宇宙デブリ：増大する脅威と軌道上クリーンアップ技術

宇宙の探査と利用は、全球的な通信や航法から、気象予報や科学的発見に至るまで、人類に計り知れない利益をもたらしてきました。しかし、数十年にわたる宇宙活動の結果、宇宙デブリ（軌道デブリまたはスペースデブリとも呼ばれる）という増大する問題も生じています。このデブリは、運用中の衛星、将来の宇宙ミッション、そして宇宙活動の長期的な持続可能性に対して重大な脅威となっています。

宇宙デブリとは何か？

宇宙デブリとは、地球周回軌道上にある、機能していないすべての人工物を指します。これには以下のものが含まれます：

• 機能停止した衛星：運用寿命を終えたが、軌道上に留まっている衛星。
• ロケット本体：衛星を軌道に投入したロケットの上段部分。
• 破砕デブリ：爆発、衝突、または劣化によって分解した衛星やロケットの破片。
• ミッション関連デブリ：衛星の放出やミッション運用中に放出された物体（レンズカバーやアダプターリングなど）。
• 微小デブリ：塗料の破片や固体ロケットモーターのスラグのような非常に小さな物体でも、その高速性から重大な損傷を引き起こす可能性があります。

米国宇宙監視ネットワーク（SSN）は、低軌道（LEO）では10cm以上、静止軌道（GEO）では1m以上の物体を追跡しています。しかし、追跡するには小さすぎるが脅威となる、数百万個のより小さなデブリが存在します。

宇宙デブリの危険性

宇宙デブリがもたらす危険は多岐にわたります：

衝突リスク

軌道上では、デブリは非常に高速（LEOでは通常約7～8km/s）で移動するため、小さな破片でさえ運用中の衛星に重大な損傷を与える可能性があります。小さな物体との衝突でさえ、衛星を機能不全に陥らせたり破壊したりする可能性があり、貴重なサービスが失われ、さらに多くのデブリが発生することになります。

例：2009年、機能停止したロシアの衛星「コスモス2251号」が、運用中のイリジウム通信衛星と衝突し、数千個の新たなデブリが発生しました。

ケスラーシンドローム

NASAの科学者ドナルド・ケスラーによって提唱されたケスラーシンドロームは、LEOにおける物体の密度が十分に高くなり、物体間の衝突が連鎖反応を引き起こし、さらに多くのデブリを生成し、宇宙活動をますます危険で非実用的なものにするシナリオを指します。この暴走プロセスは、特定の軌道領域を何世代にもわたって使用不可能にする可能性があります。

ミッションコストの増加

衛星運用者は、デブリの追跡、衝突回避マヌーバの実施、衛星の耐衝撃性強化にリソースを費やす必要があります。これらの活動は、ミッションのコストと複雑さを増大させます。

有人宇宙飛行への脅威

宇宙デブリは、国際宇宙ステーション（ISS）を含む有人宇宙飛行に直接的な脅威をもたらします。ISSには小さなデブリから保護するためのシールドがありますが、より大きな物体に対してはステーションが回避マヌーバを行う必要があります。

宇宙デブリの現状

宇宙デブリの量は、過去数十年にわたって着実に増加しています。欧州宇宙機関（ESA）によると、2023年時点で以下のようになっています：

• 追跡されている10cm以上の物体は約36,500個。
• 1cmから10cmの物体は推定100万個。
• 1cm未満の物体は1億3000万個以上。

デブリの大部分はLEOに集中しており、この軌道は地球観測、通信、科学研究で最も頻繁に利用される領域でもあります。

軌道上クリーンアップ技術：問題への対処

宇宙デブリ問題に対処するには、デブリ低減、宇宙状況監視（SSA）、能動的デブリ除去（ADR）を含む多角的なアプローチが必要です。デブリ低減は新たなデブリの発生を防ぐことに焦点を当て、SSAは既存のデブリの追跡と監視を伴います。本ブログ記事の焦点であるADRは、軌道からデブリを能動的に除去することを含みます。

