プラズマ・トンネルが、寿命を迎えた人工衛星が地球に落下する仕組みを解明

プラズマ・トンネルが、寿命を迎えた人工衛星が地球に落下する仕組みを解明 アルミニウムの灰が、大気圏再突入した人工衛星から放出され、大気を変化させる可能性がある ドイツの研究者たちは、人工衛星が大気圏に再突入する際のシミュレーションを実験室で行っており、今後増加する衛星コンステレーション群からの再突入がもたらす新たな危険性を明らかにしています。 これらの研究者たちは、人工衛星の破片を高熱プラズマ・ウィンド・トンネルで溶解させ、宇宙ゴミが地球の大気中でどのように燃え尽きるかをシミュレーションしています。これらのテストは、現在低軌道上の衛星数が急増している状況における、衛星再突入に関する傾向を明らかにしつつあります。世界でも、ドイツの研究者たちが行っているような再突入シミュレーションテストを実施できる施設は数えるほどしかありません。特に、研究者たちは、大気圏再突入後に上層大気中に残る灰が、オゾン層の破壊を増加させ、その過程で大気の熱収支を変化させる可能性があると懸念を表明しています。 欧州宇宙機関（ESA）が昨年発表した宇宙環境レポートによると、毎日3基以上の大型人工衛星または使用済みロケットステージが大気圏で燃え尽きています。毎年、数百トンもの人工物が大気圏に再突入し蒸発し、微細な灰の雲を残すほか、一部の破片は地上に落下します。 研究者たちは、これまでのところ、人工衛星の灰の量や地球に落下する人工物の数は比較的少ないと述べています。しかし、低軌道への打ち上げ数が急速に増加している現在、大気圏に再突入する宇宙ゴミのレベルが増加する恐れがあります。ESAによると、6月現在、約18,000基の運用中または廃止された人工衛星が地球を周回しています。SpaceXやBlue Originのような企業は、今後10年間で、巨大な軌道上データセンターを含む数万基の衛星を打ち上げる野望を持っています。中国も、今年最大140回の打ち上げを目指しており、国際電気通信連合（ITU）に、独自のメガコンステレーション衛星群や軌道上データセンター群のためのさらなる打ち上げ計画を提出しています。 現在、ほとんどの人工衛星は5年ごとに新しい技術に置き換えられるように設計されているため、今後数十年で数万トンもの古い宇宙船が大気圏で蒸発する可能性があります。一方、現在大気圏に再突入する宇宙岩石の量は、再突入する宇宙ゴミの量を上回っています。1日あたり推定44トンの宇宙岩石が大気圏に突入し、そのほとんどが燃え尽きます。しかし、宇宙岩石と人工衛星は化学的に大きく異なります。宇宙岩石は主にケイ素と少量のニッケルや鉄などの金属で構成されていますが、宇宙ゴミは主にアルミニウムとチタンで構成されています。 シュトゥットガルト大学宇宙システム研究所で博士号取得を目指して研究しているFabian Hufgard氏は、「人工衛星が寿命を迎えても、消滅するわけではありません。それはアルミニウムの微粒子として大気中に存在し続け、これらの粒子が実際には大気中で何をするのか、私たちはまだ知りません」と述べています。 Hufgard氏は、プラズマ・ウィンド・トンネルを使用して、人工衛星が地球に落下する際の終末期の状態を再現する研究グループの一員です。地上および航空機からの観測によると、この破壊のほとんどは高度60〜80キロメートルで発生しており、これは気球や航空機が到達するには高すぎ、衛星がサンプルを採取するには低すぎます。これまで、宇宙ゴミの化学的・物理的特性をテストすることは非常に困難でした。研究者たちは、コンピューターモデリング、遠隔観測、実験的研究を組み合わせて、このギャップを埋めようとしています。「私たちは、ますます増加する人工衛星の数を見ており、最終的には、大気圏に再突入する人工衛星の数が、影響が出始める可能性のあるレベルに達するでしょう」とHufgard氏は述べています。 宇宙ゴミの大気化学のテスト 大気研究者たちは、燃え尽きた人工衛星からのアルミニウムが酸化アルミニウムを形成することを懸念しています。