スペースデブリ

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高度2,000km以下の軌道を周回するスペースデブリの分布
大気圏突入した大きなスペースデブリの一部が燃え尽きずに地上へ落下したもの。デルタ2の燃料タンク。

スペースデブリ英語:space debris、orbital debrisとも)または宇宙ゴミ(うちゅうゴミ)とは、なんらかの意味がある活動を行うことなく地球衛星軌道上〔高軌道〕を周回している人工物体のことである。宇宙開発に伴ってその数は年々増え続け、対策が必要となってきている。

概要[編集]

ここで言う「スペースデブリ」には、耐用年数を過ぎ機能を停止した(された)、または事故・故障により制御不能となった人工衛星から、衛星などの打上げに使われたロケット本体や、その一部の部品、多段ロケットの切り離しなどによって生じた破片、デブリ同士の衝突で生まれた微細デブリ、更には宇宙飛行士が落とした「手袋・工具[1]・部品」なども含まれる。なお、天然岩石や鉱物・金属などで構成された宇宙塵(微小な隕石)は「流星物質(メテオロイド)」と呼ばれ区別されている。

旧ソ連がスプートニク1号を打ち上げて以来、世界各国で4,000回を超える打ち上げが行われ、その数倍にも及ぶデブリが発生してきた。多くは大気圏へ再突入し燃え尽きたが、現在もなお4,500トンを越えるものが残されている。

これらスペースデブリの総数は増加の一途[2][3]を辿っているうえ、それぞれ異なる軌道を周回しているため、回収及び制御が難しい状態である。これらが活動中の人工衛星や有人宇宙船、国際宇宙ステーション(ISS)などに衝突すれば、設備が破壊されたり乗員の生命に危険が及ぶ恐れがあるため、国際問題となっている。現にニアミスや微小デブリとの衝突などは頻繁に起こっており、1996年にスペースシャトル・エンデバーのミッション(STS-72)で若田光一宇宙飛行士が回収した日本の宇宙実験室(SFU)には、微細なものを含めると500箇所近い衝突痕が確認された。

スペースデブリは、地表から300 - 450kmの低軌道では7 - 8km/s、36,000kmの静止軌道では3km/sと非常に高速で移動している。さらに軌道傾斜角によっては相対的に10km/s以上で衝突する場合もありえる。運動エネルギー速度の2乗に比例するため[4]、スペースデブリの破壊力はすさまじく、直径が10cmほどあれば宇宙船は完全に破壊されてしまう。数cmでも致命的な損傷は免れない。さらに数mmのものであっても場合によっては宇宙船の任務遂行能力を奪う。5 - 10mmのデブリと衝突するのは弾丸を撃ち込まれるに等しい。

このような衝突を防ぐことを目的として地球近傍のデブリ等を観測する活動はスペースガードと呼ばれる。北アメリカ航空宇宙防衛司令部(NORAD)の宇宙監視ネットワーク(Space Surveillance Network、略称:SSN)、ロシアの宇宙監視システム(Space Surveilance System、略称:SSS)などでは約10cm以上の比較的大きなデブリをカタログに登録して常時監視が行われており、日本でも美星スペースガードセンター(BSGC)、上斎原スペースガードセンター(KSGC)の2施設でデブリの監視が行われている。カタログ登録されたデブリの数だけでも約9,000個に及び、1mm以下の微細デブリまでも含めると数百万とも数千万個とも言われる。

意図的なデブリの散布[編集]

プロジェクト・ウェストフォードと呼ばれる実験が、アメリカ・マサチューセッツ工科大学リンカーン研究所によって1963年に行われた。これは、長さ2cmの銅製の針を高度3,500 - 3,800km、傾斜角87 - 96度の軌道に散布し、そこに電波を照射して反射させることによって長距離通信を目指す、いわば、宇宙空間に人為的に電離層を作り出すものだった。結果、所期の目的は達成されたものの、散布された針は実に4億8千万個に及ぶこととなり、国際的な批判を浴びた。現在でも多くの針が軌道上を周回している。

ブレークアップ[編集]

人工衛星や多段ロケットの最終段などが軌道上で爆発することを「ブレークアップ(破砕、爆散)」という。1961年から2000年までに163回のブレークアップが起きている。ひとたびブレークアップが起きると、観測可能なものだけでも多い時で数百個から数千個のスペースデブリが発生する。これらは爆発前の軌道に沿って雲のような塊(デブリ・クラウド)を形成し、時間が経つにつれて徐々に拡散していく。

