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スペースデブリ（宇宙ゴミ、宇宙汚染、[1] 宇宙廃棄物、宇宙ゴミ、宇宙ごみ、宇宙デブリ[2]とも呼ばれる）は、主に地球の軌道上にある 、もはや有用な機能を果たさない機能不全の人工物である。これには、遺棄された宇宙船（機能しない宇宙船や放棄された打ち上げロケットの段階）、ミッション関連のデブリ、特に遺棄されたロケット本体や宇宙船の分解による地球軌道上の多数の破片デブリが含まれる。軌道上に残された遺棄された人工物に加えて、スペースデブリには、崩壊、浸食、衝突による破片、宇宙船から放出された固化した液体、固体ロケットモーターの未燃焼粒子、さらには塗料の破片も含まれる。スペースデブリは宇宙船にとって危険である。[3]
宇宙デブリは典型的には負の外部性である。宇宙デブリは、地球近傍軌道上で宇宙船を打ち上げたり使用したりする最初の行動から他者に外部コストを発生させるが、このコストは通常、打ち上げ側やペイロードの所有者によって考慮されておらず、十分に説明されていない[4] [5]。[6] [1] [7]
有人宇宙船、無人宇宙船を問わず、いくつかの宇宙船が宇宙ゴミによって損傷を受けたり破壊されたりしている。宇宙ゴミの測定、軽減、除去は宇宙産業の参加者によって行われている。[8]
2022年11月現在[update]、米国宇宙監視ネットワークは、地球上空の軌道上に25,857個の人工物体があると報告しており[9] 、これには5,465個の運用衛星が含まれています[10] 。しかし、これらは追跡できる大きさで、追跡が可能な軌道上にある物体にすぎません。コスモス・オコシリーズなどのモルニヤ軌道上にある衛星デブリは、北半球では高すぎて追跡できない可能性があります。[11] 2019年1月現在、1センチメートル（0.4インチ）未満のデブリが1億2,800万個以上、1〜10センチメートルのデブリが約90万個、10センチメートル（3.9インチ）を超えるデブリが約3万4,000個が地球の周りを周回していると推定されています。[8]人工宇宙デブリの最小の物体（塗料の破片、固体ロケットの排気粒子など）が微小隕石とグループ化される場合、宇宙機関はそれらをまとめてMMOD （微小隕石および軌道上デブリ）と呼ぶことがあります。 [update]
宇宙船にとって、破片との衝突は危険となっている。最も小さな物体でもサンドブラストに似た損傷を引き起こし、特に太陽電池パネルや望遠鏡、スタートラッカーなどの光学機器は防弾 シールドで簡単には保護できない。[12]
高度2,000 km（1,200マイル）以下では、デブリの破片は流星体よりも密度が高くなります。ほとんどは固体ロケットモーターからの塵、塗料の剥がれのような表面侵食デブリ、ソビエトの原子力衛星からの凍結した冷却材です。[13] [14] [15]比較すると、国際宇宙ステーション（ISS）は300〜400 km（190〜250マイル）の範囲で軌道を回っていますが、最近の2つの大きなデブリ事象である2007年の中国の 衛星攻撃兵器テストと2009年の衛星衝突は、800〜900 km（500〜560マイル）の高度で発生しました。[16] ISSには、小さなMMODによる損傷に耐えるホイップルシールドがあります。ただし、衝突確率が1/10,000を超える既知のデブリは、ステーションの 操縦によって回避されます。
歴史
1957年10月に最初の人工衛星スプートニク1号が軌道に打ち上げられたことで、宇宙ゴミが地球の軌道上に蓄積し始めました。しかし、この出来事以前にも、1957年8月のパスカルB実験のように、人類が宇宙ゴミとなる噴出物を生み出していた可能性があります。[17] [18]さらに遡ると、地球からの自然な噴出物が軌道に入ったことがあります。
スプートニクの打ち上げ後、北米航空宇宙防衛司令部（NORAD）は、衛星、防護シールド、打ち上げロケットの上段を含む、すべての既知のロケット打ち上げと軌道に到達した物体のデータベース（宇宙物体カタログ）の作成を開始しました。NASAは後に、このデータベースの修正版を2行の要素セットで公開し、[19] 1980年代初頭から、CelesTrak掲示板システムで再公開されました。[20]
データベースに情報を提供したNORADの追跡者は、軌道上にある他の物体を認識していたが、その多くは軌道上爆発の結果であった。[21] 1960年代の衛星攻撃兵器（ASAT）のテスト中に故意に引き起こされたものもあれば、残った燃料が膨張してタンクが破裂し、ロケットの段階が軌道上で爆発した結果のものもあった。軌道の進化と崩壊のモデル化を改善するために、ガバード図を含むより詳細なデータベースと追跡システムが徐々に開発されていった。[22] [23]
1970 年代に NORAD データベースが一般に公開されると、[説明が必要]小惑星帯用に開発された技術が、既知の人工衛星オブジェクトの研究に適用されました[誰が? ] 。 [出典が必要]
時間と自然の重力/大気の影響が、宇宙ゴミの除去に役立ちます。さまざまな技術的アプローチも提案されていますが、ほとんどは実装されていません。多くの学者は、政治的、法的、経済的、文化的などの体系的な要因が、地球近傍空間のクリーンアップに対する最大の障害であると指摘しています。宇宙ゴミの削減に伴うコストは、それを生み出す組織には発生しないため、商業的なインセンティブはほとんどありませんでした。むしろ、コストは、宇宙技術と知識の恩恵を受ける宇宙環境のすべてのユーザーに負担されます。宇宙ゴミの削減に対するインセンティブを高めるための提案が数多くなされています。これらの提案は、企業が既存の政府命令で要求されているよりも積極的にゴミを削減することの経済的利益を認識するよう促すでしょう。[24] 1979年、NASAは地球軌道上の宇宙ゴミの軽減策を研究するために、軌道ゴミプログラムを設立しました。[25] [26]
破片の成長
1980年代、NASAと他の米国のグループはデブリの増加を制限しようと試みた。1981年にマクドネル・ダグラスがデルタロケットに実施した試験的な解決策は、ブースターをペイロードから遠ざけ、タンクに残っている推進剤を排出するというものだった。[27]これにより、タンク内の圧力上昇の原因の1つが排除され、以前は爆発して軌道上のデブリをさらに生み出していた。[28]他の国々はこの対策を採用するのが遅く、特にソ連による多数の打ち上げにより、10年間にわたって問題は拡大した。[29]
NASA、NORAD、その他の機関が軌道環境をよりよく理解しようとして、新たな一連の研究が続き、それぞれが臨界質量ゾーン内のデブリの数を上方修正した。1981年（シェフターの記事が発表された年）には物体の数は5,000個と推定されていたが、[21]地上型電気光学式深宇宙監視システムの新しい検出器が新しい物体を発見した。1990年代後半までに、打ち上げられた28,000個の物体のほとんどはすでに崩壊し、約8,500個が軌道上に残っていると考えられていた。[30] 2005年までに、これは13,000個に上方修正され、[31] 2006年の研究では、ASATと衛星の衝突の結果として、その数は19,000個に増加した。[32] 2011年、NASAは22,000個の物体を追跡していると発表した。[33]
2006年のNASAモデルでは、新たな打ち上げが行われなければ、その環境は2055年頃まで当時の人口を維持し、その後は自然に増加すると示唆された。[34] [35]英国防衛評価研究庁のリチャード・クロウザーは2002年に、カスケードは2015年頃に始まると考えていると述べた。 [36]米国科学アカデミーは専門家の見解を要約し、LEO空間の2つの帯域、900〜1,000 km（620マイル）と1,500 km（930マイル）はすでに臨界密度を超えているという広範な合意を指摘した。[37]
2009年のCEAS欧州航空宇宙会議で、サウサンプトン大学の研究者ヒュー・ルイスは、宇宙ゴミの脅威は今後10年間で50パーセント増加し、今後50年間で4倍になると予測した。2009年時点で[update]、毎週13,000件以上の危機一髪の出来事が記録されている。[38]
米国国立研究会議による2011年の報告書は、NASAに対し、軌道上の宇宙ゴミの量が危機的なレベルに達していると警告した。いくつかのコンピュータモデルによると、宇宙ゴミの量は「限界点に達しており、現在軌道上にあるゴミは継続的に衝突してさらに多くのゴミを生み出し、宇宙船の故障のリスクを高めている」という。報告書は、ゴミを制限する国際規制と廃棄方法の研究を求めた。[39]
特定の年の残骸の履歴
