宇宙の持続可能性

宇宙の持続可能性は、宇宙環境の安全と健康を維持することを目的としています。^[1]

地球上の持続可能性の取り組みと同様に、宇宙の持続可能性は、将来の世代のニーズを損なうことなく、現在の社会のニーズを満たすために宇宙環境を利用することを目指しています。^{[2] [3] [4]}通常、地球に最も近い宇宙、低軌道（LEO）に焦点を当てています。この環境は最も多く使用され、したがって人間にとって最も関連があるためです。^[5]また、静止赤道軌道（GEO）も考慮されます。この軌道は、地球周回ミッションの設計で人気のあるもう1つの選択肢です。^[6]

宇宙の持続可能性の問題は、近年、衛星やその他の宇宙物体の打ち上げが増加するにつれて、注目を集めている新しい現象です。^[7]これらの打ち上げにより、地球を周回する宇宙ゴミが増加し、国家が宇宙環境で活動する能力が妨げられるとともに、将来の打ち上げ関連事故のリスクが高まり、宇宙の適切な使用が妨げられる可能性があります。^{[8] [9]} 宇宙天気も、宇宙船の故障の大きな要因となります。^[6]寿命終了時の宇宙船廃棄に関する現在のプロトコルは、ミッション設計で概して遵守されておらず、廃棄に余分な時間を必要とします。^{[10] [11]}

これまでの政策イニシアチブを通じて作られた前例は、宇宙汚染の初期の緩和を促進し、宇宙の持続可能性の取り組みの基盤を築きました。^[10]さらなる緩和のために、国際的かつ学際的なコンソーシアムが、既存の運用を分析し、標準を策定し、持続可能なアプローチを優先する将来の手順を奨励するために前進しました。^[12]気候変動の影響と、時間が迫るにつれて宇宙船へのリスクが増大するため、宇宙環境との持続可能な相互作用への移行は緊急性を増しています。^{[11] [13]}

宇宙の持続可能性には、すべての宇宙参加者が3つのコンセンサスを持つことが必要である。宇宙分野は平和的に利用されるべきであり、共同で宇宙分野を危害から保護し、環境、経済、安全保障上の宇宙探査を通じて宇宙利用を最大化する必要がある。^[14]これらのコンセンサスは、宇宙の持続可能性と国際安全保障の関係も明確にし、国家や個人がさまざまな目的で宇宙を探査していることを明らかにしている。彼らの宇宙への依存は、規則、秩序、政策によって導かれ、宇宙環境や宇宙活動に悪影響を与えることなく、より多くの利益を得る必要がある。^[14]

しかし、そのような要求があっても合意に達することは依然として困難である。長期的な持続可能性に関する各国間の議論では、新しい法的制度の導入と適用よりも技術的な改善の方が重視されている。^[15]具体的には、宇宙ゴミに対する技術的アプローチ、例えばゴミ除去が提案されている。^[16]宇宙ゴミに関する具体的なデータも調査されており、持続可能性への影響を研究し、各国間のさらなる協力を促進するのに役立てられている。^[15]

宇宙の持続可能性は、地球近傍軌道の現状と軌道上の大量のデブリに対処するために重要になります。^[16]宇宙船と軌道上のデブリの衝突、宇宙天気、低地球軌道（LEO）の過密状態により、宇宙船は故障率が高くなります。^{[16] [11]}現在の宇宙船の寿命終了プロトコルは、宇宙の持続可能性の危機を悪化させています。多くの宇宙船が適切に処分されず、さらなる衝突の可能性が高まっています。^[16]

