宇宙の深刻なゴミ問題 space junk problem

深刻化するスペースデブリ問題

宇宙においてもゴミ問題が深刻化している。これは、人工衛星やスペースデブリが地球へ落下し来ることの危険だけでなく、混雑している衛星軌道をより窮屈なものにしている可能性も含む。今後、できる限りゴミを増やさない考え方での宇宙開発が必要なのはもちろんであるが、現在あるゴミ（故障や退役した人工衛星や打ち上げ時にでたスペースデブリなど）の回収など、踏み込んだ対策が必要になると思われる。しかし、地球上のゴミ問題と同様にこれらの問題にコストをかけるインセンティブがこれまでは、見いだせなかった。混雑した軌道を利用するために、利用しようとするものが軌道を掃除するなど、何らかのルールが必要であろう。

欧州宇宙機関　ESA（European Space Agency） の宇宙環境報告書2022

https://www.esa.int/Space_Safety/Space_Debris/ESA_s_Space_Environment_Report_2022
2022.04.22

概要
私たちの地球は、変化する気候の研究、グローバルな通信やナビゲーションサービスの提供、重要な科学的質問への回答など、重要な仕事を行う宇宙船に囲まれている。
しかし、これらの宇宙船の軌道には、過去の致命的な破片、つまり、軌道上に捕捉された旧式の衛星やロケットの破片が高速で移動しており、宇宙における私たちの未来を脅かしている。
2002年、関係省庁間デブリ調整委員会（IADC）は、「スペースデブリ軽減ガイドライン」を発表しました。このガイドラインは、デブリの発生を防止するための宇宙ミッションの設計、飛行、廃棄の方法について定めたものである。これらは、私たちの重要な軌道を保護するための大きな一歩であり、20年にわたり宇宙政策、国内法、技術基準の基準として機能してきた。
2016年以降、ESAのスペースデブリ室は、世界の宇宙活動の透明な概観を提供し、これらおよび他の国際的なデブリ削減対策が宇宙飛行の長期的持続可能性をどの程度向上させているかを判断するために、年次宇宙環境報告書を発行している。

ここでは、2022年の報告書の主要な調査結果を紹介する。

解説
現在、かつてないほど多くの人工衛星が打ち上げられている。
これは、地球低軌道における商業衛星コンステレーションの数と規模が拡大していることに起因している。
現在、打ち上げられるロケットは、そのほとんどが安全な廃棄軌道に乗せられ、破片となって危険なデブリとなる前に地球低軌道から切り離される（すべてではない）。
しかし、現在も活動中の人工衛星は、数十年前に打ち上げられ、その後破片になった物体を避けなければならない。また、地球低軌道の混雑した軌道から、寿命が来た人工衛星を撤去することも十分ではない。技術の進歩により、より小さなスペースデブリの破片を発見し、追跡する能力は向上している。宇宙での私たちの行動は改善されつつあるが、長期的にはまだ持続不可能である。

 

軌道上のスペースデブリの量は増え続けている。

3万個以上のスペースデブリが記録され、宇宙監視ネットワークによって定期的に追跡されている。また、技術の進歩に伴い、未確認物体（UI）の数も増えている。しかし、その発生から観測までに時間が経過しているため、特定の「破片化現象」までその起源をたどることは困難で、ESAのモデルに基づくと、1cm以上の大きさの天体の本当の数は100万個以上と思われる。

2020年代は、宇宙飛行の新しい時代の幕開け。

大規模な衛星コンステレーションに必要な技術は、急速に信頼性と小型化が進みました。その結果、この2年間で地球近傍に打ち上げられる商業衛星の数は非常に増えましたが、その大半は重量100～1000kgの小型衛星で、その多くが世界各地に通信サービスを提供するために打ち上げられる。これらの衛星は大きな利益をもたらすが、長期的な持続可能性という点では課題がある。

より多くの人工衛星が相乗り

コンステレーションは、人工衛星の宇宙への進出方法も変えている。2021年には、複数の衛星を同時に軌道に乗せるロケットが過去最多となり、衛星1基あたりの打ち上げコストは削減されるが、監視ネットワークが個々の物体を発見し追跡することが困難になる場合が多くなる。

混み合う地球周回低軌道

打ち上げトラフィックの増加や地球低軌道でのスペースデブリの長寿命化により、混雑の激しい軌道で活動中の人工衛星と他の物体との「コンジャンクション(conjunction)」と呼ばれる接近遭遇が相当数発生している。

2021年に様々な高度にある代表的な衛星が衝突の可能性があるとされた回数が、高度が低いほど、小型衛星や星団に遭遇する頻度が高くなる。また、高高度では、少数の有名な破片の破片に遭遇することが多い。

すべての警報が回避行動を必要とするわけではないが、アラートの数が増えれば増えるほど、宇宙船のオペレータが手動ですべてに対応することは不可能になる。ESAは、人工知能やその他の技術を使って、オペレーターが「衝突回避行動」を行い、誤報の数を減らすための自動化システムを開発している。