- 1994年半ばまでに、旧ソ連/ロシアが打ち上げた衛星の破片や破片の「異常事象」が68件発生し、ロケット本体やその他の推進関連の運用破片が関与する同様の事象が18件発見された。[40]
- 2009年時点で[update]、5cm（2インチ）を超える破片19,000個が米国宇宙監視ネットワークによって追跡されている。[16]
- 2013年7月時点では[update]、1センチメートル（0.4インチ）未満の破片が1億7000万個以上、1～10センチメートルの破片が約67万個、さらにそれ以上の破片が約29,000個軌道上にあると推定されています。[41]
- 2016年7月現在[update]、地球上空には約18,000個の人工物体が周回しており[42]、その中には1,419個の運用衛星が含まれている[43] 。
- 2019年10月現在[update]、地球上空の軌道上には2万個近くの人工物体が存在しており[9] 、その中には2,218個の運用衛星が含まれている[10] 。
特徴づけ
サイズと数
2019年1月時点で、[update]1センチメートル（0.39インチ）未満の破片は1億2800万個以上、1〜10センチメートルの破片は約90万個あると推定されています。大きな破片（直径10センチメートル以上と定義[44]）の数は2019年には34,000個で、[8] 2023年6月までに少なくとも37,000個になります。 [45]技術的な測定のカットオフ[明確化が必要]は約3ミリメートル（0.12インチ）です。[46]
2020年時点で[update]軌道上には8,000トンのデブリがあり、この数字は増加すると予想されている。[47]
低軌道
地球に最も近い軌道（軌道高度2,000 km（1,200マイル）未満、低地球軌道（LEO）と呼ばれる）には、特定のリングに多数の宇宙船を維持する「ユニバーサル軌道」が伝統的にほとんど存在しませんでした（500を超える衛星が広く使用されている単一の軌道であるGEOとは対照的です）。現在、LEO（低地球軌道）の85％は汚染されています。これは2019年に変わり始め、いくつかの企業が衛星インターネットコンステレーションの初期段階の展開を開始しました。これは、軌道面と高度ごとに30〜50の衛星を備えた多くのユニバーサル軌道をLEOに持つことになります。伝統的に、最も人口の多いLEO軌道は、太陽と軌道面の間の角度を一定に保つ多数の太陽同期衛星であり、一貫した太陽の角度と照明により地球観測が容易になっています。太陽同期軌道は極性軌道であり、極地を横切る軌道である。LEO衛星は多くの平面を周回し、通常は1日に最大15回周回するため、物体間の接近が頻繁に起こる。LEOでは、稼働中の衛星と放置された衛星の両方の密度がはるかに高い。[48]
軌道は重力摂動の影響を受け（LEOでは惑星の密度の変化による地球の重力場の不均一性を含む）、どの方向からでも衝突が起こる可能性がある。低軌道での衝突の平均衝突速度は10km/sで、軌道の離心率により最大14km/sを超える。[49] 2009年の衛星衝突は接近速度11.7km/s（26,000mph）で発生し、[50] 2,000を超える大きな破片が生成された。[51]これらの破片は他の多くの軌道を横切って、破片の衝突リスクを高めている。
宇宙船の十分に大きな衝突は、カスケード効果につながる可能性があり、さらには特定の低地球軌道を周回衛星による長期使用に事実上使用不可能にする可能性さえあると理論付けられており、これはケスラー症候群として知られている現象です。[52]理論的な影響は、衝突の理論的な暴走連鎖反応として発生する可能性があると予測されており、低地球軌道上のスペースデブリの数と密度が指数関数的に増加し、ある臨界密度を超えると発生すると仮定されています。[53]
有人宇宙ミッションは主に高度400km（250マイル）以下で行われ、そこでは空気抵抗が破片のゾーンを除去するのに役立ちます。上層大気は、特定の軌道高度で一定の密度ではありません。大気の潮汐の結果として変化し、宇宙天気の結果として長期間にわたって拡大または縮小します。[54]これらの長期的な影響により、低高度での抗力が増加する可能性があります。1990年代の拡大は、破片の密度を低下させる要因でした。[55]もう1つの要因は、ロシアによる打ち上げの減少です。ソ連は、 1970年代と1980年代にほとんどの打ち上げを行っていました。[56] : 7
標高が高い
空気抵抗がそれほど大きくない高高度では、軌道の減衰には長い時間がかかる。わずかな大気抵抗、月の摂動、地球の重力摂動、太陽風、太陽放射圧によって、デブリは徐々に低高度（そこで減衰する場所）まで降ろされるが、非常に高い高度では、これに何世紀もかかることがある。[57]高高度軌道はLEOよりも一般的には使用されておらず、問題の発生も遅いが、数値はより速く臨界閾値に向かって進行する。[矛盾] [ページが必要] [58]
多くの通信衛星は静止軌道（GEO）にあり、特定のターゲット上に集まり、同じ軌道経路を共有しています。GEOオブジェクト間の速度は低いですが、衛星が放棄されると（テルスター401など）、静止軌道を呈します。その軌道傾斜角は約0.8°増加し、速度は年間約160 km/h（99 mph）増加します。衝突速度は最大で約1.5 km/s（0.93 mi/s）です。軌道摂動により、動作不能な宇宙船の経度ドリフトと軌道面の歳差運動が発生します。近距離（50メートル以内）は年間1回と推定されています。[59]衝突破片はLEO衝突よりも短期的なリスクは少ないですが、衛星は動作不能になる可能性があります。太陽光発電衛星などの大型物体は、特に衝突に対して脆弱です。[60]
ITUは現在、衛星がその寿命の終わりに軌道スロットから移動できることの証明を要求しているが、研究ではこれでは不十分であることが示唆されている。 [61] GEO軌道は1メートル（3フィート3インチ）未満の物体を正確に測定するには遠すぎるため、問題の本質はよくわかっていない。[62]衛星はGEOの空きスポットに移動できるため、操作が少なくて済み、将来の動きを予測しやすくなる。[63]他の軌道にある衛星やブースター、特に静止トランスファー軌道に取り残されているものは、通常、横断速度が高いため、さらなる懸念事項である。
リスクを軽減する努力にもかかわらず、宇宙船の衝突は起きている。欧州宇宙機関の通信衛星オリンパス1号は1993年8月11日に隕石に衝突し、最終的に墓場軌道に移動した。[64] 2006年3月29日、ロシアの通信衛星エクスプレスAM11号が未知の物体に衝突し、動作不能になった。[65]衛星の技術者は、衛星と接触するのに十分な時間があったため、それを墓場軌道に送った。
出典
死んだ宇宙船
1958年、アメリカ合衆国はヴァンガード1号を中軌道（MEO）に打ち上げた。2009年10月現在[update]、ヴァンガード1号の打ち上げロケットの上段と付随する破片は、軌道上に残っている最古の人工宇宙物体であり、2250年以降も残ると予想されている。[68] [69] 2022年5月現在[update]、憂慮する科学者同盟は、NORADによって追跡されている27,000個の軌道デブリの既知の集団から、5,465個の運用中の衛星をリストアップしている。[70] [71]
衛星は、役に立たなくなった後も軌道上に残されることがある。多くの国では、寿命が尽きた衛星は不活性化処理をしなければならない。その後、衛星はより高い墓場軌道か、より低い短期軌道に上げられる。とはいえ、より高い軌道に適切に移動された衛星は、50年間で穴が開き冷却剤が漏れる確率が8%ある。冷却剤は固体のナトリウム・カリウム合金の液滴に凍結し、より多くの破片を生み出す。[13] [72]
パッシベーションの使用にもかかわらず、またはそれが標準化される前に、多くの衛星やロケット本体が軌道上で爆発または分解している。例えば、2015年2月、米国空軍の 国防気象衛星プログラムフライト13（DMSP-F13）が軌道上で爆発し、少なくとも149個の破片が生じた。これらは何十年も軌道上に残ると予想された。[73]同年後半、2014年6月の異常事態後に廃止されたNOAA-16は、軌道上で少なくとも275個の破片に分解した。 [74]旧ソ連時代のメテオ2号やコスモス衛星などの古いプログラムでは、設計上の欠陥により廃止後に多数の破片（1994年までに少なくとも68個）が発生し、より多くの破片が生じた。[40]
偶発的に発生するデブリに加え、人工衛星を故意に破壊することで意図的に作られたものもある。これは、対衛星兵器や対弾道ミサイル技術の試験として、または機密衛星が外国に調査されるのを防ぐために行われている。[40]米国は30回以上の対衛星兵器実験（ASAT）を実施しており、ソ連/ロシアは少なくとも27回、中国は10回、インドは少なくとも1回実施している。[75] [76]最近のASATは、中国によるFY-1Cの迎撃、ロシアのPL-19ヌドルの試験、米国によるUSA-193の迎撃、およびインドによる明示されていない稼働中の衛星の迎撃である。[76]