ブレークアップの原因としては次のようなものが挙げられる。

人工衛星破壊
衛星攻撃兵器(ASAT)実験による破壊や、軍事衛星などの老朽化した人工衛星が他国の領内に落下することを防ぐために指令破壊することで発生。
冷戦以降、アメリカソ連は競って人工衛星の破壊実験を行い数百億と言われるスペースデブリを発生させた。アメリカが1985年9月に行ったF-15戦闘機からのミサイル発射によるP78-1 Solwind衛星の破壊では、高度525kmの軌道上に地上から観測可能なほど大きなデブリ200個が発生し全てのデブリが地上に落下するまで17年の歳月を要した[5]2007年1月11日には中国弾道ミサイルを使って老朽化した人工衛星風雲1号C(高度850km)を破壊する実験を行った。この破壊は、2,841個という1度のイベントとしては過去最多のデブリを発生させた[6]
現在、国連では宇宙空間で人工衛星を破壊することを禁じる決議が採択されているが、アメリカ航空宇宙局は衛星破壊によるスペースデブリは大きな脅威ではないとしている。
推進剤の爆発
役目を終えた液体燃料ロケットの推進剤が残っていると、タンクの隔壁に亀裂が入って燃料と酸化剤が接触・反応したり、太陽熱によってタンクの内圧が上がったりして爆発することがある。これはタンク内の推進剤をすべて放出してしまえば防ぐことが出来るが、そうした措置が取られるようになる前に打ち上げられたロケットが10年以上経ってから爆発した事例もある。
2007年2月19日に発生したロシアのプロトンロケット上段ブースターの爆発では、1100個以上のデブリの発生が確認されている[7]
電気回路のショート
人工衛星に搭載されている二次電池の圧力容器が回路のショートによって加熱、爆発する可能性がある。
衝突
人工衛星同士、デブリと人工衛星、あるいはデブリ同士の衝突。衝突事例を参照。
特定の軌道をとるデブリの密度が臨界値を越えると、衝突によるブレークアップが連鎖的に発生してデブリが自己増殖する可能性があると言われており、ケスラーシンドロームとも呼ばれる。


その他、ブレークアップほど深刻ではないが、微細なデブリが生じるケースとして、衛星の熱制御に使われる冷媒の漏れ、固体ロケットモーターの燃焼時に噴煙内に生じる微細な粒子、塗料が剥離した破片も問題になっており、これらの発生を減らすような対策が検討されている。

対策[編集]

カタログ登録された直径10cm以上のデブリは軌道が判っているため、ニアミスの恐れがある場合は衛星あるいは宇宙機の方が軌道を修正して回避することが可能であり、また1cm以下のデブリなら有人宇宙機にバンパーを設けることで衝突した時のダメージを軽減できるが、その中間の大きさのデブリへの有効な対処は難しい。

デブリを減らすためには、使用済みのロケットや人工衛星を他の人工衛星と衝突しない軌道(墓場軌道)に乗せるか大気圏突入させる、デブリを何らかの手段で回収するなどの対策が必要である。これらの対策は少しずつ開始されているが、小さなデブリを回収する手段については「レーザーで溶かす」というものまで含めて様々な方法が提案されているものの、まだ実用化されていない。基本的なデブリ対策としては、地上におけるゴミ問題と同様に、ゴミを発生させないようにするのが最良策である。

デブリの対策は、当初は各宇宙機関が独自のガイドラインを作って規正していたが、2007年に機関間スペースデブリ調整委員会 IADC(Inter-Agency Space Debris Coordination Committee)が国際的なガイドラインを策定しており、現在はそれに従って対応が行われている。高度約2,000km以下の低周回軌道の衛星の場合は、運用終了から25年以内に大気圏への再突入・落下が行われるよう考慮して運用が行われている。またそれよりも高度が高い衛星(静止衛星など)は、運用に使われる軌道から外して墓場軌道に投入する必要がある。

具体的に取られている措置としては、初期の頃はロケットからの衛星分離時に破片が飛散していたが、日・米・欧州のロケット・衛星では、これらをほとんど飛散しないような設計に変更している。その他、衛星を再突入させるほどの推進剤が残っていない場合でもできるだけ高度を下げて軌道上滞在年数を減らすことで他のデブリとの衝突リスクを下げる試みがERS-2やUARS衛星などで行われている。[8] また衛星を軌道投入した後、ロケットに軌道変更の余力が残っている場合は制御しながら再突入する試みが始まっており、日本ではH-IIBロケット2号機で試験が行われた[9]

2015年4月21日には日本の理化学研究所により、理化学研究所、エコール・ポリテクニークパリ第7大学トリノ大学カリフォルニア大学アーバイン校からなる共同研究グループが高強度レーザーを使用してデブリを除去する技術を考案したことを発表した[10]

イリジウム衛星とグローバルスター衛星の場合の廃棄運用例[編集]

