スペースデブリ(宇宙ゴミ)防止技術が持続可能な宇宙開発に必要な理由~人工流れ星実現を通じた宇宙ビジネス事例(後編)

INTERVIEW

株式会社ALE
チーフエンジニア
蒲池 康

スペースデブリ(宇宙ゴミ)とは、惑星などの重力の存在の影響を受け衛星軌道で数km/秒という高速度で移動する、宇宙空間を漂う役割を終えた人工衛星やロケットなどの物体です。今後宇宙産業に参加する民間企業が多くなると予想される中、われわれ人類が持続可能な宇宙開発を行っていく上でこのスペースデブリへの取り組みは避けられない課題になりそうです。今回は、引き続き人工流れ星を開発している株式会社ALEのチーフエンジニア蒲池康氏に、人工流星源(粒)の素材、速度などの特徴を伺った後、スペースデブリを除去及び防止する技術の開発についてお話を伺いました。

これまで各国政府や機関が主導してきた宇宙開発ですが、技術革新が進み、市場も広がったことで、世界的に民間企業が多く参入し、日本でもいわゆる「宇宙活動法(人工衛星等の打上げ及び人工衛星の管理に関する法律、平成28年法律第76号)」と「衛星リモセン法(衛星リモートセンシング記録の適正な取扱いの確保に関する法律、平成28 年法律第77号)」という宇宙二法の成立を受け、新たな産業創出へ動き始めています。宇宙産業への民間企業参入にはさまざまなケースがありますが、株式会社ALE(東京都港区)は創業者でCEOである岡島礼奈(おかじま・れな)氏の夢である「人工流れ星」を実現しようというスタートアップ企業です。そこで、同社のキーテクノロジーである人工流れ星、そしてスペースデブリ(宇宙ゴミ)という問題解決のための技術について、同社チーフエンジニアである蒲池康(かまち・こう)氏にお話をうかがいました。

人工流星源(粒)の素材、速度、軌道、制御法

──── 人工流れ星の粒はどんな素材なんですか。

蒲池(以下略):
人工流れ星の粒は、単なる金属の塊ではなく、弊社が独自に開発したオリジナルの材料を使っています。また、1個1個の材料や製法にも特殊な技術が入っていて、その詳細については企業秘密です。材料の候補は何百種類の中から、理論を固めつつ、発光の色や時間などを考慮しながら選定しています。


──── 人工流れ星はなぜ輝くのでしょうか。

流れ星や人工衛星などが大気突入する際に燃える現象は、地球大気の摩擦熱で燃え尽きるというより、断熱圧縮といって物体前方の空気が押しつぶされて衝撃波が起きて発熱し、その熱によって物体が加熱されることで蒸発してプラズマとなって強く発光するわけです。1個1個の粒は、かなり明るく発光しますので地上や宇宙から発光を観測することで、大気突入時に起きている化学反応なども観察することができます。


──── 人工流れ星はどのくらいの速度ですか。

人工衛星を打ち上げるロケットは、地球の重力に打ち勝って地球の軌道を周回するほどの速度に加速しているので、人工衛星自体は数km/秒という速度になっています。人工流れ星の粒は高圧ガスによって放出されますが、その速度は空気中の音速と同じくらいの約300m/秒です。この放出速度が遅いと落下するまでに時間がかかってしまい、どこで光るのかの予測も難しくなります。また、あまりにもゆっくり落下させると断熱圧縮による加熱率が下がってしまいます。


──── 人工流れ星はどのような軌道を描いて降ってくるのでしょうか。

人工衛星から方向を調整して人工流れ星の粒を高速で放出し、楕円軌道にのせます。すると地球大気の球体表面と楕円軌道との交点で人工流れ星が発光します。人工流れ星はエンターテインメントとして提供する事業 なので、人間の視野角120度くらいの範囲に人工流れ星を確実に降らせなければなりません。そのため、人間の視野角に収まるような誤差範囲で場所と時間をコントロールできる速度が約300m/秒程度となります。


──── 安全性を担保しつつ狙った場所へ人工流れ星を降らせるのは大変な技術ですね。

そうですね。放出する位置や方向、放出速度などを厳密に管理し、それを1,000粒なら1,000粒、再現性のある動作を繰り返さなければなりません。放出する条件を確実にコントロールするために、制御用のコンピュータを3台搭載し、センサーも各々3つずつ搭載することで確実性を担保しています。