ADRのために、数多くの革新的な技術が開発・試験されています。これらの技術は、大まかに以下のように分類できます：

捕獲方法

捕獲方法は、デブリを軌道から離脱させるか、より安全な軌道に移動させる前に、物理的に掴んだり拘束したりするために使用されます。いくつかの手法が検討されています：

• ロボットアーム：デブリを掴んで操作できる多用途ツールです。様々な種類の物体を確実に保持するために、特殊なエンドエフェクタ（グリッパー）が装備されていることが多いです。
• ネット：大きなネットを展開して、特にタンブリングしている（回転している）または不規則な形状のデブリを捕獲します。捕獲後、ネットとデブリは一緒に軌道から離脱させることができます。
• ハープーン：ハープーンは、デブリに突き刺して固定するために使用されます。この方法は固体の物体を捕獲するのに適していますが、壊れやすいまたは損傷したアイテムには適していない場合があります。
• テザー：導電性テザーは、地球の磁場を利用してデブリを軌道から引きずり出すために使用できます。大きな物体を軌道から離脱させるのに効果的ですが、慎重な制御が必要です。
• フォームまたはエアロゲルによる捕獲：粘着性のあるフォームやエアロゲルの雲を使ってデブリを包み込み、捕獲する方法。このアプローチはまだ開発の初期段階にあります。

軌道離脱方法

デブリが捕獲されたら、軌道から離脱させる必要があります。つまり、地球の大気圏に再突入させて燃え尽きさせるのです。軌道離脱にはいくつかの方法が用いられます：

• 直接的な軌道離脱：スラスターを使用してデブリの軌道を直接下げ、大気圏に再突入させる方法。これは最も直接的な方法ですが、大量の推進剤を必要とします。
• 大気抵抗増強：大きなドラッグセイルやバルーンを展開してデブリの表面積を増やし、それによって大気抵抗を増加させて再突入を加速させる方法。
• 導電性テザー：前述の通り、テザーは地球の磁場との相互作用によって抗力を発生させ、軌道離脱にも使用できます。

非捕獲方法

一部のADR技術は、デブリを物理的に捕獲しません。これらの方法は、単純さとスケーラビリティの点で潜在的な利点を提供します：

• レーザーアブレーション：高出力レーザーを使用してデブリの表面を蒸発させ、その軌道を徐々に下げる推力を生み出す方法。
• イオンビームシェパード：イオンビームを使用して、運用中の衛星からデブリを押し離したり、より低い軌道に移動させたりする方法。この方法は非接触であり、捕獲中の衝突リスクを回避します。

軌道上クリーンアップミッションと技術の例

ADRの実現可能性を実証するために、いくつかのミッションと技術が開発されています：

• RemoveDEBRIS（欧州宇宙機関）：このミッションは、ネット、ハープーン、ドラッグセイルを含むいくつかのADR技術を実証しました。ネットを使用して模擬デブリの捕獲に成功し、自身の軌道離脱を加速させるためにドラッグセイルを展開しました。
• ELSA-d（アストロスケール）：このミッションは、磁気ドッキングシステムを使用して模擬デブリを捕獲し、軌道から離脱させる能力を実証しました。これは、サービサー衛星とデブリを模したクライアント衛星で構成されていました。
• ClearSpace-1（欧州宇宙機関）：2026年の打ち上げが計画されているこのミッションは、ヴェガロケット打ち上げ後に軌道上に残されたデブリの一部であるVespa（Vega Secondary Payload Adapter）の上段を捕獲し、軌道から離脱させることを目指しています。Vespaの捕獲にはロボットアームを使用します。
• ADRAS-J（アストロスケール）：ADRAS-Jミッションは、既存の大型デブリ（日本のロケット上段）にランデブーし、その状態と動きを特性評価するために設計されています。このデータは、将来の除去ミッションを計画する上で非常に重要です。
• e.Deorbit（欧州宇宙機関 - 提案）：ロボットアームを使用して大型の遺棄された衛星を捕獲し、軌道から離脱させる計画ミッション。このミッションは、大型で複雑なデブリを除去する技術的な実現可能性を実証することを目指しています。

課題と考慮事項

ADR技術の進歩にもかかわらず、いくつかの課題と考慮事項が残っています：

コスト

ADRミッションは開発と実行に費用がかかります。宇宙機を打ち上げ、軌道上で複雑なマヌーバを実行するコストは莫大になる可能性があります。デブリ除去を経済的に実行可能にするためには、費用対効果の高いADRソリューションの開発が不可欠です。