軌道デブリは、宇宙に存在する無人で機能していない物体と定義されています。^{[17]この軌道デブリは、}微小隕石との高速衝突などの自然発生的なイベントや、打ち上げロケットの制御された放出などの強制的なイベントの結果として、時間の経過とともにさらに分解します。^[17] LEOでは、これらの衝突は、デブリと宇宙船に対する平均速度9キロメートル/秒（km/s）から14km/秒の間の速度で発生する可能性があります。^[17]ただし、GEOでは、デブリと宇宙船の平均相対速度が通常0km/秒から2.5km/秒の間であるため、これらの高速衝突のリスクははるかに低くなります。^[17] 2012年の時点で、米国統合宇宙作戦センターは、地球の近傍軌道（LEO、GEO、太陽同期軌道）で10cmを超える軌道デブリを21,000個追跡し、そのうち16,000個がカタログ化されています。 宇宙デブリは、小型、中型、大型の3つのカテゴリに分類できます。^[16]小型デブリは、10センチメートル（cm）未満の破片です。^[16]中型デブリは、10cmより大きいが、宇宙船全体ではない破片です。^[16]大型デブリには正式な分類はありませんが、通常は使用されていない衛星や打ち上げロケットなど、宇宙船全体を指します。^[16] LEOで小型デブリを追跡することは困難であり、GEOで小型および中型のデブリを追跡することは困難です。^[17]ただし、この発言はLEOおよびGEOの追跡能力を軽視するものではなく、追跡されたデブリの最小の破片の重量は10グラムほどになることがあります。^[17]デブリの大きさが追跡を妨げている場合、宇宙船はそれを避けることもできず、衝突のリスクを下げることもできません。^[17]ケスラー症候群の可能性は、基本的に衝突ごとにデブリが増えると述べられており、軌道上のデブリの量が増えるにつれて大きくなり、宇宙が完全に使用できなくなるまでさらなる衝突の数が増えます。^[16]

宇宙天気は衛星の健康状態にリスクをもたらし、その結果、軌道上のデブリの量が増える。^[6]宇宙天気はさまざまな方法で衛星の健康状態に影響を与えます。まず、太陽の表面からの表面充電により放電が促進され、軌道上の電子機器が損傷し、ミッションの失敗の脅威となります。^[6] シングルイベントアップセット（SEU）も電子機器を損傷する可能性があります。^[6]誘電体充電とバルク充電も発生し、宇宙船内でエネルギー問題を引き起こします。^[6]さらに、高度1000キロメートル未満では、太陽嵐の間に大気抵抗が宇宙船の高度を上昇させることで増加し、宇宙船にさらに抵抗を加える可能性があります。^[6]これらの要因により、宇宙船の寿命にわたってパフォーマンスが低下し、宇宙船がシステムおよびミッションのさらなる障害を受けやすくなります。^[6]

1957 年に最初の衛星が打ち上げられて以来、この 60 年間で LEO 軌道と GEO 軌道の利用が劇的に増加しました。現在までに約 1 万基の衛星が打ち上げられていますが、現在も稼働しているのは約 2,000 基のみです。^[16]これらの衛星は、通信、ナビゲーション、気象監視、探査など、さまざまな目的に使用できます。今後 10 年以内に、SpaceXなどの企業がさらに 1 万 5,000 基の衛星を LEO 軌道と GEO 軌道に打ち上げると予測されています。^[16]大学や研究機関が製造する超小型衛星も人気が高まっており、地球近傍軌道の過密化に寄与しています。^[11] LEO 軌道と GEO 軌道の過密化により、衛星と軌道上のデブリの衝突の可能性が高まり、宇宙に存在する軌道上のデブリの量がさらに増加し​​ます。^[16]

現在の寿命終了プロトコルでは、ミッション終了時に宇宙船は墓場軌道に追加されるか、または抗力により再突入時に宇宙船が燃え尽きて地球に落下できるほど低い高度に置かれます。^[11]毎年約20個の衛星が墓場軌道に配置されます。^[11]現在、墓場軌道に入った後に衛星を地球に戻すプロセスはありません。^[16]宇宙船が抗力によって地球に戻ってくるプロセスには、10年から100年かかることがあります。^[16]このプロトコルは、地球近傍軌道の過密状態を軽減するために重要です。^[16]

衛星群が宇宙環境に与える影響についても研究されており、例えば、大量の宇宙ゴミが存在する場合の巨大衛星群の衝突確率などが研究されている。研究では巨大衛星群の予測因子は非常に変動しやすいことが示されているが、巨大衛星群に関する具体的な情報は不透明である。^[18]

