スペースデブリ

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スペースデブリ（space debris、デブリ）または宇宙ゴミ（うちゅうゴミ）とは、なんらかの意味がある活動を行うことなく地球の衛星軌道上〔低・中・高軌道〕を周回している人工物体のことである。宇宙開発に伴ってその数は年々増え続け、対策が必要となっている。

概要

ここで言う「スペースデブリ」には、耐用年数を過ぎ機能を停止した（された）、または事故・故障により制御不能となった人工衛星から、衛星などの打上げに使われたロケット本体や、その一部の部品、多段ロケットの切り離しなどによって生じた破片、デブリ同士の衝突で生まれた微細デブリ、更には宇宙飛行士が落とした「手袋・工具^[1]・部品」なども含まれる。なお、天然岩石や鉱物・金属などで構成された宇宙塵（微小な隕石）は「流星物質（メテオロイド）」と呼ばれ区別されている。

旧ソ連がスプートニク1号を打ち上げて以来、世界各国で4,000回を超える打ち上げが行われ、その数倍にも及ぶデブリが発生してきた。多くは大気圏へ再突入し燃え尽きたが、現在もなお4,500トンを越えるものが残されている。

これらスペースデブリの総数は増加の一途^[2]を辿っているうえ、それぞれ異なる軌道を周回しているため、回収及び制御が難しい状態である。これらが活動中の人工衛星や有人宇宙船、国際宇宙ステーション (ISS) などに衝突すれば、設備が破壊されたり乗員の生命に危険が及ぶ恐れがあるため、国際問題となっている。現にニアミスや微小デブリとの衝突などは頻繁に起こっており、1996年にスペースシャトル・エンデバーのミッション (STS-72) で若田光一宇宙飛行士が回収した日本の宇宙実験室 (SFU) には、500箇所近い衝突のあとが確認された。

スペースデブリは、地表から300 - 450kmの低軌道では秒速で7 - 8km/s、36,000kmの静止軌道では秒速3km/sと非常に高速で移動している。さらに軌道傾斜角によっては相対的に秒速10km/s以上で衝突する場合もありえる。運動エネルギーは速度の2乗に比例するため、スペースデブリの破壊力はすさまじく、直径が10cmほどあれば宇宙船は完全に破壊されてしまう。数cmでも致命的な損傷は免れず、さらに数mmのものであっても場合によっては宇宙船の任務遂行能力を奪う（5 - 10mmのデブリと衝突するのは大砲で撃たれるのと等しい）。

このような衝突を防ぐことを目的として地球近傍のデブリ等を観測する活動はスペースガードと呼ばれる。北アメリカ航空宇宙防衛司令部 (NORAD) の宇宙監視ネットワーク (Space Surveillance Network; SSN) 、ロシアの宇宙監視システム (SSS：Space Surveilance System) などでは約10cm以上の比較的大きなデブリをカタログに登録して常時監視が行われており、日本でも美星スペースガードセンター (BSGC)、上斎原スペースガードセンター (KSGC) の2施設でデブリの監視が行われている。カタログ登録されたデブリの数だけでも約9,000個に及び、1mm以下の微細デブリまでも含めると数百万とも数千万個とも言われる。

ブレークアップ

人工衛星や多段ロケットの最終段などが軌道上で爆発することを「ブレークアップ（破砕、爆散）」という。1961年から2000年までに163回のブレークアップが起きており、多い時は1回で数百個から千個以上（観測可能なものだけで）のスペースデブリが発生する。これらは爆発前の軌道に沿って雲のような塊（デブリ・クラウド）を形成するが、時間が経つにつれて徐々に拡散していく。

