮蔽することができますが、深宇宙環境での防護対策は実際にテストされる必要があります。

NASAは、高エネルギー荷電粒子の流れや宇宙線への対応として、放射線を遮蔽するためにキャビンの内側または外側に水の層を追加するというアイデアも提案している。また、超伝導電磁石を使用して強力な磁場を発生させ、放射線シールドを形成して宇宙放射線による宇宙飛行士への害を軽減する磁気圏シールドの概念も持っています。

無人宇宙船の場合、放射線遮蔽ははるかに簡単です。たとえば、高エネルギー粒子の単一粒子効果に対抗するために、放射線耐性を備えた最高の航空宇宙グレードのチップと、SpaceX などの企業が採用している複数の商用チップの冗長性対策の両方があります。

さらに、宇宙船の設計では、高エネルギー放射線が太陽電池、バッテリー、絶縁材料、電子機器に与える影響も総合的に考慮する必要があります。耐放射線強化や冗長設計などの対策により、宇宙における高エネルギー放射線の脅威は基本的に防御できます。