いくつかの分野では前進している

デブリ環境にとってプラスになるのは、現在、人工衛星を地球低軌道に投入するために打ち上げられるロケットの多くが、持続可能な方法で廃棄されていることだ。地球の大気圏に突入する「制御再突入」で燃え尽きるものもあれば、25年以内に自然に崩壊する軌道に投入されるものもある。
ロケット本体は、私たちが宇宙へ送る最大の物体であり、交通量の多い軌道上の幹線道路から取り外すことで、爆発したり、多くの危険な破片になったりする可能性を減らすことができる。
地球低軌道で任務を終えた衛星は、責任を持って廃棄されるようになってきているが、まだまだ課題は残っている。廃棄に成功する割合は増えているが、重要な軌道に放置されたまま除去されない衛星があまりにも多い。
スペースデブリの増加を抑えるためには、すべての種類の宇宙物体について、少なくとも90％の除去率を達成することが必要であり、その前に、スペースデブリの清掃を開始する必要がある。
今日、私たちは打ち上げるものに対してより責任を持っているかもしれないが、現在の努力は十分ではない。もし、宇宙物体の打ち上げ、飛行、廃棄の方法を大幅に変えなければ、現在の行動を未来に「外挿」することで、宇宙空間での壊滅的な衝突の回数が増加する可能性があり、長期的には、軌道上の物体の密度が非常に高くなり、物体と破片の衝突がカスケード効果を生み、衝突のたびに破片が発生して、さらなる衝突の可能性が高まる「ケスラー・シンドローム」につながる可能性がある。この時点で、地球低軌道の一部は完全に利用できなくなる。

今こそ行動する時

このような状況を避けるために最も効果的な方法は、多くの宇宙関係者がIADCのスペースデブリ軽減ガイドライン　PDF(jaxa.jp)　に従って、軌道上での爆発を防ぎ、軌道上での衝突を回避し、ミッション終了時に宇宙船を安全に廃棄するための努力をすることである。
もう1つ必要なことは、宇宙環境の浄化を積極的に始めることで、まず既存の大きなデブリが、数十年後にも宇宙船を脅かす破片に分解される前に、人通りの多いエリアから除去することが必要である。2022年4月、地球観測衛星コペルニクスのセンチネル-1Aは、30年前に打ち上げられたこのようなロケットの破片を避けるために回避操作を行わなければならなかった。
クリアスペース1号は、スペースデブリの破片を軌道上から除去する最初のミッションとなる。2013年に打ち上げられた112kgの廃棄されたロケットの部品とランデブーし、捕獲し、安全に大気圏再突入させる予定。
ESAは、デブリ除去に必要な技術を実証するため、また、貴重で限られた軌道上のスペースから危険性の高い物体を除去するための、宇宙における新しい持続可能な商業分野の確立への第一歩として、スイスの新興企業「クリアスペース SA」からこのミッションをサービスとして購入している。

地球上の宇宙ゴミ問題の克服を目指して (nature.com)

https://www.nature.com/articles/d41586-018-06170-1
2018.09.05
ゾンビ衛星、ロケットの破片、衝突の破片などが、地球上の軌道で大きな交通リスクを生み出している。研究者たちは、宇宙空間にある2万個以上の物体がもたらす脅威を減らすために取り組んでいる。

2018年7月2日、CryoSat-2宇宙船は通常通り地球上空700キロメートルの軌道を周回していた。しかしその日、欧州宇宙機関（ESA）のミッションコントローラーは、問題があることに気づいた。1億4000万ユーロ（約1億6200万円）をかけて地球の氷を監視する衛星に向かって、スペースデブリの一部が制御不能な状態で突進してきていたのである。

エンジニアが両方の物体の軌道を追跡しているうちに、衝突の可能性が徐々に高まり、ミッションコントローラは行動を起こすことを余儀なくされた。7月9日、ESAはCryoSat-2をより高い軌道に乗せるためにスラスターを作動させ、そのわずか50分後、デブリは秒速4.1キロメートルの速度で通過した。
地球周辺の宇宙空間がますます混雑する中、このような操作は年々多くなっている。2017年には、民間企業、軍・市民部門、アマチュアが400以上の衛星を軌道に打ち上げ、2000年から2010年の年間平均の4倍以上となった。ボーイング、ワンウェブ、スペースXなどの企業が、今後数年のうちに数百から数千の通信衛星を宇宙に展開する計画を実行すれば、数字はさらに急増する可能性がある。これらの提案された「メガコンステレーション」がすべて稼働すれば、人類が宇宙飛行の歴史の中で打ち上げた人工衛星の数にほぼ匹敵することになる。

これだけの量があれば、災難に見舞われる可能性もある。2009年、アメリカの商業衛星イリジウムがロシアの通信衛星Cosmos-2251に衝突し、何千個もの破片が生まれ、地球低軌道（高度2000キロメートルまでの領域）にある他の衛星の脅威となった。軌道上には、人工衛星からソーラーパネルやロケットの破片まで、全部で約2万個の人工物が存在している。人工衛星の運用者は、衝突の可能性をすべて回避することはできない。本来の仕事に使えるはずの時間と燃料が人工衛星が移動するたびに、消費されてしまうのだ。

宇宙ゴミに関する懸念は、人工衛星時代の初期にさかのぼるが、軌道上の物体の数は急速に増加しており、研究者はこの問題を解決するための新しい方法を研究している。いくつかのチームは、軌道上にあるものを評価する方法を改善し、衛星オペレータがますます混雑する宇宙でより効率的に作業できるようにしようとしている。現在、一部の研究者は、軌道上のあらゆるものの位置に関する最良の情報を含む巨大なデータセットの編集を始めている。また、宇宙ゴミの分類法を開発し、物体の形状や大きさなどの特性を測定して、衛星オペレータが宇宙ゴミをどの程度心配すればよいかを判断できるようにしている研究者もいる。また、任務を終えた衛星を特殊な軌道に移動させ、大気圏で速やかに燃え尽きさせ、宇宙の浄化に役立てようと考えている研究者もいる。

