私たちの頭は「ゴミ」で覆われているのでしょうか？宇宙ゴミの問題は無視できない

約２週間前、国際宇宙ステーションでぐっすり眠っていた宇宙飛行士たちが、地上管制センターから突然起こされた。彼らは急いで宇宙服を着て、安全手順に従ってシェルターに入り、いくつかの重要なハッチを閉じた。その直前、ロシアの発射場から対衛星ミサイルが発射され、数分後には数十年前に廃止されていたロシアの衛星コスモス1408号を迎撃した。

この衝突により、追跡可能な衛星の破片が1,500個以上発生したが、さらに数十万個は追跡が困難であると推定されている。その後、宇宙ソフトウェア会社AGIは、コスモス1408が一瞬にして低地球軌道に拡散した「破片星雲」になった様子をシミュレートしたG​​IFを作成した。

AGI シミュレーション GIF丨AGI

崩壊後の破片は地上から300～700キロメートルの宇宙軌道上に散乱した。破片の一部は国際宇宙ステーションからわずか40キロのところで外れ、ステーションに駐留していた7人の宇宙飛行士は脱出した。

ひとたび事故が起きれば、その結果は宇宙災害映画「ゼロ・グラビティ」に匹敵するほどだ。宇宙ステーションが破片によって損傷を受けた場合、乗組員は映画のように宇宙ステーションから避難し、ソユーズMS-19またはクルードラゴン宇宙船で地球に戻らなければなりません。

NASAのビル・ネルソン長官は、メディアのカメラの前でロシア軍が主導したこの実験を「言語道断」かつ「非道」だと非難した。国際宇宙ステーションは今回「幸運にも」危険を逃れたが、宇宙ゴミがもたらす影響と危機は常に長期にわたる。ちょうど1週間前、国際宇宙ステーションは緊急軌道変更操作を実施したばかりだった。14年前に破壊された別の気象衛星の残骸を避けるため、複数のスラスタを6分間噴射して軌道を1.1キロメートル上げたのだ。

衛星専門家のジョナサン・マクドウェル氏は、コスモス1408号の崩壊が次の「危険スイッチ」を押した可能性があると考えている。もちろん、宇宙ステーションと宇宙飛行士は、ますます「安全でない」宇宙環境に耐えることを学んでいます。

危険がいつ来るかを予測できるというのが前提です。

私たちの頭はゴミで覆われている

すべてはアメリカとソビエト連邦の間の宇宙開発競争から始まった。 1961年、ガガーリンは宇宙から地球を見下ろしました。ケネディは大いに刺激を受け、10年以内に月面着陸でソ連を追い抜くという大胆な発言をした。これまで、低地球宇宙軌道を漂う人工物体はわずか 50 個程度しかありませんでした。

1960年代から1980年代にかけて、ソ連とアメリカは交代で衛星攻撃実験を実施しました。 20年足らずの間に、旧ソ連による20回の核実験だけで、記録された破片（残骸）は700個に達しました。このような頻繁な爆発実験は国際的な非難を引き起こしている。その後数日で、ついに対衛星実験は停止した。しかし、衛星同士が偶然衝突する可能性があり、宇宙ゴミが発生するリスクも同様に深刻であることが分かっています。

宇宙デブリの形成 |ギフィー

記録に残る最初の衛星衝突は 1991 年に発生した。退役したロシアの航法衛星コスモス 1934 が、姉妹衛星コスモス 926 の破片によって真っ二つに破壊された。これは衝突の「静かな」バージョンと考えられていた。 2009年には、米国の通信衛星イリジウム33号が退役したロシアの衛星コスモス2251号と衝突し、さらに激しい衝突が起きた。1年以内に1,740個もの破片が確認された。これは人工衛星同士の初めての極超音速衝突であり、衝突速度は毎秒11.7キロメートルであった。

