宇宙ゴミは人類の星や海への旅を妨げるでしょうか?

要点

★宇宙ゴミが雪崩のように増えれば、人類の星や海への道が妨げられることになる。

★ 低コストで効率的な宇宙ゴミの除去は、私たちが直面している技術的な課題です。

「ポールと私はブースターを使って近づきました。接続ロープを結んでいるとき、ポールのマスクに突然穴が開きました...マスクから空気が勢いよく抜けて、彼は遠くへ飛んでいきました。私は彼が回転するのをただ見守るしかありませんでした...彼の口の右側に1ドル硬貨ほどの穴がありました。この穴のせいで彼は奇妙に大きな口のように見えました。しかし、彼の顔には笑みがありました。彼は一瞬で命を失ったに違いなく、その一瞬の笑みは永遠に固まりました。それは、人生がいかにはかないかを示しているようでした。」

幸いなことに、上記の悲劇的な宇宙事故は、袁英培の小説『宇宙神風』の中の架空のストーリーに過ぎません。しかし、早急に宇宙ゴミの脅威に対処しなければ、このシナリオは将来現実になるかもしれない。

giphyより

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宇宙ゴミを投げたのは誰ですか?

宇宙ゴミは、宇宙ゴミまたは宇宙デブリとも呼ばれ、宇宙の軌道上にある放棄された人工物体すべてを指します。これらは、衛星の崩壊によって生じた大きな破片から、ロケットの上段や放棄された衛星などの廃棄された宇宙船まで多岐にわたります。航空機から落下したコーティング、航空機から排出された液体が凝固して形成された粒子、固体ロケットエンジンからの未燃焼の固体粒子などの小さな破片まで。

宇宙ゴミの発生源は、人間による散乱、ミッションの残骸、放棄された宇宙船、対衛星実験など多岐にわたります。

例えば、1960年代に米国は、海外に駐留する米軍が母国との通信を改善できるよう、長さ2センチ未満、髪の毛よりも細い銅針4億3000万本を軌道上に撒き、無線信号を反射する雲のようなリングを形成した。これらの銅の針は最終的に宇宙ゴミとなり、現在でもかなりの数が軌道上に残っています。

対衛星兵器のテストの結果として生じた宇宙ゴミもいくつかあります。たとえば、1985 年に米国はミサイルで衛星を破壊しようとしましたが、その結果、1 センチメートルを超える宇宙ゴミが何千個も発生しました。幸いなことに、実験は比較的低い軌道で行われたため、破片のほとんどは重力に引っ張られて大気圏で燃え尽きた。

ロシアは2021年11月15日にも、放棄された軍事偵察衛星をミサイルで破壊した。これにより、追跡可能な断片が何千個も作成され、さらに数十万個の小さな破片が作成された可能性があります。この破片は数年、あるいは数十年にわたって軌道上に留まり、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士の生命を脅かす可能性がある。

上で述べた「宇宙」のものに加えて、既存の宇宙ゴミの中にはさらに奇妙なものもいくつかあります...

たとえば、宇宙飛行士のエドワード・ホワイトが船外活動中に紛失した手袋。ジェミニ10号ミッション中にマイケル・コリンズが紛失したカメラ。ミール宇宙ステーションの15年間の運用中に廃棄されたゴミ袋、レンチ、歯ブラシなど。

別の宇宙飛行士は国際宇宙ステーションの太陽電池パネルを修理中にペンチを紛失し、またある宇宙飛行士はSTS-126の船外活動中にブリーフケースサイズの工具キットを紛失した。

STS-126 中に失われたツールキット (写真中央)

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宇宙ゴミはなぜそれほど危険なのでしょうか?

宇宙のゴミは日常生活のゴミよりあまり高くないのではないか、と疑問に思う友人もいるかもしれません。それはどんな害をもたらすのでしょうか?大きなゴミを避けて小さなゴミを無視するだけですよね？

理由は実はとても単純で、それはスピードです。誰かが手で投げてきたら、簡単にキャッチできます。しかし、銃身から秒速数百メートルの速度で撃たれた場合、死に至ります。宇宙ゴミの移動速度は弾丸よりもはるかに速い。

宇宙ゴミが軌道上の宇宙船に致命的な脅威を与える理由は、まさに宇宙ゴミの高速衝突によるものです。地球に対するスペースデブリ自体の速度は7.5km/sを超えることが多いのに対し、ライフルの弾丸の速度はわずか1km/s程度です。宇宙ゴミは宇宙船に衝突する可能性があり、その最大速度は秒速15kmにも達することがあります。センチメートル規模の宇宙ゴミは取るに足りないように思えるかもしれませんが、衛星全体を破壊するには十分です。数ミリメートルの大きさの破片でも衛星の機能を停止させる可能性があります。

米国のスペースシャトルの衝突クレーター

ロシアのミール宇宙ステーションの太陽電池パネルが宇宙ゴミにより損傷

03宇宙デブリによる事故を防ぐには？

宇宙デブリによる偶発的な損傷を防ぐために4つの方法が提案されています。これらは、監視と早期警報、衝突回避と保護、軌道離脱と廃棄戦略、および能動的な除去です。

監視と早期警告

宇宙デブリの監視を継続し、カタログ化し、衝突警告を提供することは、宇宙デブリの衝突のリスクを軽減するための第一歩です。主要な宇宙大国はそれぞれ、宇宙ベースの衛星プラットフォームと地上のレーダーや光学望遠鏡の両方を含む米国の宇宙監視ネットワークなどの宇宙監視ネットワークを構築している。

