スペースデブリ 軌道デブリとは
軌道デブリは、地球の周りを周回する人工物で、廃棄となった宇宙船や上段の打ち上げ機、複数のペイロード用の運搬船、宇宙船が打ち上げ機から分離したりミッション運用中に意図的に放出されたデブリ、宇宙船や上段の爆発や衝突の結果として作られたデブリ、固体ロケットモーターの廃水、熱応力や小さな粒子の衝撃によって放出された塗料の小さな破片など様々な物がある。現在、地球軌道上には、10cmを超える25,000以上の物体が存在することが知られている。
これらは、米国宇宙監視ネットワークによって日常的に監視・追跡されている。その数の統計的推定の基礎となる。1mm未満の軌道デブリの個体数の評価は、帰還した宇宙船の表面の衝突特徴を調べることによって行うことができるが、これは600km未満の高度で動作する宇宙船に限定されている。直径1〜10cmの粒子の推定集団は約500,000個。1mmを超える粒子の数は1億個を超える。2022年1月現在、地球を周回する物質の量は9,000トンを超えている。
これらは、米国宇宙監視ネットワークによって日常的に監視・追跡されている。その数の統計的推定の基礎となる。1mm未満の軌道デブリの個体数の評価は、帰還した宇宙船の表面の衝突特徴を調べることによって行うことができるが、これは600km未満の高度で動作する宇宙船に限定されている。直径1〜10cmの粒子の推定集団は約500,000個。1mmを超える粒子の数は1億個を超える。2022年1月現在、地球を周回する物質の量は9,000トンを超えている。
大きな軌道デブリの主な発生源
2007年以前は、デブリの主な発生源は打ち上げ機の上段と宇宙船の爆発によるものだったが、2007年1月に中国が自国の老朽化した気象衛星「風雲1C（Fengyun）」を対衛星兵器で故意に破壊する実験をし、2009年2月にアメリカの通信衛星イリジウム33号と退役したロシアの軍事通信衛星「コスモス2251（Cosmos 2251）」が誤って衝突したことで、軌道上の大型デブリの数が大幅に増加し、現在、カタログ化されたすべての軌道デブリの3分の1を占めている。
ほとんどの軌道デブリは、地球表面から2,000km以内に存在する。この体積内では、破片の量は高度によって大きく変化する。瓦礫の最大濃度は750-1000 km付近にある。
軌道デブリの移動速度
低軌道(2,000km未満)では、軌道デブリが約7〜8km/sの速度で地球を周回していが、他の宇宙物体との軌道デブリの平均衝突速度は約10km/sであり、弾丸の10倍以上の速度である約15km/sまでであり得る。その結果、小さな破片との衝突にはかなりのエネルギーが加わることになる。
軌道上のデブリが地球軌道に残る期間
高度が高いほど、軌道デブリは通常、地球軌道に長く留まりまる。600km以下の軌道に残されたデブリは、通常、数年以内に地球に落下します。高度800 kmでは、軌道崩壊の時間は何世紀にもわたって測定されることがよくある。1,000kmを超えると、軌道上の破片は通常、1000年以上にわたって地球を周回し続けます。
かなりの量の破片は、再突入中に起こる激しい加熱に耐えられず燃え尽きる。燃え残った残骸は、海や他の水域、またはカナダのツンドラ、オーストラリアのアウトバック、ロシア連邦のシベリアなどの人口のまばらな地域に落ちる可能性が最も高い。過去50年間、毎日平均1つのカタログ化された破片が地球に落ちた。瓦礫の再突入による重傷や重大な物的損害は今のところ確認されていない。
国際宇宙ステーションは軌道上のデブリとの衝突の危険性
米国宇宙監視ネットワークは、軌道デブリの軌道を定期的に調べて、接近遭遇の可能性を特定しています。国際宇宙ステーション(ISS)から数キロメートル以内に別の天体が来ると予測された場合、衝突の可能性が10,000分の1を超えると、ISSは通常、物体から離れるよう移動する。これは平均して年に1回程度、発生している。
国際宇宙ステーションは、これまでに飛行した中で最もシールドの厳しい宇宙船で、ハビタブルコンパートメントや高圧タンクなどの重要なコンポーネントは、通常、直径1cmの破片の衝撃に耐えることができる。重要なISSコンポーネントが直径1〜10cmの破片に衝突するリスクはわずかであり、このリスクを軽減する方法が検討されている。
デブリ問題への対応