この衛星衝突後、宇宙ゴミの量も「ピーク」に達した。その後、国連宇宙空間平和利用委員会が採択した「宇宙デブリ緩和ガイドライン」では、軌道上の宇宙船は任務を終えた後、LEO（低地球軌道）に長時間留まることはできず、軌道から大気圏に落下する際には人に危害を加えないようにしなければならない、また、宇宙船がGEO（静止軌道）付近にある場合、将来の爆発の影響を防ぐ方法は退役後に宇宙船をより高次の「墓場軌道」に押し込むことである、といったいくつかの実施原則が強調された。

宇宙ゴミの大部分は低軌道上に存在します。重力と空気抵抗により、高度500キロメートル以下の宇宙ゴミは自然に大気圏に落ち、落下中に燃え尽きる可能性が高くなります。通信衛星が集中している静止同期軌道は、軌道傾斜角0度、軌道高度36,000キロメートルを満たすため、地球に対して比較的静止しています。ここで一旦スペースデブリが発生すると、「自然に消滅」することは極めて困難です。高度50キロメートル以上の「墓場軌道」が、この宇宙ゴミの最終目的地となる。

宇宙軌道を説明するのに「空」という言葉を使うのはもはや適切ではありません。公開データによると、2016年7月時点で運用中の衛星は1,419基あった。 3年後、この数は2,218に増加しました。しかし、それと同時に、ロケットの段階、宇宙船の残骸、機能しなくなった衛星、宇宙飛行士が誤って捨てた仕事や生活の廃棄物の数も増えました。私たちの頭上を浮遊しているのを追跡できる人工物の数は、18,000 個から 20,000 個に増加しました (記録済み)。

宇宙船が分解して宇宙ゴミになった丨Giphy

近年の商業スペースの開発により、混雑はさらに悪化しています。

ロケット打ち上げコストを桁違いに削減したイーロン・マスクを、すべての天文学者が称賛しているわけではない。彼らをさらに夜も眠れなくさせているのは、マスク氏のスターリンクだ。スターリンクは、最終的には高度330～1,300キロのさまざまな高度を周回する4万2,000基もの衛星で構成される可能性があるインターネットサービス衛星群だ。近年、マスク氏は1,892機の衛星を宇宙に打ち上げており、スターリンク以前に宇宙で運用されていた人工衛星の総数を上回っている。さらに、マクドウェル氏は、初期の打ち上げでは、スターリンク衛星の廃棄率は 3% であると計算しました。

今年4月、スペースX社が2度目の商業有人打ち上げを実施した際、眠りに落ちようとしていた4人の宇宙飛行士が突然目覚め、ドラゴン宇宙船が宇宙ゴミに衝突しようとしていると告げられた。幸いなことに、その後、地上管制センターから「スタッガー成功」の信号が受信されました。

早期警告ではすべての問題を解決できるわけではありません。宇宙ゴミの中には非常に小さいものがあり、目の前を飛んでいても反応する時間がないからです。

米国国防総省は、SSN（宇宙監視ネットワーク）で追跡可能な直径10cmを超える宇宙ゴミ27,000個を記録したカタログを保有している。 1～10cmのゴミが約50万個と推定される。 1mmから1cmの間には1億個以上あります。 10cmが境界線です。これより大きいスペースデブリに対しては、ランデブーや衝突の評価を行うことが有効です。

ますます混雑する宇宙軌道丨Giphy

追跡できない「小さなゴミ」は、より大きな潜在的なリスクをもたらします。 1960年代に、科学者たちは軌道速度をシミュレートする装置「軽ガス銃」を発明した。わずか 7 グラムのポリカーボネート製の発射体が秒速 7 キロメートルでアルミニウムのブロックに衝突すると、即座に「爆発」し、発射体自身の大きさの 5 倍の幅と 5 倍の深さのクレーターが発生します。

