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2025-12-13 21:00:00
概要を読む
1957 年、ソ連は地球を周回する最初の人工衛星であるスプートニク 1 号を宇宙に打ち上げました。この偉業は宇宙開発競争の始まりとなり、1969年の人類初の月旅行、そして最近では火星への有人飛行や小惑星帯での採掘といった現在の計画を可能にする一連の技術進歩への道を切り開いた。
欧州宇宙機関の調査によると、この約 70 年間の宇宙活動で、探査機、衛星、ロケットの打ち上げは 6,000 回以上行われています。しかし、この進歩のあまり好ましくない結果の 1 つは、膨大な規模で発生する廃棄物です。1 cm から 10 cm の金属、塗料、ガラス、プラスチック、その他の材料の破片が、約 50 万個のデブリからなるスペースデブリのリングを形成します。 1mm未満のスペースデブリの破片を数えると、その数は1億個以上に跳ね上がります。
スペースデブリの最もよく知られた影響の中には、この物質の地球への再突入のエピソードがあります。多くの物体は大気中で崩壊したり海に落ちたりしますが、最終的に地面に衝突するものもあります。これが、2022年にパラナ州サン・マテウス・ド・スルの家から100メートルの地点に落下したスペースXのロケットの破片の運命だった。
しかし、スペースの問題もあります。これらのデブリの軌道は常に安定しているわけではなく、地球の重力の影響によりその経路が変化し、他のスペースデブリの破片と衝突するコースに置かれたり、進行中のミッションが中断されたりする可能性があります。
宇宙船やデブリの軌道を変える可能性のある現象の 1 つは、軌道共鳴として知られています。 Fapesp のサポートによりサン・ジョゼ・ドス・カンポス・キャンパスの科学技術研究所の数学者ホルヘ・ケネティ・S・フォルミガ率いるUnespの研究者グループは、地球に近い軌道にあるどの天体がこの種の擾乱に最も敏感で、したがって宇宙ミッションや宇宙軌道デブリの問題の悪化に大きなリスクをもたらすものを特定できる数学モデルを開発した。
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「この研究の主な動機は、共鳴効果がこれらの軌道に与える変動を特定できるようにすることでした」とフォルミガ氏は言います。で 公開記事 科学雑誌で 宇宙安全工学ジャーナル研究者グループは、最も注目すべき領域をいくつか特定し、軌道上で50メートル変化するだけでも衝突の危険性を高めるのに十分であることを明らかにした。研究者によると、スペースデブリが互いに非常に近い軌道を周回している場合、その経路が少しでも変化するとスペースデブリ同士の衝突が起こり、より多くのデブリが発生する可能性があるという。この「ドミノ効果」はケスラー症候群として知られています。
NASA コンサルタントのドナルド J. ケスラーにちなんで名付けられたこの概念は、地球の軌道上のデブリの量が連鎖衝突を引き起こす点まで増加するというシナリオを説明しています。衝突のたびに新しい破片が生成され、それが新たな衝突の可能性を高め、制御不能なスペースデブリ生成サイクルが確立される可能性があります。
ケスラー症候群では、最悪のシナリオでは、デブリが大量に蓄積し、何も対策を講じなければ、将来の探査ミッションや新しい衛星の打ち上げが事実上不可能になる可能性があると予測されています。
この懸念を念頭に置いて、宇宙機関は 10 cm を超えるスペースデブリの破片の特徴と軌道を記録し始めました。彼らはまた、瓦礫の種類と共鳴効果を最も受けやすい領域を特定しようとしている。衛星打ち上げ計画者は、この一連の情報から、どのエリアをより綿密に監視する必要があるか、または新しいミッションのルートを計画する際に避けるべきエリアを判断できます。
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このビジュアライゼーションは、2024 年 2 月に地球の周りを周回する軌道上の物体を示しています。それは約 31,000 個のオレンジ色の点で始まり、それぞれが追跡可能な破片を表しています。その後、緑色の点が徐々に表示され、約 9,300 個のアクティブな衛星が強調表示されます。
リスク領域
この研究では、地球から 2,000 km 未満の距離にある物体が位置する低地球軌道 (LEO) 範囲に存在する破片を分析しました。ここはまさに、数十年にわたる打ち上げ、ミッション、衝突の結果、宇宙環境で最も混雑した領域です。
研究者らはまた、15:1 の共鳴を持った破片の収集に焦点を当てて分析を行った。言い換えれば、地球がその軸の周りを 1 回転しか完了していないのに、物体は地球の周りを 15 回転しました。著者らによると、この共鳴は衛星が頻繁に使用され、その結果、デブリが存在する領域で発生するという。