低高度の商用通信衛星ネットワーク（イリジウム、オーブコム、グローバルスターなど）は、軌道デブリの発生を最小限に抑えるように設計された方法で展開されおり、多くの場合、上段と宇宙船は、ミッションが完了した後、地球への落下を加速するために低高度軌道に移動配置されます。多くの電気通信や気象探査機が運用する高度36,000km付近の静止軌道上の軌道デブリについて、高度36,000km付近で軌道デブリを検出する能力は限られているが、軌道デブリの個体群はおそらく地球低軌道よりも深刻ではないことが研究によって示されている。しかし、静止軌道は特別な天然資源であるため、多くの宇宙船オペレーターは、ミッションの終了時に古い宇宙船をより高い廃棄軌道にブーストし、静止衛星軌道に新たな衛星を投入できるよう軌道のスペースを空ける努力をしている。
運用中の宇宙船は、非常に小さなサブミリメートルサイズの軌道デブリ(および微小隕石)に日常的に衝突され、ほとんどまたはまったく影響しない。ミリメートルサイズの軌道デブリは、低地球軌道で動作するほとんどの衛星にとって最も高いリスクを示している。2つの大きな物体(直径10cm以上)が誤って衝突する確率は非常に低い。最悪の衝突事件は、2009年2月10日に運用中の米国のイリジウム衛星と退役したロシアのコスモス衛星が衝突したときに起こった。
参考：NASA ORBITAL DEBRIS PROGRAM OFFICE
https://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/
https://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/
参考：Space Debris and Human Spacecraft | NASA
https://www.nasa.gov/mission_pages/station/news/orbital_debris.html
https://www.nasa.gov/mission_pages/station/news/orbital_debris.html
ケスラーシンドローム Kessler syndrome
ケスラー効果、衝突カスケード、アブレーションカスケードとも呼ばれる。1978年にNASAの科学者ドナルド・J・ケスラー[Donald J. Kessler]が提唱したシナリオで、宇宙汚染によって地球低軌道（LEO）の物体の密度が一定以上に高くなり、物体同士の衝突によってスペースデブリが発生し、それらがまたさらなる衝突（新たなデブリの発生）の可能性を高める連鎖（カスケード）が発生しうるというもの。 2009年にケスラーは、モデリングの結果、デブリ環境は既に不安定であり、「過去のデブリの発生源を排除することによって成長のない小さなデブリ環境を実現しようとする試みは、大気中の抗力がそれらを除去するよりも速く将来の衝突による破片が発生するため、おそらく失敗するだろう」と結論づけた。 一つの意味合いは、軌道上でのデブリの分布によって、宇宙活動や特定の軌道範囲の衛星の使用は何世代も困難になってしまうということである。1980年代、アメリカ空軍は、人工衛星などにデブリを衝突させるとどうなるかを調べる実験プログラムを実施した。その結果、マイクロメテオロイドの衝突とは異なるプロセスで、衝突の脅威となる大きな破片の塊が作られることが実証された。
1991年、ケスラーは "Collisional cascading "を発表した。1991 年、ケスラーは当時入手可能な最高のデータを用いて "Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit"を発表した。デブリの生成に関するアメリカ空軍の結論を引用して、彼は、ほとんどすべてのデブリ物体（塗料の破片など）は軽量であるが、その質量のほとんどは1kgか、それ以上の重さのデブリにあると書いている。この質量は衝突時に宇宙船を破壊する可能性があり、臨界質量領域でより多くのデブリを生み出す。
例えば、秒速10kmで衝突する1kgの物体は、宇宙船の中の高密度の要素にぶつかると、1000kgの宇宙船を壊滅的に破壊することができると思われ、そのような場合、1kgを超えるような大きな破片がたくさんできる。
ケスラーの分析では、この問題を3つに分けて考えた。十分低い密度では、衝突による破片の追加はその減衰速度よりも遅く、問題は大きくない。その先には臨界密度があり、そこでは破片の追加が衝突の追加につながる。この臨界密度を超える密度では、生産が崩壊を上回り、連鎖反応によって軌道上のデブリの細分化（数cmの大きさ）がおきる。すなわちデブリの数が増え、宇宙活動の危険性が増す。 この連鎖反応はケスラー症候群として知られている。
