宇宙ゴミは深刻な問題ですか？放っておくとどうなるのでしょうか？

私たちは日々の仕事や生活から出るゴミを集めてゴミ箱に入れ、市の部門がリサイクルして処理します。人類が宇宙活動を始めて以来、宇宙で発生した廃棄物のほとんどはその場で廃棄され、宇宙に残されてきました。宇宙に放置されたこれらの機能しない人工物体は、航空宇宙技術者からは「宇宙デブリ」と呼ばれていますが、一般的には「宇宙ゴミ」として知られています。

宇宙ゴミの状況の模式図

宇宙に「ゴミを投げ込んだ」のは誰ですか？

1989年、宇宙デブリ監視機関は、宇宙線背景探査機と呼ばれる衛星が約76個の宇宙デブリを生成したことを発見しました。それらはすべて、直径が10cmを超える大型の宇宙デブリでした。

衛星は故障すると軌道上で崩壊し、宇宙ゴミの主な発生源の一つとなる。不思議なことに、衛星はデブリが発生した後も正常に動作し続け、異常動作により崩壊することはなかった。その後、衛星は寿命中の観測作業を全て無事に完了したが、宇宙ゴミの原因は解明されていない。同様の出来事はまれではあるが、この奇妙な現象の発生は、人々がまだ宇宙ゴミ生成のメカニズムを完全に十分に理解していないことを示している。

最も大きな宇宙ゴミは通常、故障した宇宙船自体から発生します。例えば、衛星が寿命を迎えた後に軌道離脱措置が取られなければ、衛星は軌道上に取り残された「死んだ星」となってしまう。

故障した衛星に加えて、衛星を軌道に乗せるロケットの第2段、第3段、または上段も、宇宙ゴミの主な発生源の1つです。これらの宇宙船には通常、まだいくらかの推進剤が残っています。打ち上げから1日後、あるいは数十年後に、残った推進剤が爆発し、数個から数百個の宇宙ゴミが発生する可能性があり、これらの破片の飛行速度はさまざまです。 2020年10月に発表されたESAの年次宇宙環境報告書によると、ロケットの残骸の爆発によって生じる宇宙ゴミが最も危険だという。

故障した衛星同士の衝突により、2つの大きな宇宙ゴミが大量の宇宙デブリに変わることになる。 2009年2月11日、長年廃棄されていた米国の通信衛星イリジウム33号とロシアの衛星コスモス2251号がシベリア上空で激しく衝突し、人類史上初の大規模な衛星同士の衝突を引き起こした。この衝突により、最大2,000個の大きな宇宙ゴミと、追跡できない多数の小さな宇宙ゴミが発生した。

さらに、宇宙船から落ちた部品や塗装の破片、さらには宇宙飛行士が船外活動中に誤って紛失したレンチや工具も宇宙ゴミとなる。宇宙ゴミは、大きさによって、一般的に大型ゴミ、危険ゴミ、小型ゴミの3つのカテゴリーに分類されます。そのうち、大きな破片は10cm以上の大きさです。これらの破片は潜在的に最も大きな被害をもたらす可能性があるが、地上の装置によって追跡、監視、分類することができ、活動中の宇宙船はそれらに対して回避行動をとることができる。 1センチ未満の小さな破片は追跡できないが、運動エネルギーが小さいため、宇宙船は防護構造を強化することで対処できる。大きさが1〜10センチメートルの破片は追跡できないものの、かなりの破壊力があり、宇宙船にとって最大の潜在的脅威となる可能性がある。そのため、これらは有害残骸と呼ばれています。 ESAのデータによると、2020年1月時点で宇宙にある大型デブリの数は3万4000個以上に達し、危険なデブリの数は約90万個に上るという。

ESAの宇宙ゴミ監視システム

「ゴミを隠す」ために、国際宇宙ステーションはかつて緊急に回避した

2015年7月16日の早朝、宇宙ゴミ監視機関が国際宇宙ステーションに危険な形で接近している宇宙ゴミを発見した。 36912 という番号が付けられたこの宇宙ゴミは、ディナープレートほどの大きさで、分解されたソ連の軍事気象衛星から生じたものです。衛星は軌道に乗ってから2年以上経って機能を停止し、その後数十年間にわたり破片が衛星から落ち続け、宇宙ゴミとなった。 36912 号は、かつては衛星の熱シールドの一部であった可能性があります。

「No.36192」は特殊な軌道を周回しているため、宇宙デブリ監視ネットワーク内のごく限られた局のみが監視することができます。 36192 は円盤状の形状と低質量のため、その軌道は太陽活動によって引き起こされる上層大気の密度の変化の影響を受けやすい。死角から再び観測範囲内に現れた時には、軌道が以前とは大きく変わっている可能性がある。同日早朝、宇宙デブリ監視機関がデブリの軌道データを更新したところ、デブリが数時間以内に国際宇宙ステーションに接近し、衝突の確率が1000分の1という非常に高い数値まで上昇したことが判明し、恐怖が広がった。