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この研究では、グループは CelesTrak データベースを使用しました。このデータベースは、地球近傍の天体からの一連の軌道情報をまとめたもので、研究者や衛星運用者によって広く使用されています。この情報を利用して、主な共鳴ピークが地球から 563 km と 599 km の間の距離、わずか 4 km の範囲で発生していることを特定することができました。これは、物体が地球の周りを周回していて、これらの距離の近くを通過すると、その軌道が変化する可能性が高くなるということを意味します。 「興味深いのは、この 4 km の範囲を離れると、共振効果が確認されなくなったことです。これは、これらの変化がいかに敏感であるかを示しています。たとえ短い距離であっても大きな影響を与える可能性があります。」とフォルミガ氏は言います。
研究は、CelesTrak データとグループ自体が開発した数学モデルを組み合わせて実施され、12,000 日 (約 33 年) にわたる 210 の軌道の進化をシミュレートすることができました。この期間を通じて、研究グループは、デブリが地球から563kmと599kmの範囲を通過するたびに、デブリの軌道にわずかな変化を引き起こす共鳴ピークを特定した。
しかし、研究されたいくつかのシナリオでは、グループは、共鳴がすぐには現れず、長い軌道進化の後にのみ現れることを観察しました。例は、87°の軌道傾斜角を持つデブリのシミュレーションで発生します。これらのケースでは、シミュレーション開始から約 500 日後にのみ効果が現れました。この瞬間、デブリは数メートルの小さな変位を経験し、この出来事の後、軌道は徐々に変化し続けます。
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スペースクリーニング
一般に、結果は、共鳴効果が主にほぼ円形で非常に傾斜した軌道 (傾斜角約 63.4° と 87°) で現れることを示しました。これが起こると、軌道の半軸（空間内の物体からその重力中心までの平均距離）が突然変化し、その変化は最大 50 m に達する可能性があります。言い換えれば、破片がたどる経路は共鳴効果によるわずかな変化の影響を受けやすく、衝突の危険性を高めるのに十分です。
「宇宙のシナリオでは、これは大したことではないと考えるかもしれません」とフォルミガ氏は言います。「しかし、デブリが互いに近く、交差する軌道を移動している場合、この小さな変化は衝撃を引き起こすのに十分です」と彼は説明します。
この数学者は、同じことが衛星や近くの軌道にある他の機器にも当てはまると述べています。 「この小さな変化が衝突を引き起こし、宇宙ミッションを終了させ、資源の多大な浪費を招く可能性があります。すべてはミッション計画が不十分なためです」と彼は言います。
このため、Formiga は、宇宙ミッションに最適なルートを保証し、避けられる可能性のある影響を防ぐために、デブリのマッピングと軌道研究を最新の状態に保つ必要性を強化しています。 2024 年、ブラジルはスペースデブリを監視するための望遠鏡ネットワークの構築を開始しました。その目的は、スペースデブリの継続的な監視を確保し、ブラジルの衛星との衝突のリスクをより効率的に管理できるようにすることです。
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「これにより、国自体が国家任務の監視を行うことができるようになります。デブリの主な軌道特性を知ることで、それがどの共鳴に近いかを発見し、より積極的なミッション計画を立てることが可能になります」とフォルミガ氏は言う。研究者はまた、監視に加えて、ここ数十年に蓄積されたゴミを除去するための空間清掃計画を実行する必要があることも強調しています。 「今こそ浄化を始める時期です。被害はすでに出ています。問題はそこにあります。スペースデブリが地球に再突入し、軌道はますます混雑しています」と彼は述べています。
いくつかの官民宇宙機関は宇宙清掃のためのミッション計画を策定しているが、今日まで効果的に実施されたものはない。スイスのスタートアップ企業と協力した欧州宇宙機関 (ESA) の使命 クリアスペース計画は、4つのロボットアームを備えた宇宙船を使用して、不活性化したロケットの一部を捕捉し、地球の大気圏に引き戻し、大気圏再突入時に燃焼させるというもので、最も進んだ段階である。
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#UNESPの研究者が地球軌道上のスペースデブリを監視するモデルを開発