2009年初頭に、ケスラーは状況を要約している。
十分な保障措置のない積極的な宇宙活動は、衝突までの時間を大幅に短縮し、将来の宇宙船に耐え難い危険をもたらす可能性がある。宇宙における最も環境的に危険な活動としては、1980年代半ばに戦略的防衛構想によって当初提案されたような大規模な星団、地球軌道上に太陽光発電所を建設するために1970年代後半に検討されたような大規模構造物、過去30年間にソ連、米国、中国が実験したシステムによる対衛星戦などがある。このような積極的な活動は、一つの衛星の故障が、数年よりもはるかに短い期間で多くの衛星の故障を連鎖的に引き起こすような状況を作り出しかねない。
十分な保障措置のない積極的な宇宙活動は、衝突までの時間を大幅に短縮し、将来の宇宙船に耐え難い危険をもたらす可能性がある。宇宙における最も環境的に危険な活動としては、1980年代半ばに戦略的防衛構想によって当初提案されたような大規模な星団、地球軌道上に太陽光発電所を建設するために1970年代後半に検討されたような大規模構造物、過去30年間にソ連、米国、中国が実験したシステムによる対衛星戦などがある。このような積極的な活動は、一つの衛星の故障が、数年よりもはるかに短い期間で多くの衛星の故障を連鎖的に引き起こすような状況を作り出しかねない。
対衛星ミサイル実験
1985年、初めて対衛星（ASAT）ミサイルが衛星の破壊に使用された。アメリカの1985年ASM-135 ASAT実験が行われ、高度555キロメートルを飛行中の衛星ソルウィンドP78-1に、14キログラムのペイロードが時速24000キロメートル（15000mph、6.7km/秒）の速度で命中させた。米空軍のソルウィンドASAT実験の計画を知ったNASAは、実験の影響をモデル化し、衝突によって生じたデブリが1990年代後半にも軌道上に存在すると判断した。それはNASAに、計画中の宇宙ステーションのデブリ遮蔽を強化することを強いることになってしまった。
2007年1月11日、中国は対衛星ミサイルの実験を行い、FY-1C気象衛星の1つをターゲットとし、高度865kmの地点で、質量750kgの衛星に、8km/秒の速度で反対方向に移動する動力学的搭載物を正面衝突させた。その結果生じた破片は、平均高度850キロメートル以上で地球を周回し、おそらく数十年または数世紀にわたって軌道上に残ることになった。
2021年11月15日にロシアのASATミサイルによってコスモス1408衛星が破壊されたことで、大きなデブリ雲が発生し、1500個のデブリが追跡され、小さすぎて追跡できないデブリが数十万個あると推定されている。この衛星は極軌道にあり、その破片は高度300kmから1000kmの間に広がっているため、国際宇宙ステーションや中国の宇宙ステーション（天宮）を含むあらゆるLEO衛星と衝突する危険性がある。
ウェスト・フォード計画（Project West Ford）
ウェストフォード・ニードルズ (Westford Needles)
Public domain, Wikimedia Commons
マサチューセッツ工科大学のリンカーン研究所が1961年と1963年にアメリカ軍を代表して地球上に人工電離層を作るために実施した実験である。これは軍事通信で特定された大きな弱点を解決するために行われた。
冷戦の絶頂期には、すべての国際通信は海底通信ケーブルを介して送信されるか、自然の電離層から反射される短波通信を主体とするものだった。米軍は、ソ連が海底通信ケーブルを切断し、予測不可能な電離層が海外軍との唯一の通信手段になることを余儀なくされるのではないかと懸念していた。その潜在的な脅威を緩和するために、計画された。
特定の長さに切断された小さなワイヤ(パッシブダイポール)から電波を跳ね返すことによって長距離通信を可能にする実験で、世界中に人工電離層を敷設する試みとして行われた。
4億8000万本の銅のダイポールアンテナ(長さ1.78センチメートル、1961の実験では直径25.4マイクロメートルまたは1963年の実験では直径17.8マイクロメートルの銅線）が軌道上に置かれ、グローバルな無線通信を容易にすることを目指した。この長さが選ばれたのは、研究で使用された8GHz信号の半分の波長（半波長）であったため。この半波長ダイポールは、ニードルとも呼ばれ、ディスペンサーと銅ダイポールの重量は40kg、銅ダイポールの質量は19.5kgであった。
