宇宙ゴミは日々増加しています。どう対処したらいいでしょうか？ （下）

「増え続ける宇宙ゴミ、どう対処すべきか（前編）」では、主に宇宙ゴミの発生源や危険性について学びました。では、宇宙ゴミにはどのように対処し、防止すればよいのでしょうか?実際、さまざまな国の科学者たちが、これに対処するためのさまざまな方法を考え出しています。

予防が最善のアプローチ

低軌道上の宇宙ゴミの量が一定量を超えると、ドミノ倒しのような衝突が発生しやすくなり、悪循環を形成して追跡できない宇宙ゴミが多すぎる状態になります。この現象はケスラー症候群と呼ばれます。

そのためには、宇宙デブリの追跡・早期警戒の仕組みの構築、新たなデブリの発生抑制、軌道上からのデブリの積極的な除去、国際法の強化など、宇宙デブリ軽減対策を講じる必要があります。

現時点では、宇宙ゴミに対処する最も効果的な方法は、その発生を最小限に抑えることです。主な解決策は次のとおりです。

一つは、飛行ミッションに関係のない物体の打ち上げを減らし、バスに乗るのと同じような方法で宇宙船を共有することです。これにより、重複した打ち上げを減らしてコストを節約できるだけでなく、宇宙ゴミが発生する可能性も低減できます。

2つ目は、宇宙船が軌道上で分解するのを防ぐために宇宙船の設計を改善することです。

3つ目は、故障した宇宙船の軌道を調整して軌道から外すことです。

4 番目に、軌道上で故障した宇宙船は大量の破片の発生を引き起こす可能性があるため、定期的に監視します。

宇宙船の衝突や破片は大量の宇宙ゴミの発生源となります。衝突や破片化を減らすための効果的な対策としては、宇宙船の設計の改善や衝突確率の低い軌道の選択などが挙げられます。

宇宙デブリの発生を防ぐ具体的な方法としては、エネルギー散逸、テザリング、ジャンク軌道、再利用などが挙げられます。

いわゆる「エネルギー消散」とは、ロケットの上段や宇宙船が軌道上で爆発する原因となる可能性のあるすべてのエネルギーを除去することを意味します。対策としては、役目を終えたロケットの最終段に残っている推進剤や高圧ガスを使い切るか空にすること、最終段や宇宙船内のバッテリーの回路を永久に遮断することなどが挙げられる。これらの対策は不動態化処理とも呼ばれます。例えば、わが国の長征4号Bの上段ロケットは、衛星とロケットの分離後に排出システムを通じて「3放出」政策を実施し、タンク内のすべての液体、シリンダー内のすべてのガス、バッテリー内のすべてのエネルギーを放出しました。こうすることで、ロケット自体は他の宇宙船と衝突しない限り爆発することはありません。

さらに、地球近傍軌道でのミッション完了後の軌道離脱期間を25年から5年に短縮する計画もある。このため、宇宙船の設計では、捕獲と軌道離脱の利便性を考慮し、優先軌道デブリ除去リストを作成する必要があります。

テザーを使ってゴミを片付ける

「テザリング」とは、レンズカバー、留め具など、宇宙機の打ち上げ時や運用時に発生する廃棄物を宇宙機に繋ぎ止めることをいいます。例えば、検出器カバーを本体に接続する場合があります。しかし、この方法はまだ普及していません。

「ジャンク軌道」とは、寿命が尽きた宇宙船をその寿命が尽きる前に「埋める」ために特別に使用される特定の軌道に宇宙船を押し込むために残りの燃料を使用することを指します。退役した静止衛星のガベージ軌道は、通常、静止軌道より 300 ～ 400 キロメートル高くなります。この方法の欠点は、衛星燃料を消費し、衛星の寿命に影響を与えることです。そのため、搭載された電気推進システムを使用してゴミ軌道に押し上げることが検討される可能性があります。

宇宙の専門家は、打ち上げロケットや特定の宇宙船の再利用についても研究している。米国は、部分的に再利用可能なファルコン9およびファルコン・ヘビーロケット、部分的に再利用可能なカーゴ・ドラゴンおよびクルー・ドラゴン宇宙船の打ち上げに成功しており、再利用可能なスターシップ重ロケットおよび宇宙船を開発中です。中国と海外の研究者らは、廃棄される宇宙船の数を減らし、寿命を延ばすために、軌道上衛星の修理や軌道上燃料補給などの技術を利用、あるいは研究している。

