低軌道の清掃の時期：増大する宇宙ゴミの脅威への対応

低軌道 (LEO) は、通信、地球観測、航行、科学研究のための衛星を収容するなど、長い間、宇宙における人類の活動にとって重要な領域でした。しかし、この領域は、機能しなくなった衛星の残骸、廃棄されたロケットの段階、偶発的な衝突など、宇宙ゴミの投棄場所にもなっています。軌道上の衛星の数が増え続けるにつれて、ゴミや壊滅的な衝突のリスクも高まり、専門家はこの深刻化する環境問題に対処するために早急な行動を求めています。

低軌道における宇宙ゴミの状況

宇宙ゴミは、軌道ゴミや宇宙ごみとも呼ばれ、地球の周回軌道上にある、もはや役に立たなくなった人工物です。これには、使用済みのロケットの段階や廃棄された衛星から、衛星の衝突や爆発による破片まで、あらゆるものが含まれます。NASA によると、現在 LEO には直径 10 cm を超える物体が 34,000 個以上あり、1 cm から 10 cm の破片が 900,000 個と推定され、さらに小さな破片が 1 億 2,800 万個以上あります。

これらの物体は追跡が困難ですが、小さな破片でも大きなリスクをもたらす可能性があります。時速 28,000 km の速度で移動するため、小さな破片でも運用中の衛星、宇宙船、さらには国際宇宙ステーション (ISS) に深刻な損害を与える可能性があります。有名な例の 1 つは、2009 年に発生した米国の通信衛星イリジウム 33 とロシアの軍事衛星コスモス 2251 の衝突です。この 1 回の衝突で 2,200 個を超える破片が発生し、その 1 つ 1 つがさらなる衝突のリスクを高めています。

ケスラー症候群：宇宙汚染の悪循環

ケスラー症候群は、1978 年に初めて提唱した NASA の科学者ドナルド J. ケスラーにちなんで名付けられ、低軌道 (LEO) の宇宙ゴミの密度が非常に高くなり、衝突のリスクが急激に増加したときに発生する壊滅的な連鎖反応を指します。衝突する衛星やゴミが増えると、それらはさらに小さな破片に砕け、他の宇宙船や衛星にさらなる危険をもたらします。衝突のたびにゴミがさらに増えるこの自己永続的な破壊のサイクルは、宇宙開発に携わる国、企業、科学者にとってますます大きな懸念事項となっています。

ケスラー症候群のメカニズム

ケスラー症候群は単なる理論上の問題ではなく、近い将来に劇的に拡大する可能性のある非常に現実的なリスクです。その仕組みは次のとおりです。

1. 増加するデブリ密度地球に最も近い宇宙領域である LEO (高度 2,000 キロメートル未満) は、過去数十年にわたってますます混雑しています。機能しなくなった衛星、使用済みのロケット段階、以前の衝突による破片など、何万もの物体がすでに地球を周回しています。SpaceX の Starlink などの衛星群の急速な拡大により、この問題は加速しています。
2. 最初の衝突: 2 つの物体が LEO で衝突すると、数千の小さな破片に分裂します。これらの破片は元の物体よりも小さいですが、それでも非常に高速で移動しており、通常は時速約 28,000 キロメートルです。小さな破片でも、運用中の衛星や宇宙船に深刻な損傷を与える可能性があります。
3. 衝突の伝播ケスラー症候群の主な特徴は、これらの破片自体が衝突の危険をもたらすことです。破片は生成されると、高速で宇宙空間を移動し、将来の衝突の可能性が高まります。これらの新しい衝突により、さらに多くの破片が生成され、さらに衝突が起こり、フィードバック ループが形成されます。
4. 指数関数的成長ケスラー症候群の最も憂慮すべき点は、その急激な増加です。高密度の軌道上での 1 回の衝突が、衝突の連鎖を引き起こし、宇宙空間の破片の量を急速に増大させます。破片が増えるごとに、将来の衝突の可能性が高まり、制御不能で加速する破壊のサイクルを引き起こします。