しかし、ケスラー症候群の場合のように、いかなる壊滅的な衝突も人々と環境に影響を及ぼします。この考え方をメガコンステレーションに当てはめると、メガコンステレーションの存在は潜在的な利益をもたらすかもしれませんが、スペースデブリの管理に十分な助けをもたらすことはないでしょう。^[16 ]同時に、メガコンステレーションが存在するからといって、スペースデブリの状況を過小評価したり無視したりすることはできない。^[16]

軌道上のデブリの存在は、宇宙活動の実施に大きな支障をきたしている。いくつかの警告や議論によってこのことが十分に明らかになったにもかかわらず、宇宙の持続可能性の発展は十分な政治的関心を向けられていない。^[11]デブリ管理は依然として国家の自主的なものであり、管理すべきデブリの量を含め、デブリ管理の慣行を義務付ける法律はない。^[11]国連の宇宙デブリ軽減ガイドラインは、宇宙デブリ管理の初期措置として2007年に公布されたが、その後も宇宙デブリのさらなる制限に関する幅広いコンセンサスや行動は未だに得られていない。

デブリ管理の取り組みに参加したい個人にとっての困難は無視できない。宇宙デブリの運用に参加したい個人やセクターは、打ち上げ国から許可を得る必要があるが、これは打ち上げ国にとって難しい。^[11]これは、宇宙デブリ管理のプロセスが他の宇宙物体に必然的に悪影響を及ぼし、金銭消費の面でその後の責任が大きいためである。^[11]そのため、打ち上げ国は、宇宙デブリ管理にはすべての国の共同の取り組みが必要であると主張するだろう。^[19]しかし、国家間の受け入れを得るためにどのような行動をとることができるかを判断することは困難である。

現在の宇宙の持続可能性への取り組みは、20世紀の規制協定や条約によって確立された前例に大きく依存している。^{[10]この前例の多くは、} 1963年の宇宙条約に含まれているか、それに関連しており、この条約は、宇宙における国家の活動のための法的枠組みを作成するための国連による初期の主要な取り組みの1つを表していた。 ^[20]

国際社会は、スプートニク1号の打ち上げ以前の1950年代から、宇宙汚染について懸念を抱いてきた。^[21]これらの懸念は、宇宙のより遠い領域への探査の増加が、他の惑星に損傷を与える汚染につながり、その結果、これらの天体での人間の探査が制限され、地球に潜在的な危害をもたらす可能性があるという考えから生じた。^[21]これらの懸念に対処するための取り組みは、1956年に国際宇宙連盟（IAF）と国連宇宙空間平和利用委員会（COPUOUS）によって開始された。これらの取り組みは、米国科学アカデミーと国際科学会議（ICSU）を通じて1957年まで継続された。^[21]これらの組織はそれぞれ、宇宙汚染を研究し、その潜在的な結果に最もよく対処するための戦略を立てることを目的としていた。^{[21] ICSUはさらに、地球外探査による汚染に関する委員会（CETEX）を設立し、}宇宙研究委員会（COSPAR）の設立につながる勧告を提出した。^[21] COSPARは現在も国際規模で宇宙研究に取り組んでいます[cosparを引用]。

宇宙の持続可能性に関する国際宇宙法の関連規則は、 1963年に国連総会で採択された宇宙条約に規定されている。 ^[22]宇宙条約には、国際法を宇宙空間に適用するための基本的な枠組みを定める17条が含まれている。^[20]宇宙条約の基本原則には、締約国が「宇宙および天体の有害な汚染を回避する」べきであるという第IX条の規定が含まれるが、^[20]「有害な汚染」の定義は規定されていない。^{[23] [20]}宇宙の持続可能性に関連するその他の条項には、いかなる国家による主権、所有権、または占領からも自由な形での宇宙の公正かつ包括的な国際利用に関する第I条、II条、およびIII条がある。^[20]さらに、第VII条と第VIII条は、宇宙に打ち上げられた物体のそれぞれの国による所有権を保護する一方で、それらの物体によって他国の財産または人員に損害を与えた場合の責任は当該国に帰属させる。^[20]これらの損害が何を伴うのかについての説明や定義は提供されていない。^[20]