多くの人が、そのような事態は考えられないと言われているが、無秩序な宇宙衝突が数回起こるだけで、破片の連鎖が起こり、地球近傍の宇宙空間が使用不能になる可能性もある。インディアナ州ウエスト・ラファイエットにあるパデュー大学の天体力学研究者であるキャロリン・フルーエは、「このままでは、取り返しのつかないことになる」と言う。

軌道を汚す

天文学者やその他の人々は、1960年代から宇宙ゴミについて心配してきた。当時、彼らは何百万本もの小さな銅の針を軌道上に送り込むという米軍のプロジェクト（ウェスト・フォード計画（Project West Ford）に反対していた。この針はウェストフォード・ニードルズ (Westford Needles)とよばれ、高高度核実験によって電離層（電波を長距離に反射させる大気層）が消滅した場合に、無線通信を可能にするためのものだった。1963年、空軍は針を軌道に乗せ、反射帯を形成することに成功した。針はその後3年間で軌道から自然落下したが、それでも「宇宙を汚す」という懸念があり、プロジェクトは終了した。
ペンシルバニア州フィラデルフィアの科学史家で、アメリカ歴史学会とNASAのフェローであるリサ・ルース・ランドは、「これは、一般の人々が宇宙を清潔に保つべき景観として見た最初の例の1つである」と言う。

1957年にソビエト連邦が最初の人工衛星スプートニクを打ち上げて以来、宇宙にある物体の数は急増し、1970年にはおよそ2000個、2000年にはおよそ7500個、現在ではおよそ2万個が知られてる。軌道上の破片が急増したのは、中国政府がミサイル実験で衛星を爆破した2007年と、2009年のイリジウムとコスモスの衝突事故の2回です。ドイツのダルムシュタットにあるESAのスペースデブリ担当のホルガー・クラッグは、この2つの事故によって何千もの新しい破片が発生し、ESAが毎年行っている20以上の衛星の手入れの約半分を占めたと述べています。

米軍は毎日平均21件の宇宙衝突の可能性に関する警告を発している。来年、空軍が太平洋のクェゼリンに設置する強力な新レーダー施設のスイッチを入れると、この数は劇的に増加すると思われる。この施設によって、米軍は現在の地球低軌道の制限である10センチより小さな物体を検出できるようになり、追跡可能な物体の数が5倍に増加する可能性があるのだ。

宇宙物体を監視する能力が向上しても、軌道上の物体の総数も増加する。つまり、企業、政府、その他の宇宙関係者は、共通の脅威を回避するために新たな方法で協力する必要がある。2000年代以降、宇宙デブリ調整委員会（Inter-Agency Space Debris Coordination Committee）などの国際的なグループが、宇宙の持続可能性を実現するためのガイドラインを策定している。その中には、衛星の寿命が尽きたら、爆発につながる可能性のある残燃料や加圧された物質を排出し、衛星を不活性化させることが含まれている。また、政府間会合では、25年以内に燃え尽きるか崩壊するよう、人工衛星を大気圏深部に降下させることも推奨している。しかし、これまでのところ、この25年というガイドラインを守っているのは、全ミッションの約半分に過ぎない。計画されている巨大衛星のオペレーターたちは、宇宙の責任あるスチュワードになると言っているが、彼らの善意にもかかわらず、問題が増加する可能性があると懸念している。「失敗したり、破産したりしたものはどうなるのか？"彼らはおそらく、宇宙から衛星を撤去するためにお金を使うことはないでしょう。"