絶対に避けることのできない宇宙ゴミのために、国際宇宙ステーションはホイップルシールドで覆われています。この宇宙船の超高速衝撃保護構造は、1940年代に天文学者のフレッド・ローレンス・ホイップルによって発明されました。

元宇宙ステーション司令官のクリス・ハドフィールド氏によると、「宇宙ステーションで静かに過ごしていれば、『バンバン』という音は毎日聞こえるわけではないが、かなり頻繁に聞こえる」という。ハドフィールド氏はかつて、宇宙ステーションの太陽電池パネルに小さな穴が開いている写真を自身のツイッターに投稿したが、この穴はおそらく小さな「宇宙ゴミ」が原因だったと思われる。

クリス・ハドフィールドが言及した銃弾の穴 |ツイッター

ガベージコレクター

イリジウム33とコスモス2251の「遭遇」から4か月後、「激しい衝突」によって生じた破片は、それらがかつて占めていた軌道のほぼ全体を覆った。ドナルド・ケスラーが1978年に提唱した理論的仮説、すなわち、低軌道上の物体の密度が臨界点に達すると、衝突によって形成された破片がさらなる衝突を引き起こし、連鎖反応を起こす可能性があるという仮説が、再び真剣に受け止められ始めている。これが起こると、地球の軌道はゴミで満たされ、今後数百年間、人類が通常の宇宙探査を行うことができなくなる可能性があります。

事態が深刻である理由は他にもあります。この種の宇宙ゴミが「自然に消化」できる割合は、人々が想像するよりもはるかに低い。 2007年の衛星破壊実験後、発生したデブリの数は2010年に2,800個に増加し、2014年には3,000個を超えたが、そのうち自然に軌道から外れて燃えたのは10％未満だった。

それは、どんどん多くの車が割り込んできて、どんどん混雑していく高速道路でスピードを出しているようなものです。問題を生み出す人が増えていますが、幸いなことに、問題を解決できる人も現れ始めています。

Appleの共同創業者スティーブ・ウォズニアック氏は今年、新たなスタートアップ企業Privateer Spaceを発表した。 「宇宙会社」を設立した理由を尋ねられると、彼はこう答えた。「宇宙はますます混雑してきている。」 SpaceX のような企業が衛星を打ち上げるとき、彼らは私たちに宇宙の「Google マップ」を求めたいと思うかもしれません。

宇宙からの調査と地図作成は、より効果的な清掃と監視に向けた第一歩です。プライベーターは2回の打ち上げの承認を得ており、すべてが順調に進めば、それぞれ2022年2月と4月に実施される予定だ。プライベーターは3Dプリント技術を使用して衛星のシャーシを製造しており、シャーシの製造には強度と重量比に優れたチタン合金を使用しています。これにより、衛星はより重いセンサー、バッテリー、その他の機器を搭載できるようになります。プライベーターはまず、私たちが除去しなければならない宇宙ゴミの量とその場所を知りたいと考えています。

ウォズニアック氏は最終的な「技術的実装ロードマップ」をまだ発表していないが、プライベティア社はすでに別の宇宙ゴミ清掃会社アストロスケール社と協力し始めている。今年3月、アストロスケールの「技術実証衛星」ELSA-dが、180kgのキャッチャーと20kgの模擬宇宙ゴミを搭載してバイコヌール宇宙基地から打ち上げられた。

Astroscale デモ丨Astroscale 公式ウェブサイト

宇宙ゴミは常に回転しており、通信することは不可能です。キャッチャーには光学センサーが装備されており、検索、追跡、位置決め、検査の機能を備えています。模擬宇宙デブリには磁気ドッキングコンポーネントが付属しています。最終的に検証されるのは、キャッチャーと模擬破片が遠く離れているときに、キャッチャーが適切なタイミングで破片を吸収して大気圏に引きずり込み、燃焼させることができるかどうかだ。