米国の2世代にわたる宇宙目標監視「宇宙フェンス」。

左：米国に配備された第 1 世代。右：海外に派遣された2代目

衝突回避と予防

衝突回避・防護とは、宇宙ゴミとの衝突の脅威を「隠す」ことと「防ぐ」ことで対処する方法です。軌道上の宇宙船と大型のスペースデブリ（10cm以上）や他の物体との衝突の危険性が高い場合、衝突を回避する最も簡単で直接的な方法は軌道を変更することです。しかし、それには燃料を消費し、耐用年数が短くなるという代償が伴います。国際宇宙ステーションは、1999年の展開から2020年9月までの間に、宇宙ゴミを避けるために軌道を28回変更しており、その中には2020年1月から9月にかけての3回の衝突回避の変更も含まれている。

より小さなデブリに対しては、宇宙船自体の保護レベルを向上させて、宇宙デブリの衝撃に直接抵抗することができます。

常識に反して、宇宙船の殻の厚さを単純に増やすのは効率的なアプローチではありません。多くの場合、宇宙の微小隕石に対してフレッド・ホイップルが 1947 年に提案した多層防御対策が採用されています。ウィップルは、微小隕石がそれ自身の大きさと同等の厚さの物質を貫通すると、高温により蒸発してイオン化すると提唱した。したがって、宇宙微小隕石の衝突から保護するには、宇宙船の外側 1 インチの距離に約 6 ～ 7 mm の厚さの材料の層を巻くだけで十分です。この保護はホイップル保護と呼ばれます。現在、国際宇宙ステーションと我が国の天宮宇宙ステーションの両方にホイップル保護パネルが装備されています。

左側は倉庫の壁を厚くしただけのシミュレーションを示し、右側はホイップル保護プレートを追加した効果を示しています。 NASAからの画像

軌道離脱と廃棄

低軌道衛星は、大気の抵抗の影響により、自然に軌道が低くなります。低軌道衛星は、その耐用年数を終えた後、25年以内に大気圏に再突入して落下することができれば、廃棄する必要はありません。軌道高度が低すぎない場合、軌道を下げて 25 年以内に落下するという勧告に従うために、適切な軌道離脱措置が必要になります。

静止軌道衛星の場合、その寿命が尽きると軌道を「墓場軌道」に上げることがあります。墓場軌道は、放棄された衛星が通常の静止軌道と交差しないことを保証し、静止軌道上の稼働中の衛星の安全性を確保します。さらに、宇宙デブリをさらに軽減し、不必要な崩壊事故を減らすために、宇宙船やロケットの本体は廃棄される際に、(1)推進剤を排出または燃焼させることなど、内部エネルギーを使い切る必要がある。 （２）電池を放電すること（３）客室内の圧力を解放する。

アクティブ除去

地球近傍空間における宇宙ゴミの増加に関しては、積極的に除去することがより適切な対処法である。現在、能動的な除去はまだ理論的研究と実験の段階にあります。一般的な解決策としては、装着後に眼窩を押し出す、柔軟なネットで眼窩を引きずって外す、レーザーアブレーションで眼窩を押し出すなどがあります。

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星と海のために、ゴミを増やさないでほしい

現在、カタログ化されている宇宙ゴミは2万個以上あり、観測方法の制限により追跡できない数センチメートル未満のゴミは1億個以上ある。実際、1970年代初頭から、科学者たちは衝突による衛星やその他の宇宙船の崩壊が連鎖反応を引き起こす可能性があると提唱していた。

NASAジョンソン宇宙センターの軌道デブリプロジェクトオフィスが数えた各タイプの大型デブリの数

これはケスラー症候群として知られています。簡単に言えば、大型廃棄物の数を大幅に減らさない限り、物体同士のランダムな衝突が発生すると、衝突によって生成された破片が新たな破片の重要な発生源となり、原子爆弾の爆発に似た連鎖反応を引き起こし、衝突がさらに増えることになります。宇宙ゴミが徐々に地球を取り囲み、新たな宇宙打ち上げを不可能にしている。

宇宙ゴミの量が多すぎて臨界密度を超えると、「ケスラー効果」が発生し、雪崩のように増加し、人類の星や海への進路を妨げることになります。

この目的のために、米国、欧州、ロシア、そして我が国は、いずれも積極的な宇宙デブリ除去技術の開発に取り組んでいます。低コストで効率的な宇宙ゴミの除去は、私たちが直面している技術的な課題です。今後、人類の宇宙活動が活発化すると、小説「スペースカミカゼ」やアニメ「スタークリーナーズ」のような宇宙ゴミリサイクル産業が誕生するのではないかと思います。

著者 |周炳宏

中国宇宙科学普及大使、宇宙科学コミュニケーション専門家スタジオ副所長、中国科学院国家宇宙科学センター研究員

監査 |劉勇

中国宇宙科学普及大使、中国科学院国立宇宙科学センター研究員および博士課程指導員、ニューハンプシャー大学理学博士、中国科学記者協会理事、宇宙科学技術教育連盟特別専門家

編集者 |ディン・ゾン

この記事は、「科学噂反論プラットフォーム」（ID: Science_Facts）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。