紛失した機器
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宇宙ゴミには、アメリカ人初の船外活動（EVA）で宇宙飛行士エド・ホワイトが失くした手袋、ジェミニ10号付近でマイケル・コリンズが失くしたカメラ、STS-88で失われた保温ブランケット、ミールの15年間の寿命の間にソ連の宇宙飛行士が投棄したゴミ袋、 [77]レンチ、歯ブラシなどがある。[78] STS-116のサンイタ・ウィリアムズはEVA中にカメラを失った。破れた太陽電池パネルを補強するために行われたSTS-120のEVA中にペンチを紛失し、STS-126のEVAではハイデマリー・ステファニシン・パイパーがブリーフケースサイズの工具バッグを紛失した。[79]
ブースター
破片の大部分は、ロケットの上段（慣性上段など）が未通気燃料の分解により分解したことによるものである。 [80]最初の事例は、 1961年のトランジット4a衛星の打ち上げであった。打ち上げから2時間後、エイブルスター上段が爆発した。分解しないブースターでも問題になることがある。これまでに知られている大きな衝突事故には、（無傷の）アリアンブースターが関与していたことがある。[56] : 2
NASAとアメリカ空軍は現在、上段の不活性化を義務付けているが、中国やロシアの宇宙機関などの他の打ち上げ機では義務付けていない。スペースシャトルの固体ロケットブースターやアポロ計画のサターンIB型ロケットのような下段は軌道に到達しない。[81]
例:
- 2006年に日本のH-2Aロケット2機が分解した。[82]
- ロシアのブリズMロケットのブースター段が2007年2月19日に南オーストラリアの軌道上で爆発した。2006年2月28日にアラブサット4A 通信衛星を搭載して打ち上げられたが、燃料を使い切る前に故障した。爆発は天文学者によってフィルムに記録されたが、軌道経路のため、破片の雲をレーダーで測定することは困難であった。2007年2月21日までに、1,000を超える破片が確認された。[83] [84] 2007年2月14日の破片はセレストラックによって記録された。[85]
- 2012年8月6日のプロトンMの打ち上げ失敗後、別のブリズMが2012年10月16日に分解した。破片の量と大きさは不明である。[86]
- 西側諸国政府からSL-16と呼ばれているゼニット2の第2段は、ボストークおよびコスモス打ち上げロケットの第2段とともに、低地球軌道（LEO）の打ち上げ残骸の総質量の約20％を占めている。[87]低地球軌道にある「統計的に最も懸念される」50個の破片を判定した分析では、上位20個はすべてゼニット2の上段であると判定された。[88]
- 1989年にNASAのCOBE宇宙船を打ち上げるために使用されたデルタIIロケットが2006年12月3日に爆発した。これは残留燃料がすでに宇宙に放出されていたにもかかわらず起こった。[82]
- 2018年から2019年にかけて、アトラスV ケンタウルスの第2段ロケット3機が分解した。[89] [90] [91]
- 2020年12月、科学者たちは、以前に検出された地球近傍天体2020 SOが、1966年に地球と太陽を周回するロケットブースターの宇宙ゴミであったことを確認しました。[92]
- 少なくとも8機のデルタロケットが太陽同期低軌道環境に軌道デブリをもたらした。1970年代に使用されたデルタ上段の派生型は、軌道上で爆発しやすいことがわかった。1981年以降、余剰の推進剤を除去するための消耗燃焼が標準となり、1981年以降に打ち上げられたデルタロケット本体はその後深刻な破片化を経験することはなかったが、1981年以前に打ち上げられたものの中には爆発が続いたものもあった。1991年、デルタ1975-052Bは打ち上げから16年後に破片化し、推進剤の耐久性を実証した。[93]
兵器
かつてのデブリの発生源は、1960年代から1970年代にかけて米国とソ連が行った対衛星兵器（ASAT）のテストだった。北米航空宇宙防衛司令部（NORAD）はソ連のテストのデータのみを収集し、米国のテストによるデブリはその後特定された。[94]デブリ問題が理解される頃には、ASATの広範なテストは終了していた。米国のプログラム437は1975年に停止された。[95]
米国は1980年代にヴォートASM-135 ASATでASAT計画を再開した。1985年のテストでは高度525kmを周回する重さ1トンの衛星が破壊され、1cmより大きい破片が数千個発生した。この高度では大気の抵抗により10年以内にほとんどの破片の軌道が崩れた。このテストの後、事実上のモラトリアムが続いた。[96]
中国政府は、2007年の対衛星ミサイル実験による軍事的影響とデブリの量で非難された[97]。この実験は、歴史上最大の単一の宇宙デブリ事件（ゴルフボール大以上の破片が2,300個以上、1cm（0.4インチ）以上の破片が35,000個以上、1mm（0.04インチ）以上の破片が100万個以上発生した）であった。標的の衛星は、地球近傍空間で最も衛星が密集している高度850km（530マイル）から882km（548マイル）の間を周回していた。[98]この高度では大気抵抗が低いため、デブリが地球に戻ってくるのは遅く、2007年6月にはNASAの環境宇宙船テラがデブリの衝突を避けるように操縦した。[99]米空軍将校でセキュアワールド財団のスタッフでもあるブライアン・ウィーデン氏は、2007年の中国の衛星爆発により、3,000個以上の軌道上の破片が発生し、追跡が必要になったと指摘した。[100]
2008年2月20日、米国は、有毒なヒドラジン燃料450kg（1,000ポンド）を搭載していたとみられる欠陥のある米国の偵察衛星を破壊するため、USSレイク・エリーからSM-3ミサイルを発射した。この出来事は高度約250km（155マイル）で発生し、破片の近地点高度は250km（155マイル）以下であった。[101]このミサイルは破片の量を最小限に抑えることを目的としていたが、国防総省戦略軍のケビン・チルトン長官によると、破片は2009年初頭までに崩壊していた。[102]
2019年3月27日、インドのナレンドラ・モディ首相は、インドが地上配備型ミサイルで自国のLEO衛星の1つを撃墜したと発表した。首相は、ミッション・シャクティの一環として行われたこの作戦は、宇宙における国の利益を守るものであると述べた。その後、米空軍宇宙司令部は、新たに270個の破片を追跡しているが、データ収集が続くにつれてその数は増えると予想していると発表した。[103]
2021年11月15日、ロシア国防省は高度約450kmを周回するコスモス1408号[104]を破壊し、「追跡可能な破片1,500個以上と追跡不可能な破片数十万個」を生み出したと米国務省は発表している[105] 。
衛星のデブリに対する脆弱性と、LEO衛星を攻撃してデブリの雲を作り出す可能性があることから、精密攻撃ができない国でも攻撃が可能だという憶測が飛び交っている。[説明が必要] 10トン（22,000ポンド）以上の衛星を攻撃すると、LEO環境に甚大な被害が出るだろう。[96]
危険
宇宙船へ
宇宙ゴミは稼働中の衛星や宇宙船にとって危険となる可能性がある。衝突の危険性が高すぎると、地球の軌道を通過できなくなる可能性もあると示唆されている。 [106] [検証失敗]
しかし、宇宙船へのリスクは高密度のデブリにさらされるほど高まるため、LEO は周回軌道上の宇宙船によって使用不能になると言う方が正確です。LEO を通過してより高い軌道に到達する宇宙船への脅威は、通過時間が短いため、はるかに低くなります。
無人宇宙船
宇宙船は通常、ホイップルシールドによって保護されていますが、太陽にさらされる太陽電池パネルは低質量の衝撃でも摩耗します。小さな衝撃でもプラズマの雲が発生し、パネルに電気的な危険をもたらす可能性があります。[107]
衛星は微小隕石や（小さな）軌道デブリ（MMOD）によって破壊されたと考えられている。最も古い損失はコスモス1275号で、1981年7月24日（打ち上げから1か月後）に消失した。コスモスには揮発性燃料が含まれていなかったため、衛星内部に破壊的な爆発を引き起こすようなものは何もなかったと思われる。しかし、このケースは証明されておらず、別の仮説としてバッテリーが爆発したというものがある。追跡調査により、バッテリーは300個の物体に分解されたことがわかった。[108]