宇宙活動への影響

ケスラー症候群は、宇宙の継続的な利用と探査に大きな課題をもたらします。最も悲惨な結果のいくつかを以下に示します。

1. 運用中の衛星に対するリスクの増大: LEO の衛星は、すでにデブリとの衝突による重大なリスクに直面しています。軌道上の物体の密度が増加すると、稼働中の衛星が損傷または破壊される可能性も高くなります。地球観測、通信、ナビゲーションなどのミッションに携わる宇宙船は、デブリに衝突すると動作不能になる可能性があります。これは、政府と民間の宇宙活動の両方にとって、大きな財務的および運用上のリスクとなります。
2. 有人宇宙飛行への脅威国際宇宙ステーション（ISS）やその他の有人宇宙船は、宇宙ゴミに対して特に脆弱です。ISS には小さなゴミから身を守るためのシールドが装備されていますが、宇宙空間を移動する物体の速度を考えると、小さな破片でも壊滅的な被害を引き起こす可能性があります。特定の軌道上のゴミの密度が今後も増加し続けると、月や火星などの目的地への有人宇宙飛行を含む宇宙ミッションが、はるかに危険で費用のかかるものになる可能性があります。
3. 使用可能な軌道空間の喪失衝突が増えるにつれ、危険にさらされるのは個々の衛星だけではなく、軌道の領域全体です。ケスラー症候群が臨界点に達すると、圧倒的な破片の脅威により、LEO の高度全体が使用できなくなる可能性があります。これにより、将来の衛星打ち上げが制限され、衝突のリスクなしに新しい衛星を軌道に乗せることが困難、または不可能になる可能性があります。地球の周りの空間がますます安全でなくなるにつれて、人類は宇宙の特定の部分を完全に放棄せざるを得なくなる可能性があります。
4. 宇宙探査への影響地球の軌道を越えた宇宙探査も、宇宙を安全に横断する能力に依存しています。ケスラー症候群により、月、火星、その他の天体などの目的地に宇宙船を送ることがより困難になる恐れがあります。低軌道に宇宙ゴミが溢れると、衝突のリスクにより打ち上げの機会がより危険で高価になり、探査活動が停滞したり停止したりする可能性があります。

転換点：もう手遅れなのか？

専門家は何年も前から、ケスラー症候群が制御不能に陥る重大な転換点にすでに近づいているかもしれないと警告してきた。一部の推定では、現在の宇宙ゴミの量と衛星群の急速な拡大が相まって、ゴミの発生量が除去作業量を上回る状況につながる可能性があると示唆している。そうなると宇宙はますます危険でアクセスしにくくなり、人類はリスクとコストの増大のサイクルに閉じ込められる可能性がある。

実際、この現象の兆候はすでに現れています。たとえば、2009 年には、イリジウム 33 通信衛星がロシアの運用停止衛星コスモス 2251 と衝突し、2,000 個を超える破片が発生しました。それ以来、ニアミスや危機一髪の事故が何度も発生し、LEO の破片は増え続けています。Starlink のような巨大衛星群の増加は、宇宙交通量が増加し、衝突のリスクが高まるため、問題をさらに悪化させるだけです。

NASA、欧州宇宙機関 (ESA)、民間企業などの組織がデブリ除去技術に取り組んでいる一方で、ケスラーシンドロームの緩和という課題は膨大です。アストロスケールやクリアスペースが開発しているようなアクティブデブリ除去 (ADR) システムは、ある程度の解決策を提供できるかもしれませんが、コストが高く、国際協力が必要です。宇宙をクリーンアップし、デブリ生成に対するより厳しい規制を実施するための迅速かつ協調的な取り組みがなければ、ケスラーシンドロームによって何世代にもわたって宇宙へのアクセスが制限される未来に直面することになるかもしれません。

ケスラー症候群を予防するにはどうすればいいでしょうか?

ケスラー症候群を予防し、その影響を軽減するには、次のような多面的なアプローチが必要です。

• 国際協力宇宙は地球規模の共有財産であり、宇宙ゴミ問題を解決するには、すべての宇宙開発国の協力が必要です。宇宙ゴミのさらなる蓄積を防ぐためには、ゴミの軽減と除去の基準を定める国際協定と政策が不可欠です。
• アクティブデブリ除去（ADR）ADR の技術的進歩は、軌道上のデブリの量を減らすのに役立つ可能性があります。これには、宇宙から放置された衛星やその他の物体を捕獲して除去し、運用中の宇宙船への危険となるのを防ぐシステムの開発が含まれます。
• 瓦礫軽減対策新しい衛星の設計では、デブリ軽減を優先する必要があります。これには、衛星のミッション寿命の終わりに自己破壊するメカニズム、より優れたシールド、衛星が安全に軌道から外れることを保証するシステムなどの機能が含まれます。
• 持続可能な衛星運用宇宙機関と民間企業は、衛星運用において持続可能性を優先する必要があります。これには、機能しない衛星の数を減らすこと、衛星の意図的な破壊を避けること、宇宙ゴミの発生を最小限に抑えることが含まれます。