宇宙の交通整理

理論的には、衛星の運用者は、ミッションが他の物体に接近することなく安全に飛行できるよう、十分なスペースを持っている。そこで、一部の科学者は、宇宙ゴミの位置を高い精度で把握することで、宇宙ゴミの問題に取り組んでいる。そうすれば、衝突の可能性を回避するために今日行われている不必要な操縦の必要性を軽減することができるだろう。カリフォルニア州エルセグンドにあるエアロスペース社のスペースデブリの専門家であるマーロン・ゾルゲは、「すべてのものがどこにあるかが正確にわかれば、ほとんど問題は起きないだろう」と言う。この分野は、道路や空中での交通管制に似ていることから、宇宙交通管制と呼ばれています。テキサス大学オースティン校の天体力学者であるモリバ・ジャー氏は、空港での忙しい一日を思い浮かべてみてください。航空管制官は、飛行機の位置を1メートル単位で把握している。
しかし、スペースデブリの場合はそうはいかない。軌道上にあるすべての物体が把握されているわけではなく、データベースに登録されているものでも、その精度はまちまちである。その上、既知のスペースデブリの軌道を正確に記載した権威あるカタログは存在しない。
ジャーは、このことを、彼が開発したウェブベースのデータベース「ASTRIAGraph」で説明する。このデータベースは、米国やロシア政府が管理するカタログなど、複数の情報源を利用して、宇宙空間にある物体の位置を視覚化するもので、ある天体の識別子を入力すると、ASTRIAGraphはその天体の軌道を示す紫色の線を描く。
例えば、2007年に打ち上げられたロシアのロケットは、データベースに「32280」という番号で登録されているのですが、この番号はうまく表示されません。ジャー氏がこの番号を入力すると、ASTRIAGraphは2本の紫の線を引きます。アメリカとロシアの情報源は、同じ天体について2つの全く異なる軌道を含んでいます。ジャー氏によると、第3の情報源によって正しい位置が相互相関されない限り、どちらが正しいかを見分けることはほとんど不可能だそうだ。ASTRIAGraphは、現在、宇宙物体の追跡に関する主要な情報源の一部を含んでいるが、すべてではない。米軍のカタログは、公に利用可能な最大のデータベースであるが、機密扱いの衛星の情報が含まれていないことはほぼ確実である。ロシア政府も同様に、多くのデータを非公開にしている。ここ数年、いくつかの商業的な宇宙追跡データベースが立ち上がったが、それらのほとんどは、公に情報を共有していない。
ジャー氏は自らを宇宙環境保護主義者だと言っています。「私は、宇宙を、安全に活動でき、自由で、将来の世代に役立つ場所にしたいのです」。それが実現しない限り、宇宙社会は、すべての宇宙飛行事業者が共通の資源を汚染しているという「コモンズの悲劇」に陥り続けると、彼は主張しています。
彼と他の宇宙環境保護主義者は、少なくともアメリカの宇宙政策に関しては、前進を始めている。ジャー氏は昨年、今年7月に宇宙規制法案を共同提出したテキサス州の共和党上院議員テッド・クルーズ氏の招きで、議会前で宇宙交通管理について証言した。また、ドナルド・トランプ大統領は6月、宇宙政策に関する指令に署名し、その中で、米国の公共宇宙デブリカタログの責任を軍から文民機関、おそらくビジネスを規制する商務省に移行させるとしている。
宇宙政策指令は、米国政府の最高レベルで宇宙ゴミについて議論する貴重な機会である。コロラド州ウェストミンスターにあるMaxar Technologiesの規制、政策、政府契約担当副社長であるMike Gold氏は、「これは我々が本当に真剣にこの会話をした初めてのことだ」と言う。

軌道上の死者

地球を取り巻く宇宙空間はゾンビだらけだ。軌道上にある全天体の約95％は、死んだ衛星や活動停止中の衛星の破片である。衛星を運用している人が、衝突しそうな物体のアラートを受け取ったとき、その破片がどの程度危険なものかを知ることができれば、役に立つ。「どんどん増える天体と、現在のような不確かな情報では、衝突の警告が出るのもやむを得ないでしょう」とフリュー氏は言う。(微小隕石は別の脅威で、まったく追跡できないのです」。）衝突の危険性を評価するためには、衛星オペレータはその物体が何であるかを知る必要があるが、追跡カタログには多くの物体に関する情報がほとんどない。そのような場合、軍や他の宇宙追跡チームは、衝突の可能性がある前の短い期間に、望遠鏡を使って手がかりを集める。
フルーエ教授らは空軍と共同で、軌道上の天体についてほとんど何も分かっていない場合でも、その詳細を迅速に解読する方法を開発している。例えば、天体が上空を通過する際に太陽光をどのように反射するかを調べることで、天体が転倒しているのか安定しているのか、つまり運用されているかどうかを判断する手がかりを得ることができる。彼女のチームはまた、物体の特性評価プロセスをスピードアップするための機械学習アルゴリズムの実験も行っている。
軌道上の物体が何でできているかがわかれば、その脅威を減らすための方法がいくつも考えられる。磁石を使って宇宙ゴミを一掃したり、レーザーで軌道上のゴミを消滅させたり、そらせたりするSFチックな提案もある。イギリスのギルフォードにあるサリー大学の研究者たちは、今後数週間のうちに、ネットを使って試験衛星を捕獲する実験を行う予定で、RemoveDEBRISと呼ばれるこのプロジェクトでは、その後、衛星を大気圏に再突入する軌道にリダイレクトする予定である。しかし、このような積極的な宇宙ゴミの除去方法は、軌道上にある膨大な数の物体を考えると、長期的には現実的ではない。そこで、宇宙ゴミを軽減する最善の方法は、パッシブアプローチであると考える専門家もいる。これは、共振と呼ばれる太陽と月の引力を利用して、衛星を破壊への道に向かわせるもので、ツーソンにあるアリゾナ大学では、天体力学者のアーロン・ローゼングレン氏がその方法を開発している。
ローゼングレン氏は、中軌道（MEO）にある人工衛星の運命を研究しているときに、このアイデアに初めてたどり着いた。中地球軌道は、地球低軌道の終点である約2,000km上空から静止軌道の始点である約35,000km上空までの高度を移動する衛星である。
地球低軌道にある衛星は、強制的に大気圏に再突入させることで廃棄することができ、静止軌道にある衛星のほとんどは、他の天体との相互作用がない「墓場」軌道に安全に乗せることができる。しかし、MEOでは、重力共鳴のために衛星の軌道が長期的に不安定になることがある。この現象を利用するヒントとなったのが、2002年に打ち上げられた欧州宇宙機関（ESA）のγ線宇宙望遠鏡「インテグラル」である。インテグラルは、地球低軌道からMEOを経て静止軌道に至る、引き伸ばされた軌道で移動する。本来なら100年以上宇宙空間に留まるはずだが、2015年、ESAは軌道を微調整することを決定した。ミッションコントローラーは、数回の小さなスラスター燃焼で、重力共振と相互作用する軌道に乗せた。これで、数十年後ではなく、2029年に大気圏に再突入することになった。
2016年、フランスとイタリアのローゼングレンと彼の同僚は、MEOでの物体の振る舞いを規定する軌道共鳴の密な網があることを示した（J. Daquin et al. Celest. Mech. Dyn. Astr. 124, 335-366; 2016）。ローゼングレン氏は、これが解決策の可能性を提供するかもしれないと考えている。この共振の網には、MEOではなく、直接大気圏につながる経路があり、事業者はそれを利用して衛星を運命にまっすぐ送ることができる。私たちはこれを "共振と不安定性を利用した受動的廃棄 "と呼んでいます」とローゼングレン氏は言います。「そう、新しい名前が必要だ。他の研究者は以前からこのコンセプトを探求していましたが、ローゼングレン氏はそれを主流に押し上げようとしている。「これはスペースデブリの中では新しい部類に入るものです。このような空の廃棄高速道路は、簡単にアクセスできるかもしれない。7月にカリフォルニア州パサデナで開催された宇宙会議で、ローゼングレン氏と彼の同僚たちは、1960年代の米国軌道地球物理観測衛星の分析について報告した。その結果、打ち上げの日時を15分程度変えるだけで、衛星が軌道上にとどまる時間に大きな差が出ることがわかった。このような情報は、発射台から出発するのに最適な時間を計算するのに役立つかもしれない。「CryoSat-2」のような衛星の運用者が経験したように、今、積極的に行動することで、将来的に多くのトラブルを回避することができるかもしれない。7月初旬にESAが回避行動を取ることを決めたとき、エンジニアは週末も奔走してその準備をしなければならなかった。ESAのエンジニアであるヴィタリ・ブラウン氏は、宇宙ゴミが安全に通り過ぎた後、CryoSat-2は通常の軌道に戻るのに数日かかったと述べている。
しかし、警告は止むことはなかった。その後数週間の間に、ミッションコントローラは、デブリを避けるために少なくとも6回、さまざまな衛星を移動させなければならなかった。そして、8月23日、彼らは初めてセンチネル-3B衛星を宇宙ゴミを避けなければならなかった。この衛星は軌道上でわずか4ヶ月しか経っていなかった。