それ以来、多くの衝突が確認されている。例えば、1996年7月24日、フランスの超小型衛星 セリーズ号は、1986年11月に爆発したアリアン1 H-10上段ブースターの破片に衝突した。[56] : 2 2006年3月29日、ロシアの通信衛星エクスプレスAM11号が未知の物体に衝突され、動作不能になった。[65] 2009年10月13日、テラ号は、単一バッテリーセルの故障異常とバッテリーヒーター制御異常に見舞われたが、これは後にMMOD攻撃の結果である可能性が高いと考えられた。[109] 2010年3月12日、オーラ号は11枚の太陽電池パネルのうちの1枚から半分の電源を失ったが、これもMMOD攻撃によるものとされた。[110] 2013年5月22日、GOES13号はMMODの攻撃を受け、運用姿勢を維持するために使用していた星を見失った。宇宙船が運用を再開するまでに約1ヶ月を要した。[111]
最初の大規模な衛星衝突は2009年2月10日に発生した。950kg（2,090ポンド）の廃棄衛星コスモス2251と運用中の560kg（1,230ポンド）のイリジウム33が北シベリア上空500マイル（800キロメートル）[112]で衝突した。衝突の相対速度は約11.7km/s（7.3マイル/s）、または約42,120km/h（26,170マイル/時）であった。[113]両方の衛星は破壊され、何千もの新しい小さな破片が発生し、法的および政治的責任の問題は何年も経った今でも解決されていない。[114] [115] [116] 2013年1月22日、ロシアのレーザー測距衛星BLITSは、 2007年の中国の対衛星ミサイル実験によるものと疑われる破片に衝突し、軌道と回転速度が変化した。[117]
衛星は衝突回避操作を行うことがあり、衛星運用者は操作計画の一環として宇宙ゴミを監視することがある。例えば、2017年1月、欧州宇宙機関は、米国統合宇宙作戦センターのデータに基づいて、3機の[118]スウォームミッション宇宙船のうち1機の軌道を変更し、廃棄されたロシアの衛星コスモス375との衝突リスクを低減した。[119]
有人宇宙船
有人飛行は、宇宙船の軌道経路における宇宙デブリの衝突に対して特に脆弱です。時折の回避操作や長期間の宇宙デブリの摩耗は、スペースシャトル、ミール宇宙ステーション、国際宇宙ステーションに影響を与えています。
スペースシャトルのミッション
初期のシャトルミッションから、NASAはNORADの宇宙監視能力を利用して、シャトルの軌道上のデブリを評価した。1980年代には、この監視能力がNORADの能力の大部分を占めていた。[28]最初の衝突回避操作は1991年9月のSTS-48で行われ、[120]放棄された衛星コスモス955のデブリを避けるために7秒間スラスタを噴射した。[121]同様の操作がミッション53、72、82でも実行された。[120]
破片問題が公になった最初の出来事の一つは、スペースシャトル チャレンジャーの2回目の飛行であるSTS-7で起こった。塗料の破片がフロントウィンドウに当たり、幅1mm（0.04インチ）を超える穴が開いた。 1994年のSTS-59では、エンデバーのフロントウィンドウに深さの約半分の穴が開いた。1998年からは、小さな破片の衝突が増加した。[122]
窓の欠けや耐熱タイル（TPS）の軽微な損傷は、1990年代にはすでに一般的だった。シャトルはその後、エンジンと後部貨物室にかかる破片の重量の大部分を負担するため、後部から先に飛行するようになった。これらのエンジンと貨物室は軌道上や降下中には使用されないため、打ち上げ後の運用ではそれほど重要ではない。ISSに取り付けられて飛行する際は、シャトルを反転させ、より装甲の厚いステーションがオービターを守った。[123]
NASAの2005年の研究では、スペースシャトルに対する全体的なリスクの約半分はデブリによるものだと結論づけられている。[123] [124]壊滅的な衝突が起こる確率が200分の1を超える場合、ミッション続行の決定は幹部レベルで必要だった。ISSへの通常の（低軌道）ミッションでは、リスクは約300分の1だったが、ハッブル望遠鏡の 修理ミッションはより高い軌道高度560km（350マイル）で行われ、リスクは当初185分の1と計算されていた（2009年の衛星衝突が一因）。デブリの数を増やして再分析したところ、推定リスクは221分の1に減り、ミッションは続行された。[125]
破片による事故はその後のシャトルミッションでも続いた。 2006年のSTS-115では、回路基板の破片がアトランティスの貨物室のラジエーターパネルに小さな穴を開けた。 [126] 2007年のSTS-118では、破片がエンデバーのラジエーターパネルに弾丸のような穴を開けた。 [127]
ミール
ソ連の宇宙ステーション「ミール」は、太陽電池パネルを装着したまま長期間宇宙空間に留まっていたため、衝撃による摩耗が顕著であった。[128] [129]
国際宇宙ステーション
ISSは、内部を小さな破片から守るためにホイップルシールドも使用している。 [130]しかし、外部部分（特に太陽電池パネル）は簡単には保護できない。1989年には、ISSのパネルは、小さな軌道上の破片との衝突による「サンドブラスト」効果により、4年間で約0.23％劣化すると予測されていた。[131] ISSでは、「破片衝突の確率が1万分の1を超える」場合に通常回避操作が実行される。[132] 2014年1月現在[update]、ISSが軌道に乗っていた15年間で16回の回避操作が行われてきた。[132] 2019年までに、ISSでは1,400回を超える隕石および軌道上の破片（MMOD）の衝突が記録されている。[133]
搭乗者のリスクを軽減する別の方法として、ISS運用管理部は、デブリ接近警報が遅れたため、3回にわたり乗組員にソユーズへの避難を要請した。16回のスラスタ噴射と3回のソユーズカプセル避難命令に加え、ステーションのコンピュータに操作タイムラインをアップロードするために必要な数日前の警告がなかったため、試行された操作が1回完了しなかった。[132] [134] [135] 2009年3月の出来事では、コスモス1275号衛星の10cm（3.9インチ）の破片と思われるデブリが関与した。[136] 2013年、ISS運用管理部は、前年に記録的な4回のデブリ回避操作を行った後、デブリを回避する操作を1回も行わなかった。 [132]
ケスラー症候群
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ケスラー症候群[138] [139]は、 NASAの科学者ドナルド・J・ケスラーが1978年に提唱したもので、低軌道（LEO）上の物体の密度が高すぎて、物体同士の衝突が連鎖反応を引き起こし、衝突するたびに宇宙ゴミが発生し、それがさらなる衝突の可能性を高めるという理論上のシナリオである。[140]彼はさらに、これが起こった場合、軌道上のゴミの分布により、宇宙活動や特定の軌道範囲での衛星の使用が何世代にもわたって経済的に非現実的になる可能性があると理論化した。[140]
1990年代後半の研究の結果、物体の数が増えたことで、宇宙コミュニティでは、問題の本質と以前の悲惨な警告について議論が巻き起こった。ケスラーの1991年の導出と2001年の更新によると、[141]高度1,000 km (620 mi) の範囲のLEO環境では、連鎖反応が起きるはずである。しかし、大規模な衛星衝突事故は、2009年のイリジウム33とコスモス2251の衛星衝突の1件のみであった。短期的な連鎖反応が明らかでなかったことから、当初の推定では問題が過大評価されていたのではないかという憶測が流れている。 [ 142]しかし、2010年のケスラーによると、連鎖反応はかなり進行するまで明らかにならない可能性があり、それには何年もかかる可能性がある。[143]
地球上で
ほとんどの破片は大気圏で燃え尽きるが、大きな破片はそのまま地上に到達することもある。NASAによると、過去50年間、平均して1日あたり1個の破片が地球に落下している。破片の大きさにもかかわらず、破片による重大な物的損害は発生していない。[144]大気圏で燃え尽きると大気汚染につながる。[145]宇宙物体から、燃料やガスを貯蔵するために設計された小さな円筒形のタンクが多数発見されている。[146]
追跡と測定
地上からの追跡
レーダーやライダーなどの光学検出器は、宇宙デブリを追跡するための主なツールです。10 cm (4 インチ) 未満の物体は軌道安定性が低下しますが、1 cm ほどの小さなデブリは追跡できますが、[147] [148]再捕捉を可能にする軌道を決定することは困難です。ほとんどのデブリは観測されません。NASAの軌道デブリ観測所は、 3 m (10 フィート) の液体ミラー トランジット望遠鏡で宇宙デブリを追跡しました。[149] FM ラジオ波は、デブリから反射して受信機に届くとデブリを検出できます。[150]光学追跡は、宇宙船の早期警戒システムとして役立つ可能性があります。[151]
