広報活動

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2015年4月21日

理化学研究所
エコール・ポリテクニーク
原子核研究所宇宙物理センター/パリ第7大学
トリノ大学
カリフォルニア大学 アーバイン校

高強度レーザーによるスペースデブリ除去技術

-きれいで安全な宇宙を次世代に-

要旨

理化学研究所(理研)戎崎計算宇宙物理研究室の戎崎俊一主任研究員、光量子工学研究領域光量子技術基盤開発グループの和田智之グループディレクターらの共同研究グル―プは、スペースデブリ(宇宙ゴミ)の除去技術を考案しました。数センチメートル(cm)サイズの小さなスペースデブリを除去する方法の提案は、初めてです。これはエコール・ポリテクニークと原子核研究所宇宙物理センター/パリ第7大学(フランス)、トリノ大学(イタリア)、カリフォルニア大学アーバイン校(米国)との共同研究による成果です。

スペースデブリは、地球衛星軌道を周回する不要な人工物体です。近年宇宙開発の活発化に伴い増え続けています。2000年から2014年の間にスペースデブリの量は約2倍に増えているとされ、宇宙開発における大きな障害になっています。事故や故障で制御不能になった人工衛星、ロケット本体や部品から、スペースデブリ同士の衝突で生まれた微細なものまで、約3000トンのスペースデブリが宇宙を漂っており、それらが互いに異なる軌道をとることから、回収が難しくなっています。活動中の人工衛星や宇宙ステーションなどに衝突すれば、設備破壊だけでなく人命にも関わるため、効率的で実現可能な除去技術の開発が求められています。

共同研究グループは、軌道上から高強度レーザーをスペースデブリに照射し、その結果生ずるプラズマの反力[1]を使って減速させ、地球大気に再突入させて除去することが可能であることを示しました。ファイバーレーザー[2]を並列に用いれば、高強度・高効率・高頻度のパルスレーザーシステム[3]を宇宙機に搭載できます。また、EUSO型超広角望遠鏡[4]を使って、近づいてくるスペースデブリを検出し、その軌道を決定します。

プロトタイプ望遠鏡システムを用いて技術実証を行い、最終的にはスペースデブリの密度が最も高い高度約800㎞の極軌道に打ち上げれば、5年程度で大部分のスペースデブリを除去できることが分かりました。

本研究は、イタリア外務省の支援を受けて行われ、宇宙工学の国際的専門誌である「Acta Astronautica」誌に掲載されるのに先立ち、オンライン版(3月13日付け)に掲載されました。

※共同研究グループ

理化学研究所
戎崎計算宇宙物理研究室
主任研究員  戎崎俊一(えびすざき としかず)
専任研究員 滝澤慶之(たきざわ よしゆき)

光量子工学研究領域 光量子技術基盤開発グループ
グループリーダー 和田智之(わだ さとし)

EUSOチーム
チームリーダー Marco Casolino(マルコ・カソリーノ)
特別研究員 Lech Wiktor Piotrowski(レク・ビクトル・ピオトロブスキー)

フランス エコール・ポリテクニーク
研究員 Mark N. Quinn (マーク・クイン)
研究員 Rémi Soulard(レミ・ソーラード)
研究員 Gérard Mourou(ジェラルド・ムール―)

フランス 原子核研究所宇宙物理センター/パリ第7大学
研究員 Philippe Gorodetzky(フィリップ・ゴロデツキー)
教授 Etienne Parizot(エティエンヌ・パリゾー)

イタリア トリノ大学
助教授 Mario Bertaina(マリオ・ベルタイナ)

カリフォルニア大 アーバイン校
教授 田島 俊樹(たじま としき)

背景

スペースデブリは、地球衛星軌道を周回する不要な人工物体です。近年、宇宙開発の活発化に伴い増え続けており、約3000トン(t)のスペースデブリが地球周回低軌道に存在するといわれています。その相対速度は弾丸よりも速い秒速10キロメートル(km)以上に達するため、小さなスペースデブリであっても、人工衛星や宇宙ステーションに衝突すれば致命的な損傷を与える可能性があります。2009年2月12日に、機能停止中のロシアの軍事通信衛星コスモス2251号と、米国イリジウム社が当時運用中だった低軌道通信衛星イリジウム33号が衝突し、多量のスペースデブリが発生しました。こうして増加したスペースデブリが、他のスペースデブリや衛星に衝突することで、急激なスペースデブリの増加につながることが懸念されています。実際、2000年から2014年の間にスペースデブリの数は2倍近くに増えているとの報告もあります注)