ケスラー症候群は、人類の宇宙における将来にとって最大の課題の 1 つです。放置すると、地球の軌道の広大な領域が使用不能になり、宇宙探査や衛星通信がますます困難になり、不可能になる可能性があります。この問題に対処するには、世界規模の協調的な取り組み、革新的な技術、持続可能な宇宙活動への長期的な取り組みが必要です。今すぐ行動すれば、ケスラー症候群が現実になることを防ぐことができます。

宇宙デブリの経済的および運用上のコスト

宇宙ゴミは、環境問題としてだけでなく、宇宙事業体にとっての重大な経済的、運用上の課題としてもますます認識されつつあります。低軌道 (LEO) のゴミの量が増え続けるにつれて、衛星事業者、宇宙機関、さらには民間宇宙企業にかかる財政的、運用上の負担はますます顕著になっています。これらのコストは、衝突の直接的な影響に限定されるものではなく、ゴミのリスクを管理し、軽減する継続的な必要性からも生じます。

衝突回避操作の強化

宇宙ゴミによってもたらされる主な運用上の課題の 1 つは、衛星オペレーターが衝突を避けるために宇宙船の軌道を常に監視し調整する必要があることです。ほとんどの稼働中の衛星が存在する LEO では、物体は時速 28,000 キロメートル (時速約 17,500 マイル) の速度で移動します。機能停止した衛星の破片や使用済みロケットの段階など、小さなゴミでも運用中の宇宙船に重大な損傷を与える可能性があります。そのため、衛星オペレーターは定期的に衝突回避操作を実行する準備をする必要があります。

破片との衝突を避けるために衛星の軌道を調整するこれらの操作には、いくつかの関連コストが伴います。

• 燃費: 各操作には推進剤が必要ですが、衛星の燃料は限られた資源です。衛星の寿命中に何度も調整が必要になると、燃料備蓄が急速に枯渇し、衛星の運用寿命が制限される可能性があります。つまり、当初の計画よりも早く衛星を交換する必要があり、衛星群の維持と拡張にかかるコストが増加する可能性があります。
• 衛星の消耗の増加衛星が軌道を変えるたびに、ハードウェアとシステム、特に推進機構と姿勢制御機構にさらなる負担がかかります。時間が経つにつれて、摩耗が加速し、修理の頻度が増えたり、衛星が早期に故障したりする可能性があります。
• 代替衛星のコスト: 衛星の頻繁な交換が必要になると、直接的なハードウェア コストが増加するだけでなく、打ち上げや展開に関連する運用コストも増加します。衝突回避操作により衛星の寿命が短くなると、新しい衛星を早めに打ち上げなければならなくなり、衛星ネットワークを維持するための全体的な財政的負担が増加します。

衛星通信における最も野心的なプロジェクトの 1 つである SpaceX の Starlink コンステレーションは、この問題の規模を示す明確な例です。2022 年 12 月から 2023 年 5 月までの間だけで、Starlink は衛星がデブリと衝突するのを防ぐために 25,000 回以上の衝突回避操作を実行する必要がありました。同社は、グローバル ブロードバンド ネットワークの一部として最大 42,000 基の衛星を展開する予定であり、衝突のリスクとそれに伴うコストはさらに増大します。これほど多くの操作を実行する必要があることは、混雑した軌道環境で運用することの難しさと、デブリ関連のリスクを管理する継続的な財政的負担を浮き彫りにしています。

残骸の監視と追跡

衝突のリスクを軽減するために、衛星運用者と宇宙機関は軌道上のデブリを常に追跡する必要があります。これには、直径 10 cm ほどの小さな物体を検出できる高度な宇宙監視システムが必要です。宇宙デブリの量が増えているため、追跡と管理に必要なリソースが急速に拡大しています。