  • 第一世代のイリジウム衛星は、退役時に近地点高度を250kmまで下げる事を計画していた。2014年の時点で76機の衛星すべてが退役予定を超えており、高度778kmで運用が続けられている。イリジウム社は、2015年半ばから2017年末にかけて、第二世代の衛星を71機打ち上げる予定で、これらが軌道上に配置されると第一世代の衛星はデオービットを行う事になるが、第一世代の衛星も一部は予備として残すという計画であった。7-10機の衛星は残り燃料が少なくなっているため、250kmまで高度を下げられなくなっている。このため、近地点高度を600kmまでにしたいと連邦通信委員会に求めていたがこれが認められた。同社はこの高度でも25年以内には再突入すると説明しており、解析によれば3-10年で再突入する見込みとのこと[11]
  • Globalstar衛星ネットワークは1990年代に打ち上げられた低周回軌道(LEO)上の3大衛星通信ネットワークの一つ(あとの2つはイリジウムとOrbcomm)で、これらの衛星は1998-2000年にかけて52機打ち上げられたが、当時はLEO衛星の廃棄ガイドラインはまだなかった。Gobalstar衛星は高度1,414kmの軌道に投入されたため、ミッション終了後は、高度を下げて25年以内に大気圏に再突入させるよりもLEO軌道のガイドライン上限である高度2,000km以上へ移動させる方が効率的とされた。運用高度よりも600km以上も高い高度へ移動させる燃料を積む設計にはなっていなかったが、これまでに退役した Globalstar衛星は約2,000kmあるいはそれ以上高い高度へ移動することができた。2013年は4機がそのような方法で軌道を引き上げた。2013年末現在、退役した37機のうち、25機が200km以上高度を上げることに成功している。12機は1,900km以上の軌道へ到達した[12]

衝突事例[編集]

  • 1981年にはコスモス1275号が何らかの原因によって破壊された。この衛星には圧力容器のような爆発の原因となりうる内部構造が無いため、その原因としてデブリとの衝突が疑われている。なお、コスモス1275号自体もこの破壊によって300個以上のデブリを発生させた。
  • 1991年12月末には、1988年に打ち上げられたソ連のコスモス1934号に、コスモス926号の破片が衝突していたのが後にわかった。[13]
  • 1996年7月にはフランスの人工衛星スリーズ(Cerise)がデブリと衝突し、衛星の本体からもぎ取られた一部が新たなデブリになっている。衝突の相手は1986年にアリアン・ロケットが破壊された際のデブリのうちの一つである。この衝突は、カタログ物体同士の初の衝突である。
  • 2005年1月17日には、1974年に打ち上げられたアメリカのロケット上段と、1999年に打ち上げられ2000年に爆発した中国のロケットの破片が、2005年南極上空で衝突した。[13]
  • 2006年3月にはロシア静止衛星エクスプレスAM11(Express-AM11)がデブリとの衝突によって機能不全に陥り、静止軌道から墓場軌道へ移動した後、運用を終了した。
  • 2009年2月12日には、機能停止中のロシアの軍事通信衛星コスモス2251号と、イリジウム社が当時運用中だった通信衛星イリジウム33号とが衝突した。この衝突によって少なくとも500個以上のデブリが発生した[14]。その後の調査でコスモス2251号が1,267個、イリジウム33号が521個の破片を生じたことが報告された[6]。これは非意図的な人工衛星本体同士の衝突としては世界初のものである。(2009年人工衛星衝突事故を参照)
  • 2013年1月22日に、ロシアの小型衛星BLITSに破片が衝突し、衛星が使用不能になっている事が同年3月8日に発表された。当初は2007年に破壊された中国の衛星風雲1号Cの破片との衝突と思われていた[15]が、後にこれは未知のデブリとの衝突だった事が分かった。
  • 2013年5月、エクアドルの超小型衛星ペガソが、旧ソビエト連邦が打ち上げたロケットの周囲に漂っていたデブリクラウドと衝突した模様(ロケット本体との衝突では無かった)で、制御不能となった[16]

微小デブリ[編集]

ソーラーマックスのデブリ痕

宇宙空間に長期間曝露されていた物体の表面には衝突により多数の微小なクレーターが形成される。この成因の衝突物体がメテオロイドであるかデブリであるかは、クレーターの底に付着した残留物を分析したり、クレーターの形状から衝突速度と角度を推定したりすることにより判断される。

1983年に打ち上げられたスペースシャトルチャレンジャーSTS-7)では、軌道上で窓ガラスに何かが衝突し、深さ約0.5mmの微小クレーターが形成された。衝突したのは人工衛星から剥がれた塗料片だろうと考えられている。 また、1984年にチャレンジャー(STS-41-C)によって回収されたソーラーマックス衛星の外壁2.5平方メートルの表面には、約3年の宇宙空間への曝露により千個ものクレーターが形成されていた。このうちの約7割が人工的なデブリによるものとされている。