衛星のメガコンステレーションは、低軌道、大気、地球|にリスクを生む科学報告書 (nature.com)

https://www.nature.com/articles/s41598-021-89909-7#Abs1
Published: 2021.05.20 

要旨

メガコンステレーションの急速な発展は、地上天文、地球周回軌道、地球超高層大気の悲劇を含むコモンズの複数の悲劇を引き起こす危険性がある。さらに、宇宙資産に適用される家電モデルの採用により、地球環境と宇宙環境の結びつきが十分に考慮されていない。例えば、スターリンクメガコンステレーションからの衛星再突入だけで、メテオロイドによってもたらされるよりも多くのアルミニウムが地球の上層大気に沈着し、高高度アルミナの主要な供給源となり得ることを指摘する。また、メガコンステレーションでは、軌道上の衛星の数が多いため、軌道上で危険な衝突が起こる可能性があることを、簡単なモデルを使って示している。また、メガコンステレーションの衛星の総断面積は、メテオロイドによる衝突のリスクを大きく高める。単一の主体による事実上の軌道占有、不十分な規制の枠組み、フリーライドの可能性が、これらのリスクを悪化させる。数万個の衛星の影響を考慮した規制のあり方とともに、国際協力が急務である。

はじめに

地球低軌道（LEO）上に通信衛星の「メガコンステレーション」を構築するために、企業はかつてない頻度で衛星を軌道に投入している。この2年間で、LEOにある有効な衛星と廃止された衛星の数は50％以上増加し、約5000基（2021年3月30日時点）となっている。スペースX社だけでも、スターリンク・メガコンステレーションの建設に伴い、さらに1万1000基を追加する予定であり、すでに連邦通信委員会（FCC）に対して、さらに3万基の衛星の許可を申請している1。その他、OneWeb、Amazon、Telesat、中国国営企業であるGWなど、同様の計画を持っている。現在のLEOのガバナンスシステムは、徐々に変化しているものの、大規模な衛星システムを扱うには不十分である。ここでは、民生用電子機器モデルを衛星に適用すると、コモンズの複数の悲劇につながる可能性があることを概説している。これらの中には、天文学の妨げやスペースデブリの危険性の増加といったよく知られたものもあれば、地球の上層大気の化学的性質の変化や再突入したデブリによる地表の危険性の増加など、十分に注目されていないものもある。また、特定の軌道領域を多用することは、他のアクターを事実上排除することになり、1967年の宇宙条約に違反する可能性がある。これらの課題はすべて、各国の法律で非協調的に対処するのではなく、国連、機関間デブリ委員会（IADC）、またはアドホックなプロセスなど、多国間の法律策定を通じて協調的に対処することが可能である。どのような法律が作られるかに関わらず、メガコンステレーションは、単一の衛星を見るのではなく、何千もの衛星のシステムを評価し、軌道を含む地球環境の制限を理解した上で行うという、視点と政策の転換を必要とする。
数千個の衛星と1500個のロケットは、LEOではかなりの質量となり、衝突や爆発、厳しい宇宙環境での劣化によって破片になる可能性がある。破片は軌道上の物質の断面を増加させ、それに伴って時間当たりの衝突確率も増加する。最終的には衝突が軌道上の進化を支配するようになり、ケスラーシンドロームと呼ばれる状況になる可能性がある。LEOにはすでに12,000個以上の追跡可能なデブリが存在し、これらは通常、直径10cm以上の大きさである。これらのデブリは、軌道を高速で交差しているため、衛星、宇宙船、宇宙飛行士に脅威を与えている。デブリの長期的な進化のシミュレーションによれば、LEOはすでにケスラーシンドロームの長期的な初期段階にあるが、これは積極的なデブリ除去によって管理できる可能性があることが示唆されている。衛星のメガコンステレーションが加わり、LEOにおける低コストの衛星の一般的な増殖は、環境をさらにストレスにさらすことになる。