技術開発

多くのADR技術はまだ開発の初期段階にあり、さらなる試験と改良が必要です。信頼性が高く効率的な捕獲および軌道離脱方法の開発は、ADRミッションの成功に不可欠です。

法的・規制的枠組み

ADRに関する法的・規制的枠組みはまだ発展途上です。デブリ除去中に生じた損害に対する責任、除去されたデブリの所有権、そしてADR技術が攻撃目的で使用される可能性などについて疑問が残ります。責任ある持続可能なADR活動を確保するためには、国際協力と明確な法的ガイドラインの確立が必要です。

ターゲットの選定

除去するデブリの対象を正しく選定することは、ADRの取り組みの効果を最大化するために重要です。運用中の衛星に最大の脅威をもたらす、大きくリスクの高い物体を優先的に除去することが不可欠です。物体のサイズ、質量、高度、および破砕の可能性などの要因を考慮する必要があります。

政治的・倫理的考慮事項

ADRは、軍事目的での技術使用や他国の衛星を不当に標的にする可能性など、政治的・倫理的な考慮事項を引き起こします。これらの懸念に対処し、ADRがすべての利益のために使用されることを保証するためには、国際的な透明性と協力が不可欠です。

国際的な取り組みと協力

宇宙デブリ問題のグローバルな性質を認識し、数多くの国際機関やイニシアチブがこの問題に取り組んでいます：

• 国連宇宙空間平和利用委員会（UN COPUOS）：この委員会は、宇宙デブリ低減を含む宇宙関連問題に関する国際協力の場を提供しています。宇宙デブリ低減に関するガイドラインを策定し、これは宇宙開発国に広く採用されています。
• 機関間宇宙デブリ調整委員会（IADC）：この委員会は、宇宙機関が宇宙デブリに関する情報を交換し、活動を調整するためのフォーラムです。宇宙デブリ低減に関する合意ガイドラインを策定し、ADR技術の研究を推進しています。
• 宇宙持続可能性評価（SSR）：世界経済フォーラムが主導する、宇宙における持続可能な慣行を促進するイニシアチブ。SSRは、デブリ低減措置や衝突回避能力などの要因に基づいて、宇宙ミッションの持続可能性を評価します。

これらの国際的な取り組みは、協力を促進し、ベストプラクティスを共有し、宇宙デブリ問題に対処するための共通のアプローチを開発するために不可欠です。

軌道上クリーンアップの未来

軌道上クリーンアップの未来は、技術の進歩、政策の変更、国際協力の組み合わせになるでしょう。注目すべき主要なトレンドと動向は以下の通りです：

• ADR技術の進歩：ロボットアーム、ネット、レーザーアブレーションなど、より効率的で費用対効果の高いADR技術の継続的な研究開発。
• 軌道上サービス能力の開発：衛星の燃料補給、修理、再配置などの軌道上サービスを実行できる宇宙機の開発。これらの能力はデブリ除去にも利用できます。
• より厳格なデブリ低減措置の実施：宇宙開発国や機関による、衛星の寿命末期の軌道離脱や不活性化要件を含む、より厳格なデブリ低減措置の採用。
• 宇宙状況監視の向上：衝突リスクをより正確に評価し、回避マヌーバを計画するための宇宙デブリの追跡と監視の改善。
• 包括的な法的・規制的枠組みの確立：責任、所有権、軍事目的でのADR技術の使用などの問題に対処する、ADR活動に関する明確な法的ガイドラインの策定。

宇宙デブリ問題への対処は、宇宙活動の長期的な持続可能性を確保し、宇宙探査と利用が人類に提供する利益を維持するために不可欠です。ADR技術への投資、より厳格なデブリ低減措置の実施、そして国際協力を促進することで、将来の世代のためにより安全で持続可能な宇宙環境を創造することができます。

結論

宇宙デブリは、私たちの宇宙インフラと宇宙探査の未来に対する増大する脅威です。このリスクを軽減するためには、軌道上クリーンアップ技術の開発が不可欠です。大きな課題は残っていますが、進行中の研究、国際協力、そして政策の進展は、よりクリーンで安全な軌道環境への希望をもたらします。世界中の政府、宇宙機関、民間企業のコミットメントが、宇宙活動の長期的な持続可能性と、宇宙が人類に提供し続ける利益を確保するために極めて重要です。