酸化アルミニウムはアルミナとも呼ばれ、オゾン層の破壊を引き起こし、太陽光を反射する可能性があり、地球の上層大気の熱収支を変化させる可能性があります。これらの化学物質が放出される高度が高いため、大気は、地球表面に近い場所から排出される大気汚染物質よりも、これらの化学物質を除去するのにずっと苦労します。 シュトゥットガルトの研究グループで博士号を取得中の大学院生、Dominic Künstler氏は、「私たちは通常、その領域の大気に何も注入しません。航空機からの排出物は大量に発生しますが、それは循環がより良好な、はるかに低い高度で発生します。上層大気ははるかに孤立しています」と述べています。 さらに、人工衛星の破片が大気圏の炎のような降下を生き延び、財産に損害を与えたり、人命を危険にさらしたりする危険性もあります。 同じくシュトゥットガルトの博士研究員であるClemens Müller氏は、現在、地上にいる人が宇宙ゴミの破片に当たるリスクは非常に低いと述べています。しかし、人工衛星の再突入数が増加するにつれて、全体的なリスクは上昇すると予想されます。 Müller氏は、「ヨーロッパでは、人工衛星を打ち上げたい場合、その一部が再突入を生き延びる確率が1万分の1以下であることを示す必要があります。しかし明らかに、1万基の人工衛星があれば、そのうちの1基が生き残る確率は非常に高くなります。したがって、規則はより厳格にする必要があります」と述べています。 例えば、SpaceXは、同社のStarlink衛星は再突入中に完全に燃え尽きると主張しています。しかし、一部の研究者はその主張に疑問を呈しています。タンクやリアクションホイールを含む衛星のコンポーネントの一部は、チタンのような耐久性のある金属で作られており、アルミニウムとは異なり、再突入中に完全に溶ける可能性は低いです。 宇宙ゴミの再突入に関する知識の不足は、2024年3月に国際宇宙ステーションから投棄されたバッテリーパレットの一部がフロリダの住宅の屋根を貫通した際に明らかになりました。この事件の前、NASAは、特殊なニッケルベース合金であるInconelで作られたバッテリーパレットは完全に燃え尽きると主張していました。 Müller氏によると、この事件の後、シュトゥットガルトのチームは同様のInconelシリンダーを取り上げ、再突入条件をシミュレートするウィンドトンネルテストにかけました。それは溶けませんでした。 「私たちはそれに非常に、非常に高い熱流束を加えましたが、溶かすのはほぼ不可能でした」とMüller氏は述べています。「したがって、基本的に、どのような軌道であっても、この部品が落下してくる場合、それが消滅するチャンスはありませんでした。」 プラズマ・ウィンド・トンネルの熱を宇宙ゴミに加える 現在存在するプラズマ・ウィンド・トンネルは、人工衛星全体を溶かすほど大きくないため、シュトゥットガルトの研究者たちは、再突入中に何が起こるかを理解するために、個々の衛星コンポーネントや標準的な衛星材料の破片を燃焼させています。 再突入する人工衛星は、毎秒約8キロメートルの速度で、密度が増す上層大気を突き抜けていきます。人工衛星の本体と周囲の空気との摩擦が熱を発生させ、1,600℃を超える温度に達することがあります。 Müller氏によると、衛星の破片を溶かすのに十分な時間、ウィンドトンネルでそのようなプラズマ速度を再現することは、現在不可能です。そのため、チームは毎秒3キロメートルまでの比較的遅い流速を使用し、タングステン陰極と銅陽極の間に発生するアーク放電を使用して追加の熱を加えています。「私たちは最大6メガワットの電力を使用できます」とMüller氏は述べています。これにより、「2,000アンペアの電流」が発生します。トンネル内のプラズマは5,000〜8,000℃に達することがあるため、「トンネルの壁には常に水を供給する必要があります。そうでなければ、コンポーネントは瞬時に溶けてしまいます。」実験室での人工衛星再突入シミュレーションでは、アルミニウムの円柱がプラズマ・ウィンド・トンネルテストで溶解され、大気への潜在的な残留効果が明らかになります。