要約:
地球低軌道上の衛星の数が増加するにつれて、スペースデブリは宇宙船の安全を脅かす重要な問題になりつつあります。ますます混雑する軌道環境に直面して、衛星メーカーや研究機関は、高速のデブリに衝突された場合でも衛星が可能な限り通常の動作を維持できるようにすることを期待して、新素材と 3D プリンティング技術を使用して、新しい衝撃センサー、軽量の保護装甲、シールド構造を開発しています。
現在、地球低軌道にあるスペースデブリは、毎秒約 7 キロメートルの速度で移動する可能性があります。このような速度では、小さな破片であっても衛星電子機器に損傷を与えたり、外部コンポーネントに侵入したり、衛星全体の故障を直接引き起こす可能性があります。欧州宇宙機関のデータによると、地球周回軌道上の人工物体の数は2017年以来2倍以上に増加しており、商用衛星群の配備が続くにつれて問題は悪化している。
スペースデブリには、放棄された人工衛星やロケットの破片だけでなく、衝突後に生成される金属片、プラスチック、塗料の破片、その他の小さな物体も含まれます。それらは非常に小さいため、多くのデブリは地上システムで直接追跡できませんが、高速飛行によって生じる破壊力を過小評価することはできません。欧州宇宙機関は現在、軌道上には追跡可能な物体が数万個あると推定しており、宇宙船に壊滅的な損傷を与えるほど大きい1センチメートルを超えるデブリの実際の数は120万個を超える可能性がある。
衛星メーカーは、新たなスペースデブリの発生を減らすことに加えて、別の実際的な問題、つまり、衝突が避けられない場合に衛星が「生き残る」可能性を高める方法についても検討し始めています。米国カリフォルニア州サンタアナのオーディン・スペースは、衛星の表面に設置する粘着感知ストリップの販売を開始した。内部には振動センサーが装備されており、衛星衝突時に発生する振動を記録し、オペレーターが衝突のおおよその大きさや衝撃力を判断するのに役立ちます。
この技術は、小型衛星業界における長年の問題の解決を約束します。 2021年の調査では、小型衛星の約5台に1台が打ち上げから1年以内に動作を停止し、これらの故障の約60％の原因は不明であることが判明した。デブリの衝突は考えられる原因の 1 つですが、衛星の故障では、何が起こったのかを判断するためにオペレーターが不十分な証拠を残すことがよくあります。
衛星が衝撃のタイミング、強さ、特性を記録できれば、メーカーはこのデータを衛星の故障と関連付けて、さまざまな軌道環境における実際の脅威をより正確に判断できるようになります。このデータは将来的に衛星の構造設計を改善するためにも使用でき、エンジニアは単に衛星全体の保護重量を増やすことなく、最も一般的なデブリの種類と衝突方向を強化することができます。
現在でも、アルミニウムは宇宙船の最も一般的な保護材の 1 つです。多くの衛星はアルミニウム パネルを使用し、胴体を強化するためにアルミニウム ハニカム構造を使用しています。このソリューションは軽量で製造が比較的成熟していますが、高速の破片に直面した場合の保護機能は限られています。
より実績のあるソリューションは、Whipple Shield です。この構造は、衛星の主殻の前方数センチメートルに薄い外部バッファ層を追加します。高速のデブリが外部構造に衝突すると、デブリはまず壊れて蒸発し、その後形成されたデブリ雲が後部の主保護層に衝突し、最終的に宇宙船の内部に伝わる衝撃エネルギーが減少します。ホイップル シールドは非常に効果的であることが証明されていますが、問題は、重量が増加し、衛星設計で最も敏感なパラメータの 2 つである貴重な内部スペースを占有することです。
米国アトランタ近郊の Atomic-6 は、「Space Armor」と呼ばれる代替品を開発しています。同社は複合保護レンガの具体的な成分を明らかにしていないが、各保護レンガは手のひらほどの大きさで、厚さは約2.5センチ、重さはiPhoneとほぼ同じだ。