米戦略軍は、地上のレーダーと望遠鏡、そして宇宙望遠鏡（もともと敵のミサイルと区別するため）を使用して、既知の軌道物体のカタログを保管している。2009年版には約19,000個の物体が掲載されている。[ 152]その他のデータは、ESAの宇宙デブリ望遠鏡、TIRA、[153] Goldstone 、Haystack、[154] EISCATレーダー、およびCobra Daneフェーズドアレイレーダー[155]から取得され、 ESAの流星体および宇宙デブリ地上環境リファレンス（MASTER）などのデブリ環境モデルで使用されている。
宇宙での測定
帰還した宇宙機器は、（ミリメートル未満の）デブリフラックスの方向分布と構成に関する貴重な情報源である。STS -41-Cチャレンジャーミッションで展開され、STS-32コロンビアで回収されたLDEF衛星は、デブリデータを収集するために軌道上で68か月を過ごした。 1992年にSTS-46アトランティスで展開され、 1993年にSTS-57エンデバーで回収されたEURECA衛星もデブリ研究に使用された。[156]
ハッブル宇宙望遠鏡の太陽電池パネルはSTS -61 エンデバー号とSTS-109 コロンビア号のミッションで持ち帰られ、衝突クレーターはESAのモデル検証のために研究された。ミールから持ち帰られた物質、特にミール環境影響ペイロード（ISS向けの物質もテストした[157]）も研究された。 [158] [159]
ガバード図
単一の事象から生じた破片雲は、ガバード図と呼ばれる散布図で研究される。ガバード図では、破片の近地点と遠地点が、その軌道周期に対してプロットされる。データが入手可能であれば、摂動の影響を受ける前の初期の破片雲のガバード図が再構築される。ガバード図には、新たに観測されたがまだカタログ化されていない破片のデータが含まれることが多い。ガバード図は、破片の特徴、方向、衝突地点についての洞察を提供することができる。[23] [160]
瓦礫の処理
過去50年間、平均して1日あたり約1個の追跡対象物体が軌道から外れており、[161]太陽活動極大期には1日あたり平均ほぼ3個の物体（地球の大気の加熱と膨張による）が、通常5年半後の太陽活動極小期には約3日に1個の物体が軌道から外れている。 [161]自然な大気の影響に加えて、企業、学術機関、政府機関は宇宙デブリに対処するための計画や技術を提案しているが、2014年11月現在[update]、これらのほとんどは理論的なものであり、デブリ削減のための事業計画はない。[24]
多くの学者は、制度的要因（政治的、法的、経済的、文化的な「ゲームのルール」）が地球近傍宇宙のクリーンアップの最大の障害であるとも指摘している。汚染者に費用が課されないため、行動を起こす商業的インセンティブはほとんどないが、いくつかの技術的解決策が提案されている。[24]しかし、これまでの効果は限られている。米国では、政府機関がデブリの増加を制限するという以前の約束を後退させ、「軌道上のデブリを除去するというより複雑な問題に取り組むことは言うまでもない」と非難されている。[162]宇宙デブリの除去のさまざまな方法は、フランスの天体物理学者ファトゥマタ・ケベを含むスペースジェネレーション諮問委員会によって評価されている。[163]
2024年5月、NASAの技術・政策・戦略局（OTPS）の報告書は、軌道上のデブリに対処するための新しい方法を紹介した。「軌道上のデブリの軽減、追跡、修復の費用対効果分析」と題されたこの報告書[164]は、宇宙船の遮蔽、小さなデブリの追跡、大きなデブリの除去など、10を超えるさまざまな対策の費用対効果を比較した包括的な分析を提供した。これらの対策を経済的な観点から評価することにより、この研究はデブリ管理のための費用対効果の高い戦略を知らせることを目的としており、機能不全の宇宙船を迅速に軌道から外すなどの方法が宇宙でのリスクを大幅に減らすことができることを強調している。
国内および国際規制
宇宙ゴミを最小限に抑える国際条約はない。しかし、国連宇宙空間平和利用委員会（COPUOS）は、2007年に自主ガイドラインを発表し、[165]これまでのさまざまな国の規制の試みを利用して、ゴミ軽減の基準を策定した。2008年の時点で、委員会は衛星同士の衝突を防ぐための国際的な「道路交通法」について議論していた。[166] 2013年までに、いくつかの国の法的制度が存在し、[167] [168] [169]典型的には、すべての宇宙開発国で打ち上げに必要な打ち上げライセンスに具体化されている。[170]
米国は2001年に民間（NASA）と軍事（国防総省と米空軍）の軌道上のデブリ軽減のための一連の標準慣行を発行した。 [171] [172] [168]この標準では、最終ミッション軌道での廃棄を次の3つの方法のいずれかで想定していた：1）大気圏再突入。この場合、「太陽活動の保守的な予測であっても、大気の抵抗により、ミッション完了後25年以内に寿命が制限される」。 2) 「保管軌道」への移動: 宇宙船を4つの非常に広い保管軌道範囲(2,000～19,700 km (1,200～12,200 mi)、20,700～35,300 km (12,900～21,900 mi)、36,100 km (22,400 mi)以上、または地球軌道から完全に離れて太陽中心軌道に入る)のいずれかに移動する。3) 「直接回収: ミッション完了後、できるだけ早く構造物を回収して軌道から外す。」[167]オプション1で明示された基準は、ほとんどの衛星と廃棄された上段に適用される基準であり、「25年ルール」として知られるようになりました。[173]米国は2019年12月に軌道上デブリ軽減標準慣行（ODMSP）を更新したが、「宇宙コミュニティの多くは、時間枠は25年未満であるべきだと考えている」にもかかわらず、25年ルールには変更を加えなかった。[174]しかし、新しい時間枠が何であるかについてはコンセンサスが得られていない。[174]
2002年、欧州宇宙機関（ESA）は国際グループと協力し、同様の基準を公布したが、これもまた「25年ルール」をほとんどの地球周回衛星と上段に適用されるものとした。ヨーロッパの宇宙機関は1990年代半ばに技術ガイドラインの開発を開始し、ASI、UKSA、CNES、DLR、ESAは2006年に「欧州行動規範」に署名した。[169]これは翌年に開始されるISO国際標準化作業の前身となる基準であった。2008年、ESAは「独自の「機関プロジェクトに対する宇宙デブリ緩和の要件」をさらに開発し、「2008年4月1日に発効した」[169]。
ドイツとフランスは、破片による損害から財産を守るために保証金を支払っている。 [説明が必要] [ 175 ]「直接回収」オプション（上記の米国の「標準的慣行」のオプション3）は、直接回収のコストと複雑さのため、宇宙飛行の初期の頃から、宇宙開発国（例外、USAF X-37）や商業主体によってほとんど行われてこなかったが、ESAは2026年に1億2000万ユーロの費用で94kg（207ポンド）の小型衛星（PROBA-1）[176]でこれを実行する実証ミッション（ ClearSpace-1 ）を予定している。打ち上げコストは含まれていない。[177]
2006年までに、インド宇宙研究機関（ISRO）は、ISROの打ち上げロケットと衛星のデブリ軽減のためのいくつかの技術的手段（上段の不活性化、墓場軌道への移動のための燃料の予備など）を開発し、機関間のデブリ調整と国連COPUOS委員会の取り組みに積極的に貢献していました。[178]
2007年、ISOは宇宙デブリ軽減のための国際規格の準備を開始しました。 [179] 2010年までに、ISOは「宇宙デブリ軽減を目的とした包括的な宇宙システムエンジニアリング規格のセット。[主要な要件は]トップレベルの規格であるISO 24113で定義されています。」 2017年までに、規格はほぼ完成しました。ただし、これらの規格はISOまたは国際管轄によっていかなる当事者にも拘束力はありません。これらは単に自発的に使用できるものです。これらは「宇宙船メーカーまたはオペレーターが自発的に採用することも、顧客とサプライヤー間の商業契約を通じて発効することも、宇宙デブリ軽減に関する一連の国家規制を確立するための基礎として使用することもできます。」[173]
この自主的なISO規格では、高度2,000 km（1,200マイル）以下の「LEO保護領域」に対して、[update]米国、ESA、国連の緩和基準で以前から使用されている（2019年現在も使用されている）「25年ルール」も採用しており、「宇宙システムがミッション完了後に軌道上に留まるべき時間の上限。理想的には、軌道離脱までの時間は可能な限り短く（つまり、25年よりもはるかに短く）すべきである」としている。[173]