我が国の宇宙ステーションは世界初の宇宙船の「母港」であり、同じ軌道を飛行する他の宇宙船の軌道上メンテナンスを行うことができます。例えば、我が国は「天宮」宇宙ステーションと同じ軌道を周回する「迅天」宇宙望遠鏡を打ち上げる予定です。長時間の飛行の後、必要に応じて宇宙ステーションに飛行し、「天宮」とランデブー・ドッキングし、宇宙飛行士は燃料の補給、機器のメンテナンス、ペイロード機器のアップグレードなどの活動を行う。その後、分離して元の軌道に戻り、作業を続けます。

宇宙デブリを削減するには、関連する宇宙法や規制の策定も必要です。近年、小型衛星の急速な発展により、宇宙物体の数が急増しています。特に、衛星の多くは機能が低く寿命が短いため、大量のスペースデブリが発生します。

そのため、小型衛星に関する法規制は現在、国際宇宙分野で大きな話題となっており、関係する国際機関では小型衛星の管理に関する宇宙交通管理ルールの検討が進められています。小型衛星は質量が小さく、コストが低く、数が多いため、宇宙環境に大きな影響を与え、より厳しい宇宙デブリ軽減要件に準拠する必要があります。宇宙交通管理を実施することは、軌道上の小型衛星の運用の安全を確保するための最も基本的な方法となります。

既存の宇宙ゴミをどう処理するか

今日、人類は10センチメートルを超える大きさの宇宙ゴミを監視し、正常に機能している宇宙船に衝突する前に、正常に機能している宇宙船を操縦することでそれを「回避」することができます。 1mmから1cmの宇宙ゴミは現時点では検出できないが、宇宙船自身の殻によって「対抗」できる。最も危険なのは1～10センチメートルの宇宙ゴミであり、監視によって「回避」することも、自らの殻との激しい衝突によって「抵抗」することもできない。

短期的にも長期的にも、宇宙ゴミの総量を減らし、最終的に蓄積された宇宙ゴミを除去することは困難です。現在、存在する宇宙ゴミに対処する最も実用的な方法は「隠す」ことです。宇宙ステーションは、衝突する可能性のある宇宙ゴミを避けるために、頻繁に軌道を変更します。 2021年、中国の宇宙ステーションも米国のスターリンク衛星を避けるために2回の緊急軌道変更を行った。

軌道上にある米国の「宇宙ベースの宇宙監視」システム衛星の概略図

「回避」の前提条件は、宇宙デブリの軌道を正確に監視・計算し、宇宙船に早期警告を発することです。宇宙物体の地上監視は、一般的にレーダー監視と光学監視の 2 種類に分けられます。レーダーは主に低軌道物体の監視に使用され、光学は主に高軌道物体の監視に使用されます。

近年、米国は地球軌道上のすべての飛行物体を何の支障もなく継続的に監視できる「宇宙ベースの宇宙監視システム」衛星も打ち上げました。ドイツは、レーザー精密測距と受動光学追跡を組み合わせた方法を採用し、望遠鏡を使用して宇宙デブリの角度座標を決定すると同時に、レーザー測距技術を使用して宇宙デブリの距離を測定し、宇宙デブリの位置を計算することを計画している。わが国の紫金山天文台は、2005 年にはすでに光学望遠鏡を使って宇宙物体の監視を始めました。

さらに、宇宙船はさまざまな「反」保護方法を採用することもできます。たとえば、脆弱なコンポーネントの位置を調整し、シールド保護を使用して表面を強化します。すべての宇宙船は、0.1～1cmのデブリに対処するために遮蔽保護構造を使用できますが、1～10cmのデブリに対処するには特別な設計が必要です。この方法の欠点は、宇宙船の製造と打ち上げのコストが増加するため、宇宙船の「防弾チョッキ」は強度と軽量性を兼ね備えた新しい素材で作らなければならないことです。