4億8000万本の銅のダイポールアンテナ(長さ1.78センチメートル、1961の実験では直径25.4マイクロメートルまたは1963年の実験では直径17.8マイクロメートルの銅線）が軌道上に置かれ、グローバルな無線通信を容易にすることを目指した。この長さが選ばれたのは、研究で使用された8GHz信号の半分の波長（半波長）であったため。この半波長ダイポールは、ニードルとも呼ばれ、ディスペンサーと銅ダイポールの重量は40kg、銅ダイポールの質量は19.5kgであった。
最初の試みである1961年10月21日の実験では、ニードルを適切にばらまくことに失敗した。この後、1963年5月9日の打ち上げで成功し、ニードルは高度3,500~3,800キロメートル の高度96度から87度で中程度の地球軌道に置かれた。無線伝送はこの人工電離層によって反射し、遠く離れた場所と通信することができた。通信テストには、7750MHzと8350MHzの周波数が使用された。しかし、この技術は、現代の通信衛星の開発が進んだのと、他の科学者や他国からの抗議のために、最終的に中止された。
光学と電波の汚染を恐れたイギリスの天文学者や王立天文学会と共にこの行動に抗議し、大いに批判された。ソ連の新聞プラウダも「U.S.A. Dirties Space」という見出しで抗議行動に加わった。
この問題は、国連で提起され、当時の米国国連大使アドライ・スティーブンソンがプロジェクト・ウェスト・フォードに関する出版されたジャーナル記事などを引用して弁解し、他国の国連大使の大多数が示す恐怖をうまく和らげた。彼と記事は、太陽光の圧力がニードルを約3年の短期間だけ軌道にとどめるがその後は地球に引き寄せられ消失するだろうと説明した。国際的な抗議は、最終的に1967年の宇宙条約に含まれる協議条項につながった。
50年後の2013年、正しく展開していなかったダイポールの一部は依然として塊状に残っており、NASAの軌道デブリプログラムオフィスによって軌道デブリとして追跡されている。数は時折再突入するにつれて時間の経過とともに減少しているが、2020年3月現在36本の針の塊がまだ軌道上にあることが確認されている。
陸から最も離れた海、人工衛星の墓場 ポイント・ネモ（Point Nemo）
世界の大洋で最も陸地から離れた地点（ピトケアン諸島、イースター諸島、南極のメイハー島、それぞれ約2,700km離れている）で、到達不能極の一つ。ニュージーランドとチリのほぼ中間地点、南緯48度52分5秒 西経123度23分6秒の南太平洋上。「ネモ」という名称は、ジュール・ヴェルヌの小説『海底二万里』に登場するネモ船長から取られた。ポイント・ネモは南太平洋環流 (en:South Pacific Gyre) の内側に位置し、環流によって、栄養分が豊富な海水がその内部に入ることを妨げている海域で、さらに、大陸から遠く離れている為、有機物はあまり風で運ばれてこない。したがって、生物が比較的棲んでいない場所である。居住区域から隔絶された場所であること、生物多様性も特筆すべきほど複雑ではないため、制御が可能な人工衛星を落下させる目標として地球上で最適な地点であり、古くから「人工衛星の墓場（スペースクラフト・セメタリー）」として注目され、実際に落下が実行されてきた。
人工衛星が地球に落下する際には、大気圏再突入時に大気の断熱圧縮により融解するが、2018年までに250-300機に及ぶ人工衛星の破片が水没していると見られ、同年4月には中華人民共和国の宇宙ステーション「天宮1号」もここに落下された。過去最大の落下物は、2001年に落下したロシア（ソビエト連邦）の宇宙ステーション「ミール」であり、大気圏突入前の重量は約120トンであった。2030年に運用終了する国際宇宙ステーション（ISS）も2031年1月には落下を予定されている。国際宇宙ステーションは約420トンあり、落下プログラムが順調に行われれば、ミールの記録を上回ることになる。
参考：陸から最も離れた海、宇宙施設の墓場「ポイント・ネモ」 写真1枚 国際ニュース：AFPBB News
参考：ポイント・ネモ - Wikipedia
海上保安庁が航行する船舶に注意喚起をする航行警報でもポイント・ネモ周辺の海域へのスペースデブリの落下が「宇宙ゴミ落下」として発表され、落下予定の期間などを公表して注意喚起している。
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