欧州宇宙機関のホルガー・クラッグ氏は、2017年時点で拘束力のある国際規制枠組みは存在せず、ウィーンの国連機関でも進展は見られないと述べています。[106]
成長の緩和
2010 年代現在、宇宙デブリの増加を緩和するためのいくつかの技術的アプローチが一般的に実施されていますが、20 世紀半ば以降に地上の汚染が減少されたのと同じように宇宙デブリを削減するための包括的な法的制度やコスト割り当て構造は整備されていません。
人工的な宇宙ゴミの過剰な生成を避けるため、低軌道より上に打ち上げられる衛星の多くは（すべてではないが）、最初は地球の大気圏内に近地点を持つ楕円軌道に打ち上げられるため、軌道は急速に減衰し、衛星は大気圏に再突入した際に破壊される。より高い軌道にある宇宙船には他の方法が用いられる。これには、耐用年数の終わりに宇宙船を不活性化すること、ペイロード放出後の最初の軌道または2番目の軌道で意図的に軌道から外すために再点火できる上段ステージの使用が含まれる。衛星は、何年も健全な状態を保てば、地球を回る低軌道から自ら軌道から外れることができる。軌道高度約400 km（250マイル）未満の低軌道にある他の衛星（多くのCubeSatなど）は、上層大気のエネルギー吸収効果に依存して、数週間または数か月以内に宇宙船を確実に軌道から外している。
ますます、より高い軌道（低デルタv軌道離脱が不可能または計画されていない軌道）にある使用済み上段ロケットや、衛星のパッシベーションをサポートするアーキテクチャは、寿命の終わりにパッシベーションされるようになっています。これにより、ミッションまたは耐用年数の終了時にロケットに含まれる内部エネルギーがすべて除去されます。これにより、現在廃棄されているロケット段や衛星自体の破片が除去されるわけではありませんが、宇宙船が破壊され、多くの小さな宇宙ゴミが発生する可能性が大幅に減少します。これは、米国とソビエト[72]の初期の世代の宇宙船の多くでよく見られた現象です。
残留推進剤を放出することで達成される上段パッシベーション（デルタブースターの例[28]）は、軌道爆発による破片を減らすが、2011年になっても、すべての上段でこの方法が採用されているわけではない。[181]スペースXは、2019年に米国空軍のためにファルコン9第2段の6時間のデモンストレーションミッション（ STP-2 ）の最終操作に「推進パッシベーション」という用語を使用したが、その用語が何を包含するかを定義しなかった。[182]
地球周回軌道の打ち上げライセンスポリシー「ワンアップ、ワンダウン」では、打ち上げ機はほぼ同じ軌道面から放棄された衛星とランデブーし、捕捉し、軌道から外すことになる。[183] もう1つの可能性は、ロボットによる衛星 燃料補給である。実験はNASAによって行われており、[184] SpaceXは大規模な軌道上燃料移送技術を開発している。[185]
デブリ軽減のためのもう1つのアプローチは、ミッションアーキテクチャを明確に設計して、ロケットの第2段を低近地点の楕円形の 地球中心軌道に残すことです。これにより、軌道の急速な減衰が保証され、使用済みロケット本体からの長期的な軌道デブリが回避されます。このようなミッションでは、低推力電気推進を使用するか、軌道を円形にするために小型キックステージを使用することで、最終軌道へのペイロードの配置を完了することがよくあります。キックステージ自体は、自己軌道離脱ができるように余剰推進剤能力を備えて設計される場合があります。[186]
自己削除
ITUは静止衛星が寿命を迎えたら墓場軌道に移動することを義務付けているが、選定された軌道領域では静止軌道をデブリから十分に保護していない。[61]十分な推進剤を備えたロケット段（または衛星）は直接、制御された軌道離脱を行うことができるが、そのためには推進剤が多すぎる場合は、大気抵抗によって最終的に軌道離脱する軌道に衛星を運ぶことができる。これはフランスのスポット1衛星で行われ、高度を830 km（516マイル）から約550 km（342マイル）に下げることで、大気圏再突入時間を予測された200年から約15年に短縮した。[187] [188]
イリジウム衛星群（1997年から2002年の5年間に打ち上げられた95機の通信衛星）は、自己除去の限界に関する一連のデータポイントを提供している。衛星運用会社であるイリジウム・コミュニケーションズは、衛星の寿命である20年間にわたって運用を続け（ただし、その間に企業倒産により社名が変更された）、2019年12月までに「稼働中のレガシー衛星65機のうち最後の1機の廃棄を完了した」[189] 。しかし、このプロセスにより、自己減衰が非常に遅い高度約700km（430マイル）のLEO軌道上に、合計質量20,400kg（45,000ポンド）、またはこの衛星群の質量のほぼ3分の1にあたる30機の衛星が残された。これらの衛星のうち29基は軌道上で故障したため自力で軌道を離脱することができず、1基（イリジウム33）は2009年にロシアの軍事衛星コスモス2251と衝突して死亡した。[189]自力で離脱できなかった衛星の除去については緊急時対応計画は立てられていなかった。 2019年、イリジウムのCEOマット・デッシュは、イリジウムは、残りの第一世代衛星の軌道離脱を、例えば「1回あたり1万ドル」といった非現実的な低コストで可能であれば、能動的デブリ除去会社に支払う用意があると述べたが、その価格はデブリ除去会社が現実的に提示できる価格をはるかに下回る可能性が高いことを認めた。「どの時点で考えるまでもなく、コストは実際には数百万ドルから数千万ドルになると予想しており、その価格では意味がないことはわかっています。」[189 ]
宇宙船の破片の軌道減衰率を高める受動的な方法が提案されている。ロケットの代わりに、打ち上げ時に宇宙船に電気力学的テザーを取り付けることができる。テザーの寿命が尽きると、テザーが展開されて宇宙船の速度を落とす。[190]他の提案としては、帆のようなアタッチメントを備えたブースターステージ[191]や、大きくて薄い膨張可能なバルーンエンベロープ[192]などがある。
2022年12月下旬、ESAは、緩和策に使用できるブレーキングセイルベースの衛星デオービターADEOの実証に成功しました。これはESAのゼロデブリイニシアチブの一部です。約1年前に、中国もドラッグセイルをテストしました。[193] [194]
外部除去
他の宇宙船を使用して既存の宇宙ゴミを除去するためのさまざまなアプローチが提案され、研究され、地上サブシステムが構築されてきました。
2012年10月にブリュッセルでセキュア・ワールド財団（米国のシンクタンク）とフランス国際関係研究所が主催した会議の講演者のコンセンサス[195]は、近い将来に宇宙船へのリスクが容認できないものになるのを防ぐために、最大のデブリの除去が必要であると報告した（LEOで故障した宇宙船の在庫を増やすことなく）。2019年現在まで、除去費用と所有権に関する法的問題、および機能停止した衛星を除去する権限が、国家的または国際的な行動を妨げている。現在の宇宙法では、機能停止した、または進行中のミッションを脅かすデブリや宇宙船であっても、すべての衛星の所有権は元の運用者に留保されている。[196]
2010年代後半には、複数の企業が中軌道上の衛星を外部から除去する計画を立てた。例えば、ワンウェブは、寿命末期の衛星の軌道離脱に「プランA」として機内自力除去を使用する予定だったが、衛星が寿命末期の1年以内に自力除去できない場合は、「プランB」を実行し、再利用可能な（マルチ輸送ミッション）宇宙タグを派遣して、すでに組み込まれた捕捉ターゲットにグラップリング固定具で取り付け、より低い軌道まで牽引して再突入のために放出する予定だった。[197] [198]
遠隔操作車両
よく研究された解決策は、遠隔操作の乗り物を使ってデブリとランデブーし、デブリを捕獲し、中央ステーションに戻すというものである。[199]そのようなシステムの1つがSpace Infrastructure Servicingである。これは、当初2015年の打ち上げが予定されていた、静止軌道上の通信衛星用の商業的に開発された燃料補給基地およびサービス宇宙船である。 [200] SISは、「死んだ衛星を墓場軌道に押しやる」ことができる。[201]上段のAdvanced Common Evolved Stageファミリーは、残留燃料の余裕（遺棄された衛星の捕獲と軌道離脱のため）が高く、重い物体を静止軌道から軌道離脱させるのに必要な高いデルタvのための宇宙燃料補給能力を持つように設計されている。 [183] デブリを安全な高度まで引きずり、大気中で燃え尽きさせるためのタグボートのような衛星が研究されている。[202]デブリが発見されると、衛星はデブリと自身の電位差を作り出し、スラスタを使って衛星自身とデブリをより安全な軌道に移動させる。