Atomic-6 のテストでは、この材料が秒速 7.2 キロメートルで移動するエンドウ豆ほどの大きさのアルミニウム製の発射体を阻止できることが示されました。同社の最高経営責任者（CEO）トレバー・スミス氏は、従来の保護構造とは異なり、この材料は金属シールドが破壊された後に形成されるような大量の高速破片を生成しないが、衝突した金属破片は蒸発して保護材料に吸収される可能性があると述べた。
一方、他の研究チームは、異なる素材を組み合わせて保護システムの重量を軽減しようとしています。たとえば、ケブラー繊維は防弾装備に使用されており、国際宇宙ステーションの保護構造にも使用されています。研究者らは、ケブラーと Nextel ファブリック セラミックを組み合わせて、特に小型で低コストの衛星向けに軽量の保護層を作成する実験を行っています。
イタリアのパドヴァ大学の研究者たちは、3D プリンティング技術に着目しました。彼らはアルミニウム、ケブラー、炭素繊維強化樹脂を使用して実験的な保護構造を作成しています。 3D プリンティングの最大の利点は、材料内部の複雑な空洞構造を設計できることです。これらのキャビティにより、保護層を貫通するプロセス中に高速破片が複数回の破砕とエネルギー消費を受けることが可能になり、それによってホイップル シールドと同様の段階的な保護効果が達成されます。
NASA は、保護材として発泡アルミニウムを使用するという別のアイデアもテストしています。アルミフォームの内部には小さな空洞が無数にあります。テストでは、厚さ 6 mm をわずかに超えるアルミニウムフォーム保護層が、アルミニウムフォームソリューションの約 2 倍の重量がある従来のホイップルシールドと同様の保護を提供できました。これは、関連技術がさらに成熟すれば、衛星メーカーは打ち上げ重量を大幅に増加させることなく保護機能を向上できる可能性があることを意味します。
しかし、すべての衛星に適用できる「普遍的な装甲」はありません。異なる軌道のデブリ環境は同じではなく、デブリの組成、サイズ、速度も異なる可能性があります。エンジニアは、衛星が配置されている特定の軌道環境に基づいて、どの材料と構造を使用するかを決定する必要があります。
タレス・アレニア・スペースの保護設計者、ランヴェイグ・マリー・ファーゲスタッド氏は、より正確な軌道上のデブリ環境データが得られれば、技術者は材料を選択し、より的を絞った方法で保護構造を設計できると述べた。言い換えれば、将来の衛星保護の開発は、より強力な材料だけでなく、軌道環境のより正確な理解にも依存することになります。
ここでも衝撃センサーが重要な役割を果たす可能性があります。これまで、衛星メーカーは主に理論モデルに依存して起こり得るデブリの脅威を予測してきましたが、衛星に設置されたセンサーは現実世界の衝撃データを提供できます。このデータを長期にわたって収集することで、運用者は衛星が実際に直面しているデブリの種類と衝撃リスクをより明確に理解し、次世代衛星の保護設計をさらに最適化することができます。
大型の衛星群が地球の低軌道に進入し続けるにつれ、宇宙環境はこれまでの比較的緩やかな運用空間から、ますます混雑したインフラへと変化しつつあります。欧州宇宙機関は、今後新たな宇宙船の打ち上げを中止しても、衝突や崩壊により既存のデブリが増え続ける可能性があると警告している。したがって、新たなデブリの発生を減らし、衛星の耐衝撃性を向上させ、既存のスペースデブリを積極的に除去することが、地球低軌道の長期利用を維持するための重要な対策となるでしょう。
衛星メーカーにとって、将来の競争は、衛星を軽量化、安価にし、打ち上げを容易にすることだけでなく、危険が増大する軌道環境で衛星をいかに長く生存させるかということでもある。センサー、新しい複合材料、アルミニウム発泡体、3D プリント構造などのテクノロジーにより、人工衛星は、単にスペースデブリを「回避する」だけではなく、より強力なアクティブセンシング機能やパッシブ保護機能を備えたものへと徐々に移行してきています。
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