国際宇宙ステーションの宇宙飛行士は、船外活動中にステーション外の重要な場所にいくつかのアルミニウムシールドを設置しました。我が国の天宮1号目標宇宙船と天宮2号宇宙実験室の実験室の外側にも特別な保護装置が設置されています。

中国の神舟18号と19号の乗組員は、宇宙ステーションにデブリ防護装置を設置したか、設置する予定である。この装置は、大きさが1センチ未満で検出が難しい多数の微小なデブリから宇宙ステーションを守ることができる。デブリシールドは、エネルギーを吸収し、宇宙ステーションへのダメージを軽減できる特殊な素材で作られています。

宇宙遊泳を行う宇宙飛行士は、主に宇宙服で身を守っていますが、もちろん、宇宙船の客室を破片のある場所に残さないことが最善です。 10 cm を超える破片の場合、重量と体積の制限により、このサイズの破片から保護することは現実的ではありません。正確な軌道パラメータがわかっている場合、衝突を回避する唯一の方法は軌道操作です。

天宮1号と天宮2号の前面にある密閉された実験室の側壁には、防弾チョッキを着せるのと同等の特殊な保護板が装備されている。 2～3mmの厚さの金属コートが施されています。 5 mmの漏れが発生した場合でも、天宮1号と天宮2号は約80分間、客室の圧力を70 kPa以上に維持できるため、宇宙飛行士は脱出する時間を持つことができます。

新しい技を研究する

現在、世界の多くの国々では、宇宙ゴミの収集、焼却、軌道離脱など、宇宙ゴミを管理するためのさまざまな新しい方法を積極的に研究しています。

欧州宇宙機関は、2025年に世界初の軌道上宇宙ゴミ除去ミッションを開始し、軌道上で宇宙ゴミを除去する技術をテストするためにCleanSpace-1宇宙船を打ち上げる予定だ。この宇宙船は、新しいタイプの4本腕のゴミ収集ロボットです。体の外側には網やロボットの触手のような形をした特殊な装置が取り付けられており、宇宙ゴミを掴んでしっかりと保持することができる。

スペースクリーナー1の概略図

スペースクリーン1は重量が400キログラム未満で、「高度な自律性」を備え、特殊な金属材料で作られているため、宇宙ゴミの衝突によって任務を遂行できなくなることはない。計画によれば、スペースクリーン1号はまず調整と試験のため高度500キロメートルの軌道に送り込まれ、その後、高度600キロメートル以上の軌道に変更して「ベガ二次ペイロードアダプター」を捕捉し、最終的にこの模擬宇宙ゴミを大気圏に引きずり込んで燃やす予定だ。上記の実験が成功すれば、軌道上の宇宙ゴミを除去する将来のミッションへの道が開かれることになる。

日本は電気テザーシステム除去技術を研究している。大型の宇宙ゴミを除去するのに適しており、貨物宇宙船に搭載することもできます。貨物宇宙船のテザーシステムが宇宙ゴミを検出すると、ナビゲーション衛星を頼りに徐々に宇宙ゴミに近づき、距離が十分近づいたら光学カメラを使って協力して宇宙ゴミを掴み取ることができます。

しかし、一部の専門家は、この技術は難しく、コストがかかり、非効率的だと考えています。また、2024年7月22日には、日本のアストロスケールがELSA-M宇宙タグボートを使用して、2026年に機能停止したワンウェブの低軌道ブロードバンド衛星を除去する予定であると報じられた。ELSA-Mは、ミッション完了後5年以内に大気圏に再突入して燃え尽きる予定である。

2016年6月25日、我が国は長征7号の初打ち上げ時に奥龍1号試験ペイロードを軌道に乗せ、世界初となる宇宙ゴミの能動的な軌道離脱試験を実施しました。このプロジェクトは宇宙ゴミを模擬し、ロボットアームで模擬宇宙ゴミを掴み、大気圏に持ち込んで燃やすという能力を備え、宇宙ゴミを除去するための重要な技術を検証することを目的としています。今後、我が国は宇宙環境管理ロボットなどの分野でも技術研究を行っていきます。