その後も同様の調査により、時代が下るにつれて衝突頻度が加速度的に上昇していることが判明している。デブリが調査された代表的なものには、

などが含まれている。また、ミールや国際宇宙ステーションから回収されたものでも分析が行われている。

このように、現在、微小デブリとの衝突はきわめて日常的な出来事になっている。

機関間スペースデブリ調整委員会[編集]

1993年に機関間スペースデブリ調整委員会 IADC(Inter-Agency Space Debris Coordination Committee)が設立され、各国の宇宙機関の間でスペースデブリの対策に対して協議されている。

2007年にIADCは、スペースデブリ軽減のためのガイドライン(Space Debris Mitigation Guidelines)を発行した[17]。現在はこのガイドラインに従ってデブリをこれ以上増やさないような努力が行われている。

参加機関[編集]

スペースデブリを扱った作品[編集]

  • 漫画『プラネテス』 - スペースデブリ回収業者を主人公として、本問題を大きく扱った作品。テレビアニメも制作された。
  • アダルトゲーム『流星☆キセキ -Shooting probe-』 - スペースデブリの激増によって宇宙開発が中断されてしまった近未来を舞台に、地球へやってきた探査機の少女を母星へ還すため、自作の宇宙ロケットを飛ばそうとする主人公やヒロイン達を描く物語。
  • 映画『ゼロ・グラビティ 』 - スペースデブリがシャトルに衝突し、シャトルが破壊されたため宇宙に取り残されてしまった人たちの運命を描いた作品。
  • 映画『スーパーマンIV/最強の敵』 - 作品冒頭、スペースデブリの衝突で危機に見舞われる旧ソ連宇宙ステーションを主人公が救うシーンがある。

脚注[編集]

  1. ^ 宇宙空間で行方不明になった工具箱、アマチュア天文学者が地上観察に成功」Technobahn、2008年11月25日
  2. ^ Orvital Debris Quarterly News (脚注先のページ内よりリンクされているPDFファイルの最終ページ)(英語)
  3. ^ CelesTrak SATCAT Boxscore (国別の衛星とデブリの集計)
  4. ^ U = \frac{1}{2}mv^{2} U:運動エネルギー m:質量 v:速度
  5. ^ http://web.archive.org/web/20080312195625/http://www.technobahn.com/cgi-bin/news/read2?f=200701191525
  6. ^ a b http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv14i3.pdf July 2010 Top Ten Satellite Breakups
  7. ^ ロシアのロケット爆発、さらなるデブリ発生:中国より多量宇宙開発情報、2007年2月27日。
  8. ^ http://www.esa.int/esaEO/SEMRKKFTFQG_index_0.html Lowering of ERS-2 orbit continues
  9. ^ http://www.jaxa.jp/countdown/h2bf2/overview/h2b_j.html#reentry 第2段制御落下実験
  10. ^ 高強度レーザーによるスペースデブリ除去技術”. 理化学研究所 (2015年4月21日). 2015年4月22日閲覧。
  11. ^ “FCC Greenlights Iridium Plan for Deorbiting Its 1st-generation Constellation”. SpaceNews. (2014年9月17日). http://spacenews.com/41898fcc-greenlights-iridium-plan-for-deorbiting-its-1st-generation/ 2015年1月18日閲覧。 
  12. ^ “Orbital Debris Quarterly News Volume 18, Issue 1, January 2014”. NASA. (2014年1月). http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv18i1.pdf 2015年1月18日閲覧。 
  13. ^ a b http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv9i2.pdf Accidental Collisions of Cataloged Satellites Identified
  14. ^ U.S. Satellite Destroyed in Space Collision (Space.com) 2009.2.12(英語)
  15. ^ “Russian Satellite Hit by Debris from Chinese Anti-Satellite Test”. Space.com. (2013年3月8日). http://www.space.com/20138-russian-satellite-chinese-space-junk.html 2015年1月18日閲覧。 
  16. ^ “中国打ち上げのエクアドル衛星が「宇宙ごみ」に衝突、機能喪失”. サーチナ (サーチナ). (2013年5月28日). http://news.searchina.ne.jp/disp.cgi?y=2013&d=0528&f=national_0528_058.shtml 2013年9月12日閲覧。 
  17. ^ “IADC Space Debris Mitigation Guidelines”. IADC. (2007年9月). http://www.iadc-online.org/Documents/IADC-2002-01,%20IADC%20Space%20Debris%20Guidelines,%20Revision%201.pdf 2015年1月18日閲覧。 

参考書籍[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]