スペースデブリの中でも、特に0.3~10センチメートル(cm)サイズのスペースデブリは非常に多数(およそ70万個以上)存在し、小さいため検出が困難なことから、最も危険とされています。しかし、これらのcmサイズのスペースデブリを除去する方法は提案されておらず、大きなスペースデブリの数を減らすことで、自然に小さなスペースデブリが減少するのを待つしかありませんでした。

注)MASTER2009による見積り(Flegel, S. et al., MASTER2009 Final Report, Institute of Aerospace Systems, June, 2011)

研究手法と成果

共同研究グループは、スペースデブリの除去に高強度レーザーによるアブレーション(固体の表面が蒸発・浸食によって分解する現象)の利用を考えました。高強度レーザーを標的となるスペースデブリに照射するとスペースデブリの固体表面からプラズマが噴き出す現象(プラズマアブレーション)が起きます。そのプラズマが噴き出す反作用(反力)を使えば、スペースデブリに対してかなり大きな力を与えることが可能です(図1)。平均パワーが500kW(キロワット)のレーザービーム(パルス幅は約1ナノ秒)をスペースデブリに照射すれば、100㎞以上離れた場所から10秒程度の照射で10cmサイズのスペースデブリを減速して地球大気へ再突入させることができることが分かりました(図2)。

一方、10cm以下のスペースデブリは地上からの検出が難しく、その多くは、比較的大きなスペースデブリを監視する目的で作られた北アメリカ航空宇宙防衛司令部のカタログにも登録されていません。小さなスペースデブリを検出し、軌道を決めるために、口径約2.5mのEUSO型超広角望遠鏡を用いることを提案しました。EUSO型超広角望遠鏡は±30度の広い視野を持つと同時に、100kmの距離にある0.5㎝の大きさのスペースデブリから反射する太陽光を検出するのに十分な感度を持っています。EUSO型超広角望遠鏡でスペースデブリのおおまかな位置と見かけの速度を決めます。次に、その方向に向かって、レーザー探索ビームを照射し、スペースデブリの正確な位置と距離をLidar[5]という方法を使って求めます。最後にスペースデブリに向けて高強度レーザーを照射して、軌道制御を行います。このようにEUSO型超広角望遠鏡を使うことで、10cm以下の小さなスペースデブリでも検出し、除去することが可能であることを、共同研究チームは示しました。EUSO型超広角望遠鏡は地球大気に入射する超高エネルギー宇宙線を検出するための宇宙望遠鏡(EUSO)計画のために、理研が中心となった国際チームが開発を進めているものです。

今回共同研究グループは、cmサイズのスペースデブリを地球周回軌道から除去する実現可能な方法を初めて考案しました。しかし、その実現には多くの技術的な問題を解決しなければなりません。

1つ目の課題は、平均パワーが500kWに達する宇宙用高強度レーザーを作ることです。高強度レーザーは精密な調整が必要なため、打ち上げロケットの振動に耐えられません。しかし、近年ファイバーレーザーの技術が発達したことで、精密な再調整を必要としない高強度レーザーを作ることが可能になりました(図3)。エコール・ポリテクニークのグループはファイバーを多数並列に使うことで、精密な調整の不要な、高強度かつ高頻度のレーザーを作ることが十分に可能であることを示しています注)

2つ目の課題は、高速で動くスペースデブリの検出からレーザービーム照射による軌道制御までの一連の作業を、1秒程度以下で行わなければいけないことです。軌道制御の限界距離を100km前後とすると、スペースデブリが限界距離を通過する時間は10秒程度しかありません。限られた時間でスペースデブリの検出から起動制御まで行うためには、全ての制御を自動かつ高速に行う望遠鏡を開発する必要があります。加えて、100㎞先のcmサイズのターゲットにレーザーを集中させ、10秒間にわたって追尾し続けるレーザーの光学系が必要になります。このレーザーの光学系には、高い精度と剛性が求められます。光学系の精度はハッブル宇宙望遠鏡などですでに達成されています。500kWものエネルギー密度と1秒で数度の高速追尾に耐える望遠鏡の開発は、現在最新の光学設計技術を使えば十分可能です(図4)。

注)Mourou G. et al. 2013, The future is fibre accelerators, Nature Photonics, 7, 258-261.