成果
全体設定

宇宙空間は広大であるが、個々の衛星や衛星システムには固有の機能があり、それに応じて最適な高度や傾斜がある。そのため、混雑が予想され、定点保持や衝突回避のための能動的な管理が必要であり、自動衝突回避技術は現在も開発中である。また、宇宙状況認識の向上が必要であり、オペレータや地上・宇宙センサーのデータを広く自由に共有することが必要である。また、衛星事業者間の通信の改善も必要であり、2019年には、欧州宇宙機関が、SpaceX社とのメールでの連絡に失敗し、スターリンク衛星との衝突を避けるために地球観測衛星を移動させたことがある。各社がスラスター燃料を温存し、サービスの中断を避けようとする「チキンゲーム」を防ぐため、国際的に採用された「Right of Way」ルールが必要である。SpaceX 社と NASA は最近、衝突のリスクを低減するための協力協定を発表したが、これは一事業者と一機関に過ぎない。完成すれば、スターリンクは現在追跡可能なデブリの数とほぼ同数の衛星を含み、その総質量は現在LEOにあるすべての質量と同じ3000トン以上となる予定で、衛星は狭い軌道上に配置されるため、かつてないほどの混雑が予想され、すでに1258基が軌道上に乗っている（2021年3月30日現在）。OneWebはすでに146基の衛星を設置しており、Amazon、Telesat、GWなど、各国の規制の下で運営されている企業もすぐに追随する可能性がある。

衝突の危険性

メガコンステレーションは大量生産された衛星で構成され、バックアップシステムはほとんどない。この民生用電子機器モデルは、短いアップグレードサイクルと急速な機能拡張を可能にするが、同時にかなりの数の機器が廃棄される。SpaceX社は、5～6年の運用期間が終了した衛星を積極的に軌道からはずす予定だが、このプロセスには6ヶ月かかるので、常に約10％が軌道を外れることになる。もし他社が同じことをすれば、何千もの脱軌道衛星が同じ混雑した空間をゆっくりと通過することになり、衝突の危険性が出てくる。長期的な故障率を予測するのは難しいが、故障が発生すればこの数は増える。脱軌道衛星は追跡され、運用衛星は接近遭遇を避けるように操縦することができる。しかし、これは事業者間の継続的なコミュニケーションと協力に依存しており、現時点ではアドホックで自発的なものである。SpaceX 社が最近 FCC に提出した書簡では、LEO での出来事について、一部の企業が十分な透明性を持っていない可能性を示唆している。混雑とトラフィック管理の課題にもかかわらず、SpaceX社によるFCCへの提出物は、衝突回避操作が実際に軌道シェルで衝突のない運用を維持でき、応答しない衛星と追跡されたデブリとの衝突の確率は無視できることを示唆し ている。しかし、この出願では、スターリンクが使用するシェルを通過して減衰する未追跡デブリを含む未追跡デブリを考慮に入れていない。単純な推定値を用いると、1個の未飛跡デブリがスターリンクの550kmシェル内のどの衛星にも衝突する確率は、1年後に約0.003となります。したがって、軌道上550kmのシェルに230個の未飛行デブリがある場合、シェル内の衛星とデブリの衝突が1回以上起こる可能性は50％である。そのような状況はもっともなことである。軌道離脱率と衝突率のバランスにもよるが、もし、その後のフラグメンテーション事象によって、その軌道シェル内に同量のデブリが発生した場合、衝突の暴走カスケードが発生する可能性がある。
フラグメンテーション事象は、その局所的な軌道に限定されるものでもない。インド2019年のASAT実験は、長寿命のデブリを最小限に抑えるため、高度300km以下で実施された。それにもかかわらず、遠地点が1000kmを超える軌道にデブリが配置された。2021 年 3 月 30 日現在、追跡可能な 3 つのデブリが軌道上に残っている。このような長寿命のデブリは離心率が高いため、1回の軌道で複数の軌道シェルを2回横切ることがある。1つの衛星から大規模な破片が発生すると、LEOにいるすべてのオペレータに影響が及ぶ可能性がある。
デブリの衝突が避けられるとしても、流星は常に脅威である。質量 m > 10-2 g の場合の流星群の累積フラックス15 は約 1.2 × 10-4 meteoroids m-2 year-1 である。このような質量は、衛星に無視できないダメージを与える可能性がある。衛星には遮蔽物があるが、一つの衛星には稀にしか起こらないような事象が、星座全体で共通に起こる可能性がある。
このような混雑や衝突の懸念に対する部分的な対応策として、オペレータは、より少数の衛星からなるメガコンステレーションを構築することが考えられる。しかし、これは、個別にも全体にも、星座の建設と維持の影響を評価するためのオール・オブ・LEOのアプローチの必要性を排除するものではない。

