宇宙探査機：欧州の宇宙科学者が衛星を事実上破壊

欧州宇宙機関は宇宙での衛星衝突を研究するための新たな研究プロジェクトを開始する。

「2つの衛星が衝突すると何が起こるのかを解明したいのです」と、このプロジェクトを率いるESAの構造エンジニア、ティツィアナ・カルドネ氏は火曜日に述べた。「これまで、非常に高い衝突エネルギーがどのように消散するかについては多くの仮定が立てられてきましたが、その物理的性質については確固たる理解が得られていません。」

地球外の周辺空間がますます混雑するにつれ、宇宙ゴミは将来の宇宙飛行ミッションにとって深刻な懸念事項となっています。科学者たちはこれまでに衛星同士の衝突をわずか4件しか観測しておらず、これらの衝突に加え、60年間にわたる軌道上打ち上げにより、50万個以上の浮遊ゴミが地球周辺の空間を塞いでいます。

これが積み重なると、宇宙ゴミが宇宙船に衝突する可能性が高まります。衝突によって瓦礫の跡が残り、さらに多くのゴミが排出される可能性があります。

これにより、NASAの元科学者ドナルド・ケスラーにちなんで名付けられた「ケスラー効果」として知られる衝突と破片の暴走連鎖反応が発生する可能性があり、地球近傍軌道上にあるすべてのものが破壊され、破片が時速数千キロで地球を飛び回り、進路上にあるすべてのものを破壊する可能性がある。

衛星衝突は1991年に発生し、ロシアの宇宙船コスモス1934号が、旧型のコスモス926号機の一部に衝突しました。5年後、2度目の衝突はフランスの衛星セリーズとアリアン4号ロケットの破片の間で発生しました。

3回目は2005年、米国の衛星が中国のロケットの破片に衝突した時であり、4回目は2009年にイリジウム衛星とロシアのコスモス2251号の間で起こった。

軌道上で物体を吹き飛ばすのは明らかに逆効果なので、研究者はシミュレーションによる研究に頼らざるを得なくなる。シミュレーションは、ドイツの材料科学研究所であるフラウンホーファー高速ダイナミクス研究所と、イタリアのパドヴァ大学宇宙研究活動センターによって実施されている。

「これまでに判明している4回の衝突のうち、我々が予想した通りに起きたのは1回だけで、両方の衛星が壊滅的に破壊され、破片の雲が発生した」とESAの宇宙デブリオフィスの研究員ホルガー・クラッグ氏は述べた。

他のケースは全く異なっており、私たちの予測には何かが欠けています。様々な衝突パターンをシミュレーションすることで、実際の衝突で何が起こったのかを理解し、私たちのモデルを裏付けたいと考えています。

数値シミュレーションでは、宇宙船を「有限要素メッシュ」としてモデル化します。これは、応力やひずみを受ける物体の予測シミュレーションによく用いられる手法です。物体は「要素」と呼ばれる小さな部分に分割され、衝突時に衛星が破壊されると、要素は粒子の雲へと変化します。

別のシミュレーション手法では、衛星をパネル、燃料タンク、太陽電池パネル、ペイロードなど、多数の部品で構成されていると表現します。衝突時には、これらの部品を結合している物理的なリンクが切断され、断片化します。

研究者たちは、過去の衝突事例とデータのライブラリを活用し、それらを修正することで、衛星同士の衝突時の挙動を追跡することができます。これらのシミュレーションの後、研究者たちは500kg規模の衛星を衝突させる実践的な実験に移ります。

「現在、デブリの挙動に関する知見に基づき、高額なデブリ軽減戦略に取り組んでいるため、この理解は不可欠です。デブリ環境の進化を最大200年先まで予測しています」とクラグ氏は付け加えた。®