第 IX 条の原則は、 科学の専門家の間では一般的に高く評価されている宇宙研究委員会 (COSPAR) の惑星保護政策ガイドラインの基礎となった。 ^[24]しかし、このようなガイドラインは拘束力がなく、法的義務がないため「ソフトロー」と呼ばれることが多い。^[23]惑星保護政策は、主に宇宙探査ミッション中に宇宙環境の汚染を回避するためのベストプラクティスに関する情報を提供することに関係している。^[25] COSPAR は、そのような汚染は科学の進歩、探査、生命探索のミッションを妨げる可能性があるため、そのような汚染の防止は人類にとって最善の利益であると考えている。^[25]さらに、潜在的な宇宙汚染物質の性質はほとんど知られていないため、地球の相互汚染は環境に潜在的に有害である可能性があるという議論がある。^[25]

1963年の宇宙条約に関する宇宙の持続可能性に関連する規制の明確化は、その後数年にわたって行われた。1967年の帰還協定は、行方不明の宇宙飛行士をそれぞれの国に帰還させることに主に関わるが、宇宙条約の署名国は、軌道から地球に帰還した物体を適切な所有者に返還する他の国を支援することも義務付けられている。 ^[26] 1972年の賠償責任条約は、損害が宇宙で発生したか地球上で発生したかにかかわらず、宇宙物体による損害の責任は物体を打ち上げた国に帰属するとしている。^[27]その他の明確化には、各国が宇宙物体を識別するためのメカニズムを作ろうとした1975年の登録条約や、月やその他の近隣惑星の環境の保護を確立した1979年の月協定がある。^{[28] [29]}これらの協定や条約は、20世紀を通じて宇宙探査の重要性が高まり続けたため、当初の宇宙条約を改善しようとする試みであった。^[21]

国家と宇宙機関はともに、宇宙の長期的持続可能性を促進する法律や規制の改善に取り組んでいる。例えば、2016年にフランス、英国などが署名した宇宙デブリ軽減のための欧州行動規範などである。 ^[16]中国、ブラジル、メキシコなどは、長期的な宇宙の持続可能性に関する法的背景と方法論的措置を備えている。^{[30] [31] [32]}しかし、主な問題は、宇宙の持続可能性の概念が国家間で合意されるまで、地域間の取り組みがうまく機能していないことである。^[16]

現在、宇宙空間平和利用委員会（COPUOS）は、各国に対し、機関間宇宙デブリ調整（IADC）などの機関が策定した宇宙デブリ軽減ガイドラインを国内法に取り入れ、国家の行動を規制するよう奨励している。^[33]スイス、オランダ、スペインなど一部の国はこれに前向きに対応している。しかし、日本やオーストラリアなど、国内法でデブリ管理のアプローチを考慮していない国もまだある。^[16] COPUOS会議の多くの代表者は、宇宙デブリ管理は技術と資金に密接に関連していると主張し、そうする理由を述べた。技術は動的で常に進化している。したがって、現時点では、デブリ管理ガイドラインを国内法に取り入れることは当面の優先事項ではない。^[34]

ある研究では、地球の周りの軌道空間を「追加の生態系」または「人間の環境の共通の部分」として扱い、地球上の海洋と同じ懸念と規制の対象となるべきであり、真のコストとリスクの現在の自由な外部化を規制するガバナンスの根拠を概説しました。科学者は世界的な法律を自ら制定して施行する手段を持っていないかもしれませんが、この研究は2022年に「国家レベルと国際レベルでの新しい政策、規則、規制」が必要であると結論付けました。^{[35] [36]}

持続可能性の緩和努力には、設計仕様、ポリシーの変更、宇宙デブリの除去、軌道上の半機能的技術の修復などが含まれますが、これらに限定されません。^{[16] [37] [12] [38]}取り組みは、通常運用中およびミッション後の分解中に放出されるデブリを規制することから始まります [6]。過去数十年間に高速衝突や軌道デブリに対する認識が高まったため、ミッションではこれらのリスクを考慮して設計仕様を調整してきました。^[17]たとえば、RADARSATプログラムでは、宇宙船に 17 キログラムのシールドを実装し、プログラムの予測成功率が 50% から 87% に向上しました。^[17]緩和のもう 1 つの取り組みは、半機能的衛星を修復することで、これにより「デブリ」として分類された宇宙船を「機能的」にすることができます。^[10]宇宙デブリの緩和は、通常運用、衝突、意図的な破壊中のデブリの放出を制限することに重点を置いています。^[16]緩和策には、蓄積されたエネルギーや運用段階によるミッション後の分解の可能性を減らすことや、宇宙船のミッション終了時の廃棄手順に対処することも含まれます。^[16]