今年11月、ネイチャー誌はユタ大学のジェイク・J・アボット教授率いるチームが発明した技術を掲載した。実装方法は、回転磁石を使用して非磁化金属物体を移動するという、アストロスケールのソリューションに似ています。金属片が変化する磁場にさらされると、内部の電子が円運動を始め、トルクと力が発生します。アボット氏は、回転磁石方式は接触型ロボットアーム方式の欠陥を回避できると述べた。宇宙ゴミがあまりに速く回転したり制御を失ったりすると、ロボットアームが壊れ、さらに多くの破片が発生するという。

日本のアストロスケールが初の宇宙船を打ち上げてから1か月も経たないうちに、中国の民間宇宙企業オリジンスペースが「宇宙採掘ロボット」を打ち上げ、そのリサイクル技術は宇宙ゴミの除去にも使える可能性があると述べた。同社の宣伝ビデオによれば、この掃除方法は「網で魚を捕る」ようなものだという。 JAXA（宇宙航空研究開発機構）も同様のアプローチを採用しています。 2016年には、ステンレス鋼とアルミニウムで作られた長さ700メートルの「漁網」が貨物宇宙船に積まれて国際宇宙ステーションに打ち上げられた。これは宇宙船が地球に帰還する際に放出され、電磁効果を利用して宇宙ゴミの動きを減速させ、大気圏に落下させるのに使われた。その結果、放出システムの故障によりミッションは失敗に終わりました。

『ウォーリー』で、ウォーリーとエヴァが宇宙船で地球から飛び出すときに、厚い宇宙ゴミの層を掘削しなければならないシーンは、私たちにとってもそう遠い昔のことではない。そのため、関係各社の事業進捗状況はまだ検証段階であるにもかかわらず、政府機関は発注開始を待ちきれない状況にある。

ESAは、2013年にベガロケットで衛星が打ち上げられた際に宇宙に残された衛星の支持具を清掃するため、クリアスペース社に初の宇宙ゴミ清掃注文（1億200万ドル）を発注した。クリアスペース社は2025年に宇宙船を打ち上げる予定だ。地球を周回する800kmの軌道上で、ロボットアームが支持具を捕獲し、大気圏に引きずり込んでから燃やす予定だ。

ClearSpace ミッション丨wikipedia

別の「保守派」グループの目には、積極的な介入は良い解決策ではない。千学森宇宙技術研究所の准研究員として認定されている知乎ユーザーの@ZX Huo氏の概算によると、衛星が10センチ級の宇宙ゴミと衝突するまでに、平均1,000年は「さまよう」必要があるという。このデータは5年前のものですが、今日でも、宇宙船が通常の寿命の間にスペースデブリに衝突する確率は極めて低いです。

保守派は、ゴミを除去するために衛星を打ち上げると、さらにゴミが増えることになるのではないかと懸念している。彼らの見解では、「綿密な監視、早期警告、相互回避」が現時点で追加負担を回避する最善の方法である。 ESAは毎年、墓場軌道への進入を試みなかった、あるいは進入に失敗した衛星を「通知し批判する」ための「速報」を発行している。

保守派と活動家が避けることのできない共通の問題は、宇宙ゴミの除去プロセスは遅いが、その増加率は爆発的であることだ。ケスラー効果の予測によれば、ある日、地球の軌道上に十分な数の物体が存在するようになると、衝突の壊滅的な連鎖は避けられなくなるだろう。

しかし、どれくらいの量で十分なのか正確には誰も知りません。

参考文献

[1]https://gizmodo.com/a-history-of-garbage-in-space-1572783046

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris

[3]https://www.zhihu.com/question/50794838

[4]https://marketresearchtelecast.com/steve-wozniaks-company-which-seeks-to-be-the-google-maps-of-space-will-launch-its-own-satellites-to-study-and-map-space-debris/207413/

[5]https://m.huxiu.com/article/356915.html?f=app_ios_friends

著者: Shen Zhihan Steedもこの記事に寄稿しています

編集者: 嘘つき虫

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