このアプローチのバリエーションとして、遠隔操作の機体がデブリとランデブーし、一時的に捕獲して小型の軌道離脱衛星を取り付け、テザーでデブリを目的の場所まで引きずるという方法がある。その後、「母船」がデブリと小型衛星の組み合わせを牽引して大気圏に突入するか、墓場軌道に移動させる。そのようなシステムの 1 つとして提案されているのが、40 基以上の SUL (satellite on umbilical line) 軌道離脱衛星と、それらの除去に十分な推進剤を搭載するBusek ORbital DEbris Remover (ORDER)である。[24]
2010年1月7日、スター・インコーポレイテッドは、宇宙デブリ除去用の無推進剤宇宙船エレクトロダイナミックデブリエリミネーター（EDDE）の実現可能性調査について、宇宙海軍戦闘システム司令部から契約を獲得したと報じた。 [203] 2012年2月、ローザンヌ連邦工科大学のスイス宇宙センターは、廃止されたスイスのナノ衛星と軌道を合わせ、それを捕獲して一緒に軌道から外すナノ衛星実証プロジェクトであるクリーンスペースワンプロジェクトを発表した。 [204]このミッションは、パックマンに触発された捕獲モデルに到達するためにいくつかの進化を遂げてきた。[205] 2013年には、デブリを捕獲して排出するグラップリング衛星であるスペーススイーパースリングサット（4S）が研究された。[206] [更新が必要] 2022年、中国の衛星SJ-21は未使用の衛星をつかみ、衝突のリスクが低い軌道に「投げ込んだ」。[207] [208]
2019年12月、欧州宇宙機関は宇宙ゴミの清掃に関する最初の契約を締結した。1億2000万ユーロのClearSpace-1（EPFLプロジェクトからのスピンオフ）と呼ばれるミッションは2026年に打ち上げられる予定である。94kgのPROBA-1衛星を軌道から除去することを目的としている。[176]「チェイサー」が4本のロボットアームでゴミをつかみ、地球の大気圏まで引きずり下ろし、そこで両方とも燃え尽きる。[177]
レーザー方式
レーザーほうきは、地上のレーザーを使用してデブリの前面を削り取り、ロケットのような推力を発生させて物体を減速させる。継続して使用することで、デブリは大気抵抗の影響を受けるほど落下する。 [209] [210] 1990年代後半、米国空軍のプロジェクトオリオンはレーザーほうきの設計だった。[211]テストベッドデバイスは2003年にスペースシャトルで打ち上げられる予定だったが、軌道上での強力なレーザーテストを禁止する国際協定により、その使用は測定に限定された。[212] 2003年のスペースシャトルコロンビアの事故によりプロジェクトは延期され、NASAの軌道デブリプログラムオフィスの主任科学者兼プログラムマネージャーであるニコラスジョンソンによると、「オリオンの最終報告書には小さな落とし穴がたくさんあります。10年以上棚上げされていたのには理由があります。」[213]
レーザー光線の光子の運動量は、小さな破片を稼働中の衛星の邪魔にならない新しい軌道に移動させるのに十分な推力を直接破片に与えることができる。2011年のNASAの研究によると、宇宙ゴミにレーザー光線を照射すると毎秒1mm（0.039インチ）の衝撃を与えることができ、1日に数時間レーザーを破片に当て続けると、1日あたり200メートル（660フィート）進路を変えることができるという。[214] 1つの欠点は、材料の劣化の可能性があることである。エネルギーが破片を破壊し、問題をさらに悪化させる可能性がある。[215]同様の提案では、太陽同期軌道の衛星にレーザーを設置し、パルスビームを使用して衛星を低い軌道に押し込み、再突入を加速する。[24]レーザーをイオンビームシェパードに置き換える提案がなされており、[216]エアロゲルの泡球や水の噴霧、[217]膨張式風船、[218] 電気力学的テザー、[219] 電気接着、[220]専用の対衛星兵器を使用する提案もある。[221]
ネット
2014年2月28日、宇宙航空研究開発機構（JAXA）は試験用「スペースネット」衛星を打ち上げた。打ち上げは運用試験のみだった。[222] 2016年12月、日本はこうのとり6号機で宇宙ゴミ収集機をISSに送り、JAXAの科学者らはテザーを使って軌道からゴミを引き抜く実験を行った。[223] [224]このシステムは、地球に帰還中の宇宙ステーション補給機から700メートルのテザーを伸ばすことに失敗した。[225] [226] 2月6日、ミッションは失敗と宣言され、主任研究者の井上浩一氏は記者団に対し、「テザーは解放されなかったと思われる」と語った。[227]
2012年から2018年の間、欧州宇宙機関は機械的な触手やネットを使用して軌道上から大型の宇宙ゴミを除去するミッションの設計に取り組んでいた。e.Deorbitミッションは、LEOから4,000キログラム（8,800ポンド）以上のゴミを除去することを目的としていた。[228]ネット、銛、ロボットアームとクランプ機構の組み合わせなど、いくつかの捕獲技術が研究された。[229]現在開発中の ClearSpace-1ミッションのために、このミッションへの資金提供は2018年に中止された。
銛
RemoveDEBRISミッションの計画は、低軌道上の模擬ターゲットでいくつかのADR技術の有効性をテストすることです。計画された実験を完了するために、プラットフォームにはネット、銛、レーザー測距装置、ドラッグセイル、2つのCubeSat（小型研究衛星）が装備されています。[230]ミッションは2018年4月2日に打ち上げられました。[引用が必要]
宇宙ゴミのリサイクル
宇宙ゴミを溶かして他の有用な形状に変換する金属加工技術は、CisLunar Industriesによって開発されました。同社のシステムは電磁加熱を利用して金属を溶かし、金属線、金属板、金属燃料に成形します。[231]
宇宙ゴミの再利用
ノイマン・ドライブと呼ばれる推進システムは、南オーストラリア州アデレードで開発され、2023年6月に初めて宇宙に送り出された。金属製の宇宙ゴミは燃料棒に変換され、ノイマン・ドライブに差し込むことができ、「基本的に固体金属推進剤をプラズマに変換する」ことができる。このドライブは、軌道上の廃棄物を捕獲するためにネットやロボットアームをすでに運んでいるアメリカの宇宙企業によって使用される。スラスタにより、これらの衛星は収集した廃棄物を地球に持ち帰り、それを溶かしてさらに燃料を作ることができる。[45]
瓦礫処理の障壁
コンピュータとデジタル化産業の急速な発展により、20世紀初頭以降、より多くの国と企業が宇宙活動に従事するようになりました。コモンズの悲劇とは、共有資源を利用して自己の利益を最大化することが、すべての人が共有する資源の劣化につながる可能性がある状況を指す経済理論です。[232]この理論に基づくと、宇宙での個人の合理的な行動は、軌道がデブリで混雑するという非合理的な集合的結果につながります。共有資源として、地球の軌道、特にほとんどの衛星を収容するLEOとGEOは排除不可能で競争的です。[233]
この悲劇に対処し、宇宙の持続可能性を確保するために、多くの技術的アプローチが開発されてきた。統治メカニズムの点では、宇宙関係者の数が増えているため、トップダウンの中央集権型は複雑なデブリ問題に取り組むのにあまり適していない。 [234]代わりに、エリノア・オストロムによって開発された多中心型の統治形態が宇宙で機能する可能性がある。 [235]多中心ネットワークを推進する過程では、対処する必要がある既存の障壁がいくつかある。
宇宙ゴミに関する不完全なデータ
軌道上のデブリは、宇宙開発国と非宇宙開発国の両方に影響を及ぼす地球規模の問題であるため、世界規模の文脈で対処する必要がある。[232]宇宙船、デブリ、隕石などの物体の動きの複雑性とダイナミクスのため、米国、欧州、ロシア、中国を含む多くの国と地域は、宇宙での潜在的な脅威を回避したり、事前に行動を計画したりするために、宇宙状況認識（SSA）を開発してきた。 [236]ある程度、SSAは宇宙デブリを追跡する役割を果たしている。強力なSSAシステムを構築するには、国際協力と情報とデータの交換という2つの前提条件がある。[236]しかし、過去数十年にわたってデータの品質が向上しているにもかかわらず、限界は存在する。一部の宇宙大国は、収集した情報を共有したがらず、米国のようにデータを共有した国もその一部を秘密にしている。 [ 237]多くのSSAプログラムと国家データベースは、協調して連携するのではなく、多少の重複を伴いながら並行して運営されており、協調的な監視システムの形成を妨げています。[237]