規制による持続可能性対策を先導する一例として、宇宙持続可能性評価（SSR）が挙げられます。これは、業界の競合他社が持続可能性を宇宙船の設計に組み込むきっかけとなっています。^[12]宇宙持続可能性評価は、国際的かつ学際的なコンソーシアムによって設計された世界経済フォーラムの宇宙技術に関する世界未来評議会で初めて概念化されました。^[12] 4つの主要組織は、欧州宇宙機関、マサチューセッツ工科大学、テキサス大学オースティン校、ブライステックであり、SSRの技術的側面とプログラム的側面を定義することを目的としています。^[37] SSRは、持続可能で責任ある運用を優先するように業界にインセンティブを与えることにより、軌道上のデブリと戦う革新的なアプローチを表しています。^[12]この対応には、ミッションの目的と高品質のサービスを維持しながら、宇宙環境や他の宇宙船への潜在的な危害を考慮することが含まれます。^[37]この評価は、建築分野のエネルギーと環境デザインにおけるリーダーシップ（LEED）など、他の基準からインスピレーションを得ています。評価で重視された要素のいくつかは、フィードバックや一般からのコメントの取り入れ、あるいは軌道の断片化リスク、衝突回避能力、追跡可能性、国際基準の採用など、政策に影響を与えるための評価の主張など、LEEDの設計上の考慮事項から抽出されたものである。^[12]

追跡は、宇宙持続可能性評価モジュールの主な取り組みの 1 つです。モジュール「検出可能性、識別、追跡」(DIT) は、衛星ミッションの比較を標準化して、衛星オペレーターが衛星の設計と運用方法を改善し、観測者が衛星を検出、識別、追跡できるようにすることを目的としています。^[12]追跡では、観測者が宇宙船の挙動を長期にわたって監視および予測しようとする場合に課題が生じます。^[37]観測者は衛星の名前、所有者、瞬間的な位置を知っているかもしれませんが、オペレーターは軌道パラメータに関する完全な知識を制御します。^[37]宇宙状況認識 (SSA) は、軌道上の衛星とデブリを追跡する際に生じる課題を解決するためのツールの 1 つです。^[16] SSA は、地上のレーダーと光学ステーションを使用してオブジェクトを継続的に追跡するため、デブリの軌道経路を予測し、衝突を回避できます。^[16]衛星、光学望遠鏡、レーダーシステム、スーパーコンピュータなど30の異なるシステムにデータを送信し、衝突の危険性を数日前に予測します。^{[16]軌道上のデブリを追跡する他の取り組みは、}米国の宇宙監視ネットワーク（SSN）によって行われています。^[17]

SSRの「外部サービス」モジュールでは、評価は、寿命末期の除去サービスの使用または使用の実証へのコミットメントを提供します。^[12]宇宙デブリの軽減対策は、実際の現在の準拠率が約60パーセントであり、デブリ環境を安定化させるのに不十分であることがわかりました。^[16]さらに、1997年から2003年の間に寿命を迎えた103機の宇宙船のうち、約30パーセントという低い準拠率が墓場軌道に廃棄されました。^[16]将来の世代のためにLEOの寿命を延ばすための政策が追いついていないため、アクティブデブリ除去（ADR）などの措置が、LEO環境の将来を安定させるために検討されています。^[16]最も有名な除去コンセプトは、指向性エネルギー、運動量交換または電気力学、空気抵抗増大、ソーラーセイル、補助推進装置、減速面、軌道上捕捉に基づいています。^{[16 [13]}軌道上の大型デブリは将来的に何万もの破片の潜在的な発生源となるため、ADRの取り組みは、質量が大きく断面積が大きく、人口密集地域にあり、高度が高い物体に重点を置いています。この場合、退役した衛星やロケット本体が優先されます。^[16]宇宙デブリ除去に向けたその他の実用的な進歩には、RemoveDEBRISやEnd-of-Life Service（ELS-d）などのミッションがあります。^[16]