表面衝突と大気圏の影響

失敗もあるが、SpaceX社のロケットの第1段は通常着陸して再利用され、第2段は再突入を制御して遠隔地の海域に堆積される。このベストプラクティスは他が追随しないかもしれない。例えば、OneWebが採用しているソユーズロケットの1段目は再使用できず、2段目の再突入も制御できない。GWに採用されるであろうロングマーチロケットも同様だ。制御不能な再突入は、必ずしも安全基準を満たさないが17、メガコンステレーションによって、この状況はさらに悪化する可能性がある。さらに、何千ものロケットのステージが、未使用のヒドラジン燃料のような有害物質を含んでいる場合、海洋環境に対する累積的な影響は重大である。 1990年代、太平洋の島国は、廃棄されたロケットステージなどによる環境への懸念から、シーローンチ計画に反対した。2016年には、カナダ北極圏のイヌイットが、ロシアがロケットステージを、生物学的に豊かな通年開放水域であるノースウォーターポリニヤに廃棄する行為に抗議した。
最初のスターリンク衛星には、再突入を生き延びる部品がいくつか含まれており、衛星1機の人的被害リスクの最高値は1：17,400と計算され、NASAが推奨する1：10,000の閾値を下回っている。しかし、最初の承認プロセスでは、累積的な死傷リスクは考慮されておらず、当時計画されていた12,000機の衛星すべてに同じ部品が使われていた場合、5年の連続交換サイクルでは、1サイクルあたり45％の確率で1名以上の死傷者が出ることになる。その後のFCCへの請願手続きで問題が明らかになると、SpaceX社は、すべての衛星部品が大気圏で消滅することを視野に入れ、一部の材料を交換したと伝えられている。他の国に拠点を置く他の企業は、このベストプラクティスに従わないかもしれないし、そうすることを要求されるかもしれない。
再突入時の衛星部品の消滅は、実際には材料が消滅しないため、別の問題を引き起こす。スターリンク衛星の乾燥質量は約260kgで、1万2000個で3100トンになります。5年サイクルで考えると、1日平均2トン近くが地球の大気圏に再突入することになる。1 日あたり 54 トンの隕石24 に比べれば小さいが、衛星のほとんどはアルミニウムであり、これに対し、ほとんどの流星はアルミニウムの質量が 1%未満である。したがって、再突入した衛星からの物質の大気中の滞留時間にもよるが、各メガコンステレーションは、特に想定される数の衛星がすべて打ち上げられた場合、高高度の大気中のアルミニウム沈着の自然形態を大きく上回る微粒子を生成する。人為的な大気中のアルミニウム沈着は、地球のアルベドを変化させる方法として、地球工学の文脈で長い間提案されてきた。これらの提案は、科学的に論議を呼び、対照実験ではかなりの反対を受けた。メガコンステレーションは、このプロセスを非制御の実験として開始することになる。
ロケットの打ち上げ自体は、大気に影響を与える。CO2の累積排出量は他の排出源に比べれば少ないが、CO2は関連する指標ではない。スペースX社のファルコン9のようなケロシン燃料のロケットで発生するブラックカーボンや、固体燃料のロケットで発生するアルミナ粒子は、瞬間的な放射強制力につながる。炭化水素燃料のロケットの年間1000回の打ち上げによる排出量の累積効果をモデル化したところ、10年後には、ブラックカーボンが亜音速飛行によるものと同程度の放射強制力をもたらすことがわかった。年間1000回の打ち上げは現在の10倍であるが、複数のメガコンステレーションを建設・更新するためには、打ち上げる回数を飛躍的に増やす必要がある。現在の打上げでは、すでに無視できない放射強制力が生じている可能性が高い。
液体水素を燃料とするロケットはブラックカーボンを発生させないが、より大きなタンクを必要とするため、より大きなロケットが必要となり、ペイロード容量を増やすために固体燃料のブースターがしばしば使用される。SpaceX 社の新しいスターシップは、一度に 400 個のスターリンク衛星を打ち上げるために使用する予定であるが、燃料はメタンで、その燃焼により、ブラックカーボンと同様に放射強制力の一因となり得る煤が生成される。すべての液体燃料は、中層雲の形成に影響を与え、気候に影響を与える可能性がある。ロケットは、成層圏に直接ラジカルを沈着させてオゾン層を脅かすことさえある。固体燃料ロケットは、塩化水素とアルミナを含むため、最も大きなダメージを与える。