ブレークアップの原因としては次のようなものが挙げられる。

意図的な破壊: 衛星攻撃兵器 (ASAT) の実験や、軍事衛星が他国の領内に落下することを防ぐための指令爆破など。冷戦中には米ソとも人工衛星の破壊実験を何度か行ったが、デブリの危険性が明らかになるにつれて自粛されるようになった。; 1984年1月、アメリカが衛星攻撃兵器の実験を行った。F-15戦闘機から発射されたミサイルを目標衛星に命中させることに成功したが、破壊された衛星の破片が大量のデブリとなって残留した。; 2007年1月、中国が弾道ミサイルを使った老朽化した人工衛星の迎撃実験を行った。この結果、一時的に700個前後のデブリが発生したと見られており、NASAは脅威ではないとしながらも、その一部が軌道上に残る可能性があると懸念を表明した。これを受け、国連では宇宙空間で人工衛星を破壊することを禁じる決議を採択することになった。
推進剤の爆発: 役目を終えた液体燃料ロケットの推進剤が残っていると、タンクの隔壁に亀裂が入って燃料と酸化剤が接触・反応したり、太陽熱によってタンクの内圧が上がったりして爆発することがある。これはタンク内の推進剤をすべて放出してしまえば防ぐことが出来るが、そうした措置が取られるようになる前に打ち上げられたロケットが10年以上経ってから爆発した事例もある。; 2007年2月19日に発生したロシアのプロトンロケット上段ブースターの爆発では、1100個以上のデブリの発生が確認されている^[3]。
電気回路のショート: 人工衛星に搭載されている二次電池が回路のショートによって加熱、爆発する。
衝突: 人工衛星同士、デブリと人工衛星、あるいはデブリ同士の衝突。衝突事例を参照。; 特定の軌道をとるデブリの密度が臨界値を越えると、衝突によるブレークアップが連鎖的に発生してデブリが自己増殖する可能性があると言われており、ケスラーシンドロームとも呼ばれる。

意図的なデブリの散布

プロジェクト・ウェストフォードと呼ばれる実験が、アメリカ・マサチューセッツ工科大学のリンカーン研究所によって1963年に行われた。これは長さ2cmの銅製の針を高度3,500 - 3,800km、傾斜角87 - 96度の軌道に散布し、これに電波を反射させる（電離層を宇宙空間に人為的に作り出す）ことで長距離通信を可能にするものであった。当初の目的は達成されたものの散布された針は実に4億8千万個に及び、国際的な批判を浴びた。現在でも多くの針が軌道上を周回している。

対策

カタログ登録された直径10cm以上のデブリは軌道が判っているため、ニアミスの恐れがある場合は衛星の方が軌道を修正して回避することが可能であり、また1cm以下のデブリなら衛星の方にバンパーを設けることで衝突した時のダメージを軽減できるが、その中間の大きさのデブリへの有効な対処は難しい。2009年現在、日本の人工衛星の場合、軌道修正を必要とするような状況はまだ経験していない。

デブリを減らすためには、使用済みのロケットや人工衛星を他の人工衛星と衝突しない軌道（墓場軌道）に乗せるか大気圏突入させる、デブリを何らかの手段で回収するなどの対策が必要である。これらの対策は少しずつ開始されているが、小さなデブリを回収する手段については（レーザーで溶かしてしまうというものまで含めて）様々な方法が提案されているものの、まだ実用化されていない。基本的なデブリ対策としては、地上におけるゴミ問題と同様に、ゴミを出さない（発生させない）ようにするのが最良策である。

衝突事例

1981年にはコスモス1275が破壊されて300個以上のデブリとなったが、この衛星には圧力容器のような爆発の原因となりうる内部構造が無いため、デブリとの衝突が疑われている。
1996年にはフランスの人工衛星セリース (Cerise) がデブリと衝突し、衛星の一部が本体からもぎ取られて新たなデブリになっている。衝突の相手は1986年にアリアン・ロケットが破壊された際のデブリのうちの一つであり、カタログ物体同士の初の衝突であった。
2006年にはロシアの静止衛星エクスプレスAM11 (Express-AM11) がデブリとの衝突によって機能不全に陥り、静止軌道から墓場軌道へ移動させられた。
2009年 2月12日には、機能停止中であったロシアの軍事通信衛星コスモス2251号とイリジウム社が運用中であった通信衛星イリジウム33号が衝突し、少なくとも500個以上のスペースデブリを発生させた^[4]。これは非意図的な人工衛星本体同士の衝突としては世界初のものである。

微小デブリ

宇宙空間に長期間曝露されていた物体の表面には多数の微小なクレーターが出来る。衝突したのがメテオロイドかデブリかは、クレーターの底に付着した残留物を分析したり、クレーターの形状から衝突速度を推定することで判断できる。

1983年に打ち上げられたスペースシャトル・チャレンジャー (STS-7) では、軌道上で窓ガラスに何か（おそらく人工衛星から剥がれた塗料の粉だろうと考えられている）が衝突し、深さ約0.5mmの微小クレーターが出来た。また、1984年にチャレンジャー (STS-41-C) はソーラーマックスの外壁2.5平方メートルを回収したが、その表面には約3年の曝露により千個ものクレーターが作られていた。このうちの約7割が人工的なデブリによるものとされている。

その後、ハッブル宇宙望遠鏡の太陽電池パネル（1990年 - 1993年）、SFU（1995年 - 1996年）などの同様の調査により、時代が下るにつれて衝突頻度が加速度的に上昇していることも判明している。つまり、現在、微小デブリとの衝突はきわめて日常的な出来事になっている。