民間の主体もSSAシステムの構築を試みている。例えば、2009年に設立された宇宙データ協会（SDA）は非政府組織である。現在は、21の世界的衛星事業者と、ユーテルサット、インマルサット、インテルサット、SESの4つの執行部メンバーで構成されている。SDAは非営利のプラットフォームであり、事業者が独自にデータをプールすることで、無線干渉や宇宙衝突を回避することを目指している。[236]研究者は、SSAネットワークはデブリ追跡システムと完全に同じではないため、宇宙デブリに関する情報を交換するための国際センターを設立することが不可欠であると示唆している。SSAネットワークは、宇宙で活動し脅威となる物体に重点を置いている。[238]デブリの数や機能停止した衛星に関しては、データを提供している事業者はほとんどいない。[238]
多中心的ガバナンスネットワークでは、総合的に監視できないリソースは適切に管理される可能性が低くなります。[237]不十分な国際協力と情報共有は、瓦礫問題への取り組みに対する抵抗をもたらします。完全なデータをカバーし、強力な相互接続性と相互運用性を備えたグローバルネットワークを構築するには、まだ長い道のりがあります。
民間主体の参加が不十分
衛星や宇宙の商業化に伴い、民間部門は宇宙活動への関心を高めている。例えば、SpaceXは、世界中のどこにでも高速インターネットを送信できる約12,000の小型衛星のネットワークを構築することを計画している。[239]商業宇宙船の割合は、1980年代の4.6％から2010年代には55.6％に増加した。[240]商業団体の参加率が高いにもかかわらず、国連COPUOSはかつて、加盟国から正式に招待されない限り、議論で発言する権利を意図的に排除していた。[234]オストロム氏は、ルールの設計と実施プロセスにすべての関係者が関与することが、ガバナンスを成功させる重要な要素の1つであると述べた。[241]民間主体の排除は、すべての宇宙利用者の利益を反映した集団選択の取り決めを行う委員会の役割の有効性を大幅に低下させる。[234]
民間主体の関与が限られていると、宇宙デブリへの取り組みが遅れる。[242 ]ガバナンスネットワーク内の異なるステークホルダー間のつながりは、多様なリソースへのアクセスを提供する。[243]ステークホルダー間の能力の違いは、タスクをより合理的に割り当てるのに役立つ可能性がある。その場合、民間事業者の専門知識と経験は、世界が宇宙の持続可能性を達成するのを支援するために不可欠である。[242]さまざまなステークホルダーの補完的な強みにより、ガバナンスネットワークは変化に対してより適応し、共通の目標をより効果的に達成することができる。[243]近年、多くの民間主体が宇宙デブリ除去の商業的機会を見出している。2022年までに、デブリの監視と除去の世界市場は約29億ドルの収益を生み出すと推定されている。[244]たとえば、アストロスケールは、軌道上のデブリを除去する能力を開発するために、欧州および日本の宇宙機関と契約を結んでいる。[245]それにもかかわらず、宇宙に衛星を打ち上げた者の数と比較すると、デブリの数はまだ少ない。アメリカのエンジニア、アレックス・フィールディング、宇宙環境保護活動家モリバ・ジャー、アップル共同創業者のスティーブ・ウォズニアックが立ち上げたハワイを拠点とするスタートアップ企業、プライベーター・スペースは、2021年9月に宇宙ゴミを調査するために数百の衛星を軌道に乗せる計画を発表した。[246]しかし、同社は「ステルスモード」であり、そのような衛星は打ち上げられていないと述べている。[246]
幸いなことに、現在の宇宙探査は競争によって完全に推進されているわけではなく、先進国と発展途上国の両方ですべての利害関係者の間で対話と協力が行われ、宇宙ゴミへの取り組みについて合意に達し、公平で秩序ある探査が保証されるチャンスがまだ存在している。[247]民間主体に加えて、ネットワークガバナンスは必ずしも国家の役割を排除するものではない。むしろ、国家のさまざまな機能がガバナンスプロセスを促進する可能性がある。[248]研究者は、宇宙ゴミの多中心的ガバナンスネットワークを改善するために、政治レベルでさまざまな国家および組織のデータベース間でのデータ共有を奨励すること、相互運用性を向上させるためにデータ収集システムの共通標準を開発すること、国内外の議論に民間主体を関与させることで民間主体の参加を強化することを提案している。[237]
他の天体について
月の周囲に宇宙ゴミが増加する危険性があるため、月周回ミッションにおける緩和課題として宇宙ゴミの問題が提起されている。[249] [250]
2022年3月4日、人類が作った初めての宇宙ゴミ（おそらく2014年の嫦娥5号T1ミッションで使用された長征3Cロケット第3段）が意図せず月面に衝突し、予想外の二重クレーターを形成したと考えられている。[251] [252]
2022年、火星でいくつかの宇宙ゴミが発見された。ジェゼロクレーターの表面でパーセベランスのバックシェルが発見され、 [253]また、探査車の降下段階から来たと思われる断熱ブランケットの一部も発見された。[254] [255]
2024年2月現在[update]、火星には約7トンの人工の破片が散乱している。そのほとんどは墜落した宇宙船や使用されていない宇宙船、廃棄された部品などである。[256] [257]
大衆文化では
『世界の果てまで』（1991年）は、制御不能になったインドの原子力衛星が大気圏に再突入し、地球の広大な人口密集地域を脅かすという状況を背景にしたフランスのSFドラマである。 [258]
アルフォンソ・キュアロン監督による2013年のサバイバル映画『ゼロ・グラビティ』は、ケスラー症候群によって引き起こされた宇宙ミッション中の惨事を描いた作品である。 [259]
ラブ、デス&ロボット（2019年）シーズン1の第11話「助け合い」は、宇宙飛行士が宇宙ゴミのネジにぶつかり、軌道上の衛星から落下する物語である。[260]
漫画・アニメ『プラネテス』は、宇宙ゴミを収集・処分するスペースデブリステーションの乗組員たちの物語である。[261]
宇宙ゴミは、SF小説のテーマとしてだけでなく、スペース・スイーパーズ（2021年）のような宇宙ゴミ清掃人の物語のように、物語の貯蔵庫として、あるいは物語の結果や環境として、他の物語でも取り上げられています。
ジェリーとシルビア・アンダーソンのUFO SF テレビシリーズのエピソード「Conflict」では、小型のエイリアンの宇宙船が軌道ブースターなどの地球の宇宙ゴミを利用して、 SHADOの軌道宇宙侵入者探知機( SID ) で探知されなくなる様子が描かれています。
参照
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- ニコライ・スミルノフ『宇宙デブリ：危険評価と軽減』ボカラトン、フロリダ州：CRC Press、2002年、ISBN 0-415-27907-0。
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- 「宇宙デブリに関する技術報告書、1999年」、国連、2006年。ISBN 92-1-100813-1。
- ロビン・ビースブローク (2015)。『宇宙での能動的デブリ除去：地球環境から宇宙デブリを除去する方法』CreateSpace。ISBN 978-1-5085-2918-7。
- ハチャドゥリアン、ラフィ、「ゴミ星雲：何百万もの人工物が地球を周回しています。そのうちの1つが災害を引き起こすでしょうか？」、2020年9月28日、pp. 44–52、54–55。 「ある推定によると、1ミリメートルの大きさの破片が1億個あり、1ミクロンほどの破片も1億個あります。私たちはゴミのコロナの中で暮らしています。この問題を無視すると、地球の近くを周回するすべての衛星が破壊される可能性があります。人類が宇宙にますます依存するようになるにつれて、この損失はより深刻に感じられるでしょう。」（p. 47）
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、宇宙ゴミに関連するメディアがあります。
- 宇宙ゴミの整理: 宇宙ゴミインフォグラフィック
- Sativew – 宇宙ゴミをリアルタイムで追跡
- NASA 軌道デブリプログラムオフィス
- SOCRATES: 地球を周回する衛星とデブリの軌道上での接近を予測する無料の毎日のサービス
- スペースジャンク天文学キャストエピソード第82話（2008年？）、全トランスクリプト付き