議論

FCCのような国の規制当局は、他国への影響を評価することなく、先着順でメガコンステレーションに軌道上のシェルを割り当てている。その結果、衛星を追加することが危険となる可能性もある。この事実上の軌道上の砲弾の占有は、1967年の宇宙条約第1条に違反する可能性が高い。この条約は、宇宙の探査と利用を「全人類の領域」とし、「いかなる差別もなく」すべての国に開放するとしている。また、第2条には、「宇宙空間は、...主権の主張、使用または占領の手段、その他のいかなる手段によっても、国の占有の対象とならない」とある。規制当局は軌道上の貝殻の主権を主張していないが、国営企業が衛星を飽和させることを許可すれば、"他の手段 "による充当を構成する可能性がある。最後に、第9条は、宇宙活動は「他の国の対応する利益に十分配慮して」行われることを要求している。
メガコンステレーション事業者とその規制当局は、差別なく宇宙を探査し利用する権利を行使していること、ライセンスの結果、軌道シェルの利用は時間制限付きであること、衛星は積極的に軌道からはずすことを回答できるだろう。また、各国が数十年にわたり静止軌道のスロットを使用しており、その結果、流用とみなされることなく、任意のスロットから事実上他者を排除していることに言及することもできる。しかし、静止軌道上のスロットの使用は、国際電気通信連合（ITU）が仲介しており、LEOでは同じ役割を担っていない。
もう一つの「ランドラッシュ」は、無線周波数帯をめぐって起きている。ITUは、通信衛星への周波数割り当てに関与している。その拘束力のある文書のもとで、各国は周波数を他者が公平にアクセスできる限られた資源として扱い、それゆえ自国の使用を制限する必要がある。しかし、企業はそのような文書の当事者ではないので、ITUと直接取引することはない。企業は自国の規制当局に免許を申請し、取得する。規制当局は計画プロセスの初期に、使用する周波数を含むメガコンステレーションの一般的な説明を ITU に提出する。企業は、自社の計画するメガコンステレーションによって影響を受ける可能性のある衛星システムとは、他のシステムが自社の申請より前に申請されていれば、調整することが求められるが、自社より後に申請されたシステムとは調整する義務はない。ITUは最近、段階的な管理アプローチを採用し、メガコンステレーションを「マスター登録」に登録するには、一定のマイルストーンが達成されていることが条件となっている。これは、企業が打ち上げの準備が整う何年も前に申請して軌道上のシェルを効果的に主張することを抑止するが、それによって小規模な企業が不利になり、宇宙でまだ活動していない発展途上国の長期的な株式に関する懸念を悪化させるものである。
メガコンステレーションに関する他の側面については、拘束力のある国際的なルールは存在しない。2007年、現在13の宇宙機関が加盟する機関間スペースデブリ調整委員会（IADC）は、衛星の運用期間終了時に直接再突入することが望ましいとしたが、それでも25年以内に脱軌道することを推奨するにとどめた。このガイドラインは、運用期間が短い衛星を何千個も並べたメガコンステレーションには不向きである。また、軌道離脱のタイムスケールが長い場合、高高度の衛星は相対的に高い衝突確率を生じるという配置も見落とされている。IADC は、衝突回避技術や終末脱軌道技術も推奨している。これらはコストを増加させ、2017年にIADCは、そのガイドラインの遵守は「不十分であり、より良い実施に向けた明白な傾向は観察されない」と報告した。より最近の分析では、現在、耐用年数終了ガイドラインの遵守は、いくつかの指標で改善されていることが示されている。しかし、これらの改善は、少なくとも部分的には、スペースX社独自の慣行によって推進されているようであり、他のメガコンステレーション事業者が追随するとは限りません。ガイドラインは、「ただ乗り」を可能にする。つまり、個々の事業者は、他の事業者のコンプライアンスから利益を得ながら、コンプライアンスを遵守しないことによってコストを削減することができるのである。共有の資源を利用する場合、ただ乗りは「コモンズの悲劇」につながる可能性があり、LEO ではまさにこれを回避する必要がある。
最後に、我々は、詳細な議論については他の最近の研究を参照するものの、メガコンステレーションが天文学にもたらす脅威について言及しないのは不注意であろう。簡単に説明すると、チリにある望遠鏡からの画像が台無しになった後、天文学者がスターリンク衛星の数と明るさを減らすように要求した。スペースX社はこれに応え、衛星にバイザーを追加し、肉眼での視認性を低下させたが、望遠鏡で見ると明るいままである。次世代の天空調査や地平線に近い場所での観測、特に日の出や日の入り付近は、特に脆弱であり、惑星防衛のための地球近傍天体観測にとって重要である。オカルトはもう一つの問題で、たとえ無照明の衛星（地球の影を通過する）でも、星の前を通過すると、高速時間領域天文学の妨げになることがある。また、電波天文学の分野でも、メガコンステレーションでは、従来陸上局で使用されていた周波数に加えて、追加の周波数が必要となるため、脅威となっている。これらは帯域外のオーバートーン放射により、保護されたスペクトルを侵害する可能性がある。また、高速で移動する多数の送信局（衛星など）により、さらに干渉が発生する。新しい分析方法によってこれらの影響の一部を軽減することができるが、データの損失は避けられず、各研究に必要な時間が長くなり、科学の全体量も制限される。
希望が持てる理由もある。スペースX社は、まだ十分ではないにせよ、迅速な終末軌道離脱、自動衝突回避、光害を減らすためのバイザーなどで、ある程度のリーダーシップを発揮している。さらに、宇宙を利用する国々は、デブリが軍事衛星を含むすべての衛星を脅かしていることを認識している。拘束力のない国際ガイドラインを拘束力のある国内法に取り入れるなど、国内規制を強化している国もある。しかし、地球の軌道は有限な資源であり、宇宙と地球の環境はつながっており、ある行為者の行動がすべての人に影響を与えるという認識はあまりない。このことが変わらない限り、宇宙におけるコモンズの悲劇が何度も起こる危険性がある。

制御不能なロケットの再突入によって生じる不必要なリスク|自然天文学 (nature.com)

https://www.nature.com/articles/s41550-022-01718-8
Published: 2022.07.11
デブリについて、デブリ問題の歴史について、詳しくは