^{宇宙デブリ[11]}とロケット燃料の排出^[38]に関するこれまでの規制と緩和の緩和状態は、衝突とオゾン層の破壊を通じて地球の成層圏を悪化させ、宇宙船の寿命を通じてその健康に対するリスクを増大させています。

打ち上げられる衛星の増加とLEOの軌道デブリの量の増加により、^[16] LEOが時間の経過とともにアクセス不能になるリスク（ケスラー症候群に従って）の可能性が高まっています。スペースデブリの発生を軽減するポリシーは、各国の自主規範の領域に属しますが、宇宙環境を意図的な危害から保護するのは宇宙条約第I条か第IX条のどちらであるかについては論争があり、まだ支持されていません。^[11] 2007年、中国政府は対衛星兵器実験（ASAT）の一環として、使用されていない中国の衛星を意図的に破壊し、LEOに5センチメートル以上のスペースデブリ約2800個を撒き散らしました。^[39]分析では、この破壊から9年後もデブリの約80％がLEOに残ると結論付けられました。^[39]さらに、この破壊により、風雲1号Cの破壊と同じ年に打ち上げられた3つのイタリアの衛星の衝突の可能性が高まりました。^[39]衝突の増加率は10～60％の範囲であった。^[39]しかし、中国政府に対する法的措置は取られなかった。^[39]

ロケットが宇宙に打ち上げられると、その燃料の一部が地球の成層圏に進入する。ロケット燃料の排出物は、二酸化炭素、水、塩酸、アルミナ、すす粒子で構成されている。ロケット燃料からの最も懸念される排出物は、固体ロケットモーター（SRM）からの塩素とアルミナ粒子、および灯油燃料エンジンからのすすである。エンジン排気ガスからの塩酸が解離すると、遊離塩素が成層圏を自由に動き回る。^[40]これらの塩素とアルミナの化学反応がオゾン層の破壊を引き起こす。さらに、すす粒子は成層圏上の黒い傘の上に形成され、地球表面の温度を下げてオゾン層をさらに破壊する可能性があり、これは意図しない地球工学の形である。^[38]地球工学の性質は、地球温暖化を緩和する一形態として議論されており、禁止される可能性があり、ロケットが成層圏に撒き散らす煤粒子に対して責任を問われる可能性があります。主に液体酸素（LOX）とモノメチルヒドラジンエンジンを中心に、新しいタイプのエンジンと燃料が登場していますが、オゾン層に大きな影響を与える2つの分子である水酸化物と窒素酸化物化合物の排出を除いて、環境への影響についての研究はほとんどありません。^[38]現在、ロケット燃料の排出は、地球の環境とLEOへの影響に関しては重要ではないと考えられています。^[38]しかし、今後数年間で排出量が増加し、ロケット燃料の地球温暖化への寄与ははるかに大きくなります。

宇宙の持続可能性の概念や考え方は、低軌道（LEO）にとどまる傾向がある。 ^[41]無視できない理由の1つは、未知のことを推測するよりも、目の前の問題について議論する方が簡単だということ。^[11]また、アポロ17号がミッションを完了し、1972年に低軌道にとどまって以来、低軌道での有人宇宙ミッションは存在しなくなったことを証明する例もある。^[42]このように、視線がLEOに限定されない場合、より近い月が次に探査される対象になる可能性があると合理的に想定できます。^[11]月の軌道とLEOはどちらも宇宙環境の一部です。LEOにスペースデブリが存在するという文脈では、月軌道にもデブリの厄介な問題があると推測するのは当然です。宇宙の持続可能性に関連するLEOの場合と同様のスペースデブリ対策が講じられるでしょう。^[11]

月だけでなく、他の天体も研究対象となっている。2016年の国際宇宙会議で、スペースXの最高経営責任者であるイーロン・マスクは、22世紀に火星を探査するという野心的な目標を説明した。 ^[43]しかし、長距離宇宙飛行を実現するための技術的な側面や、その技術に関連する規則や法的側面など、複雑な問題が残っており、すべて考慮する必要がある。^[11]

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