• 宇宙状況認識（SSA）NASA や欧州宇宙機関 (ESA) などの宇宙機関は、地上のセンサー、レーダー システム、望遠鏡のネットワークを利用して、増え続ける宇宙ゴミを監視しています。これらのシステムから生成されるデータは、衝突の可能性を予測し、衛星オペレーターが適時に回避行動をとるのに役立ちます。ただし、これらのシステムの維持とアップグレードにはコストがかかり、特にゴミの量が増えるとコストが増大します。追跡するゴミが増えるほど、正確でタイムリーな予測を行うために、より多くのセンサー、コンピューティング能力、および人的リソースが必要になります。
• 監視インフラストラクチャのコスト: 堅牢な地球規模の追跡ネットワークの必要性は、政府と民間の両方がインフラに多額の投資をしなければならないことを意味します。レーダー ステーション、観測所、データ処理センターの構築と維持に加えて、運用中の宇宙船に脅威を与える小さな破片を確実に検出できるようにするために、継続的なアップグレードが必要です。打ち上げられる衛星の数が増えるにつれて、破片を監視するための財政的および技術的な負担は大きくなるばかりです。
• 検出されない衝突のリスク: SSA の進歩にもかかわらず、小さな破片 (10 cm 未満) が検出されないリスクは常に存在します。宇宙ゴミの大部分を占めるこれらの小さな破片は追跡が非常に難しく、依然として大きな損害を引き起こす可能性があります。このような物体を検出できないと、検出されない衝突のリスクが高まり、問題がさらに複雑になります。

政府宇宙機関への財政的負担

NASA、ESA、その他の宇宙関連組織などの政府機関も、宇宙ゴミの経済的影響から逃れることはできません。これらの機関の多くは宇宙の探査と科学的利用に重点を置いていますが、運用中の宇宙船の保守やミッションの安全確保も担当しています。ゴミの量が増えると、ゴミの追跡、衝突回避、軽減活動に関連するコストも増加します。

• 運用予算の増加: 宇宙ゴミの量が増えるにつれ、政府機関は宇宙ゴミの管理に予算をより多く割り当てざるを得なくなります。これには衝突を防ぐ技術の研究開発、およびゴミ追跡システムと衝突回避操作の運用コストへの資金が含まれます。たとえば、NASA の軌道ゴミプログラム オフィスは、宇宙からゴミを除去し、さらなる危険を生じさせないようにする方法の研究に専念しています。
• 緩和プログラムNASA、ESA、およびその他の組織は、機能停止した衛星や大きな破片を捕獲して軌道から外すことを目的としたアクティブ・デブリ除去（ADR）システムに取り組んでいます。ただし、これらのシステムはまだ実験段階にあり、多額の投資が必要です。ADR技術の開発と導入には、非常に高額な費用がかかる可能性があります。大きな破片を1つ軌道から除去するだけでも数百万ドルの費用がかかる可能性があるからです。
• 打ち上げコストの上昇: 低軌道にデブリが溢れるにつれ、新しい宇宙船との衝突リスクがより大きな懸念事項となります。これにより、追加の安全対策、保険、およびペイロード保険料の上昇の可能性により、打ち上げコストがさらに高くなる可能性があります。民間および政府の宇宙ミッションの運用コストの増加は、宇宙へのアクセスコストの全体的な上昇につながり、宇宙産業の収益性に影響を与える可能性があります。

将来の宇宙開発とイノベーションへの影響

宇宙ゴミの経済的影響は、宇宙探査、衛星ネットワーク、技術革新の将来にも幅広い影響を及ぼします。宇宙ゴミに対処するための運用コストが上昇するにつれ、特に低軌道衛星に依存する新しいミッションを開始する経済的実現可能性が疑問視される可能性があります。企業や政府は、ゴミ軽減の解決策を開発するようますます圧力を受けることになり、そのためには新しい技術と国際協力への多大な投資が必要になります。

さらに、世界的なインターネット カバレッジ (例: Starlink)、地球観測、科学研究に使用されるような新しいタイプの衛星を打ち上げる可能性は、宇宙ゴミによって妨げられる可能性があります。ゴミ関連のリスクによる衛星の建造、打ち上げ、運用のコストの上昇により、ミッションの数が制限され、衛星サービスと宇宙探査のイノベーションが阻害される可能性があります。

能動的デブリ除去（ADR）技術の役割

宇宙ゴミが蓄積し続ける中、衝突のリスクを軽減するために、アクティブデブリ除去 (ADR) 技術が重要な焦点となっています。ADR では、特殊な宇宙船またはロボット システムを使用して、機能しなくなった衛星、使用済みのロケット段、その他のデブリを軌道から捕捉して除去します。これにより、ADR は運用中の衛星や宇宙ミッションへのさらなるリスクを防ぐのに役立ちます。