今後の期待

共同研究グループは、cmサイズのスペースデブリを地球周回軌道から除去する実現可能な方法を初めて考案しました。今後、国際宇宙ステーションなどを活用して段階的に技術実証し、最終的には、地球観測のための人工衛星が密集する、高度約700~900㎞の極軌道付近に、スペースデブリ除去専用の宇宙機を近くに打ち上げることを提案しています。宇宙機に口径2.5mのEUSO型望遠鏡と平均出力500kWのレーザーを搭載すれば、数分に1回、近づいてくるスペースデブリを約100㎞の距離で検出し、その運動方向からレーザービームを照射してその反力で再突入に導くことが理論的には可能です。この宇宙機を5年程度運用することで、cmサイズのスペースデブリの大部分は除去ができると考えられます。

この技術は、より大きなスペースデブリの除去にも役立つ可能性があります。大きなスペースデブリを捕獲するには、その回転を十分に遅くしておく必要があります。アブレーションによる反力を使うことでスペースデブリの回転を止めることが可能と考えます。

共同研究グループは、米国、ロシア、ヨーロッパ、アジア諸国との国際協力で、スペースデブリの除去を20年内に実行したいと考えています。1950年代に始まった宇宙開発競争の結果、宇宙はゴミだらけになってしまいました。次世代の人類に、きれいで安全な宇宙を渡すために努力することが、今の世代の責務だと考え、今後も研究開発を進めていきます。

原論文情報

  • Toshikazu Ebisuzaki, Mark N. Quinn, Satoshi Wada, Lech Wiktor Piotrowski, Yoshiyuki Takizawa, Marco Casolino, Mario E. Bertaina, Philippe Gorodetzky, Etienne Parizot, Toshiki Tajima, Rémi Soulard, and Gérard Mourou, Demonstration designs for the remediation of space debris from the International Space Station, Acta Astronautica, doi:10.1016/j.actaastro.2015.03.004

発表者

理化学研究所
主任研究員研究室 戎崎計算宇宙物理研究室
主任研究員 戎崎 俊一 (えびすざき としかず)

光量子工学研究領域 光量子技術基盤開発グループ
グループディレクター 和田 智之 (わだ さとし)

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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補足説明

  1. プラズマの反力
    強い輝度の光が物質表面に照射すると、表面の物質がプラズマ化して吹き出してくる。この現象をアブレーションと呼ぶ。その時物質が噴き出す反作用(反力)をスペースデブリが受ける。
  2. ファイバーレーザー
    増幅媒質に光ファイバーを使ったレーザー。精密な調整が必要ないので振動に強く、並列化によって高輝度化も可能なので宇宙用レーザーに適している。
  3. パルスレーザーシステム
    光を短いパルスの形で射出するレーザーシステム。光のエネルギーがパルスの中に集中するので、輝度が高くなり、プラズマアブレーションを起こしやすくなる。
  4. EUSO型超広角望遠鏡
    宇宙から飛来する宇宙線を検出するために開発されている超広角望遠鏡。±30度の広い視野を持ち、宇宙から地球の夜を見て1020eVものエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線が作る空気シャワーを観測するためのExtreme Universe Space Observatory (EUSO)計画のために理研を中心とした国際チームが開発を進めている。視野が広く、高感度で、高い時間分解能を持つので、地上から検出できない小さなスペースデブリでも検出できる。
  5. Lidar
    Light Detection and Rangingの略。レーザービームを射出し、対象物体で反射して帰って来た光が届く時間差で物体までの距離を測定する観測手法。

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レーザービームによるプラズマアブレーションの図

図1 レーザービームによるプラズマアブレーション

強い輝度の光(ここではレーザー)が物質表面に照射されると、表面の物質がプラズマ化して吹き出してくる。この現象をプラズマアブレーションと呼ぶ。その時物質が噴き出す反作用(反力)をスペースデブリが受ける。

レーザービームによるスペースデブリの進路変更の図

図2 レーザービームによるスペースデブリの進路変更

レーザービームが起こしたアブレーションによる反力を、スペースデブリの進行方向とは反対の方向に与えるとその高度が下がり、最終的には地球大気に再突入する。

宇宙用高輝度レーザーシステムを可能とするCANレーザーシステムの図

図3 宇宙用高輝度レーザーシステムを可能とするCANレーザーシステム

レーザーは、多数(1000本以上)のファイバーで並列に増幅され約1.5mの光学系でスペースデブリに向かって射出される。CANは、Coherent Amplification Networkの略。

検出用のEUSO型超広角望遠鏡とレーザー射出用光学系の図

図4 検出用のEUSO型超広角望遠鏡とレーザー射出用光学系

近づいて来るスペースデブリは、EUSO型超広角望遠鏡で検出され、位置と運動方向が決められる。スペースデブリの方向にまず探索ビームを射出し、帰還光子シグナルからその位置と距離と運動方向を正確に求める。最後にプラズマアブレーション用のパルスレーザーが照射される。

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