私たちの日常生活における出来事では、1000 分の 1 という確率は無視できるほど小さいかもしれませんが、より大きな宇宙ゴミが宇宙船に衝突した場合の結果は壊滅的となる可能性があるため、衝突リスクを評価する際には、非常に低い確率が警告しきい値として使用されます。現在の有人宇宙飛行の衝突回避手順によれば、衝突の確率が10万分の1を超える場合、衝突リスクは中程度となります。ミッションの通常の実行に影響がない場合は、宇宙船は宇宙デブリを回避するために軌道操作を実行する必要があります。衝突の確率が 1 万分の 1 を超える場合、宇宙船はいかなる状況でも軌道操作を行わなければなりません。衝突の確率が1000分の1というのは、すでに高リスクの脅威です。

しかし、危険が発見されたのが遅すぎたため、国際宇宙ステーションが破片を回避するには遅すぎた。

国際宇宙ステーションの客室の設計は宇宙ゴミに対する保護を考慮しており、客室の外側にはホイップル保護カバーが設置されています。この保護カバーは、1 層または複数層の薄い金属シートで作られています。宇宙ゴミが防護シールドに衝突すると、シールドが衝撃エネルギーの一部を吸収し、破片を分解させるため、破片が客室の外壁に与える影響が軽減されます。ホイップルシールドは、宇宙ゴミとの衝突から保護するために他のほとんどの宇宙船でも使用されている装置です。しかし、技術者が試算した結果、国際宇宙ステーションの防御能力は「36912」の衝撃に耐えるのに十分ではないことが判明した。宇宙ステーションに滞在する宇宙飛行士たちに、宇宙ステーションにドッキングしているロシアのソユーズ宇宙船内に避難することと、一部の客室のドアを閉めることを許可することしかできなかった。宇宙ステーションに破片が衝突した場合、このような対策により被害の影響を最小限に抑えることができます。宇宙ステーションが完全に崩壊した場合、ソユーズは救命ボートとして機能し、宇宙飛行士を宇宙ステーションから脱出させて地球に帰還させることができます。

国際宇宙ステーションから観測された宇宙ゴミの一部

幸いなことに、事件は被害なく終了しました。破片は最終的に時速約5万キロメートルの相対速度で国際宇宙ステーションを通過し、宇宙ステーションからわずか数千メートルの距離にまで到達した。国際宇宙ステーションは今回無事でしたが、宇宙ゴミの量が増え続けるにつれて、宇宙ゴミ衝突の脅威は今後も存在し続け、ますます高まるでしょう。

宇宙ゴミを放置したらどうなるでしょうか?

近年、SpaceX社のStarlinkやその他の低軌道通信衛星群は、宇宙ゴミ問題に新たな課題をもたらしている。スペース・エクスプロレーション・テクノロジーズ・コーポレーションの現在のビジョンによれば、スターリンク衛星インターネットで使用される衛星の総数は 12,000 基に上り、これは現在世界中の軌道上にある衛星の数の数倍に相当します。他の民間航空宇宙企業も、数百から数千に及ぶ低軌道通信衛星群に関する同様の計画を提案している。これほど多くの衛星がある場合、たとえ少数の衛星が故障したとしても、宇宙ゴミが発生するリスクはかなり大きくなります。

低軌道上の宇宙ゴミの模式図

関係機関の研究結果によると、数千機の小型衛星で構成された低軌道衛星群システムの場合、99％以上の衛星は任務を終えると廃棄され、役目を終えたらすぐに軌道を離れる必要がある。

正常に機能している衛星の場合、燃料は通常は確保されています。寿命が尽きそうになると、エンジンは衛星を制御するために使用され、衛星の軌道を下げ、すぐに大気と強く相互作用して落下し、燃え尽きる段階に入ります。しかし、運用中に衛星が予期せず故障した場合、すぐに軌道から外すことはできません。衛星と中層および上層の薄い大気とのゆっくりとした相互作用によって衛星の軌道が徐々に下がるのを待つしかありません。衛星が大気圏に突入して燃え尽きるまでには長い時間がかかるだろう。ハーバード・スミソニアン天体物理学センターが2020年11月に実施した調査によると、現在軌道上にあるスターリンク衛星800基のうち約3％が故障し、新たな宇宙ゴミとなっている。現在、外国政府部門が商用衛星が正常に軌道を離脱できないことに対する「許容範囲」は 10% であり、これは研究結果の 1% の失敗限界をはるかに上回っていることは明らかです。

宇宙ゴミが制御不能に増え続けると、「ケスラー効果」が引き起こされ、宇宙ゴミが宇宙空間で連鎖衝突する状態になり、宇宙ゴミの汚染により軌道資源が枯渇し、人類は特定の軌道に宇宙船を打ち上げることができなくなります。関係する研究者らは、将来的に宇宙の有効利用が失われることを避けるため、さまざまなルートを通じて政府部門や航空宇宙企業に対し、大規模通信衛星群がもたらす宇宙ゴミの新たな脅威に注意を払うよう呼びかけている。