上記のすべては、ランデブー、捕獲、除去技術を使用して宇宙ゴミを捕獲し、地球の大気圏に引きずり込んで燃やし、分解します。この方法は成熟しており信頼性が高いですが、コストが比較的高くなります。

この目的のために、一部の研究者は宇宙ゴミに対処するための他の方法も提案している。例えば、「燃焼法」は、高出力レーザーを使って宇宙ゴミを照射し、ゴミを粒子に分解してから軌道から急速に崩壊させるというものである。小さなゴミであれば、強力なレーザーを使って燃やし、ガス化することも可能です。しかし、このアプローチは簡単に宇宙戦争につながる可能性があります。

また、宇宙ゴミを本来の軌道から外したり、直接大気圏に落下させて燃え尽きさせたりする「デオービット方式」もある。または寿命が短い軌道（25年未満）に転送します。宇宙船自身の推進システムを使用して軌道を変更することに加えて、大面積のセイルボードや膨張式パラシュートなど、大気抵抗を増やす宇宙船上の装置を作動させることで、宇宙船の速度を低下させ、軌道を離れ、最終的に大気圏に再突入して燃え尽きることも可能である。

この方法は、600～700キロメートル以下の軌道上の宇宙ゴミの処理に適しています。比較的シンプルで姿勢制御を必要としません。宇宙デブリが高度1,200キロメートルを超えると、大気の抵抗がなくなり、太陽光の圧力を利用して軌道から外すことができます。

軌道離脱とは、宇宙ゴミを大気圏に直接降下させて燃え尽きさせるか、寿命の短い軌道（25年未満）に移すことによって、宇宙ゴミを元の軌道から外すプロセスです。宇宙船自身の推進システムを使用して軌道を変更することに加えて、大面積のセイルボードや膨張式パラシュートなど、大気抵抗を増やす宇宙船上の装置を作動させることで、宇宙船の速度を低下させ、軌道を離れ、最終的に大気圏に再突入して燃え尽きることも可能である。

この方法は、600～700キロメートル以下の軌道上の宇宙ゴミの処理に適しています。比較的シンプルで姿勢制御を必要としません。宇宙デブリが高度1,200キロメートルを超えると、大気の抵抗がなくなり、太陽光の圧力を利用して軌道から外すことができます。

高エネルギーのパルスレーザービームを宇宙デブリの表面に照射してプラズマを生成し、外部に排出するアクティブレーザー除去技術も利用可能。外側に放出されたプラズマはスペースデブリに逆方向の力を生み出し、スペースデブリの速度を低下させます。この技術は、宇宙ゴミの積極的な除去に必要な条件をすべて満たしているため、将来性は広く、現在、重要な技術研究が進められています。

スプレー除去技術も使用できます。宇宙デブリにガス、液体、イオンビームなどを噴射し、宇宙デブリの飛行抵抗を増加させ、宇宙デブリの飛行速度を低下させる。この技術は制御性が低いです。

宇宙ゴミを減らす方法は他にもあります。たとえば、発泡金属製の宇宙船は、大気圏に再突入するとすぐに完全に燃焼してガスになります。軽量で安価なセラミックやポリマー素材が開発され、宇宙船の表面に添加され、小さなゴミの衝撃に耐えるシールドが作られます。

2024年11月4日、日本が開発した世界初の木殻型人工衛星が打ち上げられた。廃棄されて大気圏に再突入すると、木材は燃え尽きてしまいます。現在の金属製の衛星は、退役して地球に帰還すると、環境や通信に悪影響を及ぼす金属粒子を排出することになる。

宇宙ゴミに対処するためのアイデアは無数にありますが、それらはすべて、宇宙ゴミをこれ以上生成しないことと、コストが比較的低く抑えられることを条件としています。現時点では、上記の技術のほとんどはまだ「論文発表」の段階にあり、長期間にわたる徹底的な調査と継続的な実験が必要です。

つまり、宇宙ゴミへの対処は、人類が共有する宇宙環境を保護するために協力し合うために、すべての国が注意を払い、広範な国際協力を行う必要がある、学際的、包括的、かつ長期的な課題です。

著者: パン・ジーハオ

国立宇宙探査の主任科学コミュニケーション専門家

編集者: 董暁賢

レビュアー: Liu Kun と Li Peiyuan