開発中のADRテクノロジー

瓦礫除去には、次のようないくつかの技術が検討されています。

• 網と銛: 大きな破片を捕獲するために使用されます。
• ロボットアーム: 軌道上の破片を物理的に掴み除去するように設計されています。
• 宇宙ベースのレーザー小さな破片をより低い軌道に押し込み、再突入時に燃え尽きさせる提案。

主なADRイニシアチブ

• クリアスペース英国: 捕獲メカニズムを使用して廃棄された衛星を除去することに重点を置いています。
• アストロスケールのCOSMICミッション: 1回のミッションで複数の破片を除去する宇宙船の開発を目指します。
• 残骸を取り除く宇宙ゴミを捕獲するための網や銛などの技術をテストする欧州連合支援のプロジェクト。

課題

ADR には将来性がありますが、いくつかの課題が残っています。

• 高コスト: 必要な技術とミッションの開発と運用には多額の費用がかかります。
• 破片を狙う軌道上の破片を捕獲するのは、破片の速度が速く、破片のサイズもさまざまであるため複雑です。
• 技術開発ADR テクノロジーは、実際の状況でまだテストされ、改良されています。

長期的な重要性

課題はあるものの、ADR は宇宙活動の持続可能性を確保する上で極めて重要です。ADR 技術は、デブリを除去することで将来の衝突を防ぎ、運用中の衛星を保護し、将来のミッションのために宇宙へのアクセスを確保することに役立ちます。まだ開発中ですが、ADR は長期的な宇宙の安全性にとって重要な要素であると考えられています。

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新たなデブリの発生を防ぐ：国際規制の役割

既存のデブリを除去することは重要ですが、それ以上の蓄積を防ぐことも同様に重要です。そのためには、宇宙ゴミの発生を減らすことを目的とした規制を確立し、施行するための世界的な協力が必要です。現在、宇宙ゴミの管理を監督する単一の国際機関はなく、宇宙開発国はこの問題を抑制するための効果的な規制を実施できていません。

国連宇宙部（UNOOSA）やその他の国際機関は、宇宙船がミッション終了時に軌道離脱操作を行うのに十分な燃料を搭載することを要求するなど、宇宙ゴミの発生を軽減するためのガイドラインを策定している。しかし、これらのガイドラインには拘束力がなく、遵守状況は国や民間企業によって大きく異なる。宇宙ゴミの発生者に対する強制力のある規則や罰則を確立するには、より厳格な規制と国際協定が必要である。

宇宙の軍事化は、デブリ管理をさらに複雑化させています。軌道上の衛星を意図的に破壊する衛星破壊（ASAT）テストは、宇宙ゴミの最も危険な発生源の1つです。2007年の中国のASATテストでは、追跡されたデブリの量が25%増加し、ロシアの2021年のASATテストでは数十万の新しい破片が生成され、ISSと他の衛星の両方を脅かしました。これらの行動は、デブリを増やすだけでなく、宇宙活動を規制し、環境を安全に保つための国際的な取り組みを損なうことになります。

結論

低軌道 (LEO) の宇宙ゴミの問題は、遠い関心事から、現在および将来の宇宙活動に対する差し迫った脅威へと急速に変化しています。宇宙が運用中の衛星と廃止された衛星の両方で混雑するにつれて、衝突のリスク、追加のゴミの発生、ケスラー症候群などの壊滅的な事象の可能性が飛躍的に高まります。宇宙が科学、商業、防衛の目的でアクセス可能な状態を維持するには、早急な対策が必要です。アクティブデブリ除去 (ADR) などの技術的ソリューションは大きな期待が寄せられていますが、万能薬ではありません。持続可能な宇宙環境には、厳格な規制と政府、機関、民間部門間の積極的な協力に加えて、協調的な国際的アプローチが不可欠です。

さらに、既存のデブリを除去することは重要ですが、デブリのさらなる発生を防ぐことにも重点を移す必要があります。これには、衛星の設計の改善、衛星の寿命終了手順を管理するための規制の確立、軌道汚染を増加させる宇宙の軍事化の削減が含まれます。予防、緩和、積極的なクリーンアップを組み合わせたバランスの取れたアプローチによってのみ、宇宙探査と利用の長期的な実行可能性を確保することができます。

よくある質問