Riken space debris
Image credit: 理化学研究所
 理化学研究所(理研)は4月21日、高強度レーザーを使ってスペース・デブリ(宇宙ゴミ)を除去する技術を考案したと発表した。
 これは理研と、フランスのエコール・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、イタリアのトリノ大学、カリフォルニア大学アーバイン校からなる共同研究グループによって考案されたもので、論文は宇宙工学の国際的専門誌である『Acta Astronautica』誌に掲載される予定で、それに先立ち13日にはオンライン版に掲載されたという。
 発表によると、まず高強度レーザーをスペース・デブリに照射することで、その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)が起こる。そのプラズマが噴き出す反作用(反力)を使い、デブリの持つ速度を落とし、大気圏に再突入させるという。研究では、平均パワーが500kW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、100km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わかったという。
 また、検出が難しい10cm以下のスペース・デブリに対しては、EUSO型超広角望遠鏡という望遠鏡を使うことで検出し、その軌道を決定する技術も提案された。EUSO型超広角望遠鏡はプラスマイナス30度の広い視野を持つと同時に、100kmの距離にある0.5cm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つ。まず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、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」という方法を使って求める。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、軌道制御を行う。これにより、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という。
 ただ、理研によれば、実際に運用を行うには、多くの技術的な問題を解決しなければならないという。
 一つ目の課題は、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。高強度レーザーは精密な調整が必要なため、ロケットが打ち上がる際の振動に耐えられないという。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ったという。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たとされる。
 二つ目の課題は、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。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秒程度しかなく、この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る。加えて、100km先のcmサイズの目標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も必要になる。このレーザーの光学系には高い精度と剛性が求められるが、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おり、最新の光学設計技術を使えば、開発は十分可能だと述べられている。
 また、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る。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るが、アブレーションによる反力を使うことで、デブリの回転を止めることが可能であるとされている。
 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700~900kmの極軌道付近に、スペース。デブリ除去専用の宇宙機を打ち上げることを検討しているという。この宇宙機に口径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100km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だという。そしてこの宇宙機を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される。
■高強度レーザーによるスペースデブリ除去技術 | 理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150421_2/

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