3台かける3台のたすき掛けで自立演算し、人工衛星の位置、方向、放出圧力など9通りのデータを独立した3台のコンピュータが自律判断して放出する3重冗長制御を行っています。宇宙は太陽フレアなどの強い放射線が当たれば、どんなに堅牢なコンピュータでも壊れてしまいます。そのため、独立した演算装置と独立したセンサーで制御を行っています。


人工流れ星のシミュレーション(提供:株式会社ALE)
人工流れ星のシミュレーション(提供:株式会社ALE)


──── 人工流れ星を地上で再現することはできるのでしょうか。

人工流れ星が大気突入する際の現象を地上で再現するのにはいろんな方法があります。例えば、アーク風洞 という装置は前方から加熱した空気を止まった物体に衝突させ、大気突入の際に加熱される様子を模擬 できます。この装置に試験体を入れ、「はやぶさ」などに使われる素材が燃え尽きないかどうかを確認したり、物質の発光の様子を観察したりします。

アーク風洞では、加熱した空気を4km/秒程度の風速で衝突させ、大気突入と同じ程度の熱量になるように調節していますが、弊社でも世界一小さなアーク風洞を開発し、人工流れ星の材料の検証に使っています。


──── 2023年に打ち上げが予定されている3号機ではどのような人工流れ星を降らせるのでしょうか。

3号機にどれくらいの数の粒を搭載するか、マーケティングの観点から検討している最中です。一粒数gの粒は、例えば1,000粒でも数kgなので、長期的な営業のために数は多めに搭載するかもしれません。

1回の放出の数はお客様からの要望次第になりますが、1個1個の粒はその材料によって発光する色が変わってくるので、放出装置の中に材料ごとにどのような順番で並べるのかは今後、決めていきます。1個がレインボーカラーのように変色しながら発光することも理論的には可能ですが、3号機にはどんな発光をする人工流れ星を搭載するのかもまだこれからです。ただ現在、最重要視したいのは発光の強さ、明るさなので、色や変色などは開発日程次第、と考えています。


同社の超小型アーク風洞。人工流れ星の輝く色の確認などをしていると言います。(提供:株式会社ALE)
同社の超小型アーク風洞。人工流れ星の輝く色の確認などをしていると言います。(提供:株式会社ALE)


スペースデブリ(宇宙ゴミ)を除去及び防止する技術の開発

──── 宇宙デブリが問題になっていますが、なぜデブリが高速でぶつかってくるのでしょうか。

これまで打ち上げられた人工衛星やロケットが役割を終えてコントロールが効かなくなり、それぞれ同士が高速でぶつかり合って破壊され、小さな破片が無数に生まれて地球の軌道状の宇宙空間に漂うというケスラーシンドローム(Kessler Syndrome)による宇宙デブリの存在が大きな問題になっています。

宇宙空間では静止している物体はありませんし、実は宇宙は無重力でもありません。宇宙空間に存在する物体は、重力によって地球などに引き寄せられるとともに遠心力によって飛び出そうという力が釣り合った状態で地球などの周りを移動しています。そのため、どんな物体も数km/秒という高速度で移動していますし、惑星などなんらかの重力の存在の影響を受けているんです。

例えば、我々が想像する人工衛星の軌道は、ほとんど地上すれすれです。なぜなら、地球の直径が約6,800kmなのに人工衛星は高度400kmや500kmを周回しているので、重力も地球と同じ程度のものがあるんです。地上すれすれの人工衛星がなぜ落ちてこないのかといえば、それは遠心力が重力と釣り合っているからですが、それほどの遠心力を得るためには数km/秒という高速度が必要になるんです。つまり、宇宙空間に存在し続けるためには、速い速度で移動し続けている必要があるというわけです。


──── この宇宙デブリの問題をどう解決するのでしょうか。

宇宙デブリ対策としては、すでに軌道上にあるスペースデブリを取り除くADR(Active Debris Removal)という技術、そしてこれから生じる宇宙デブリを増やさないPMD(Post-mission Disposal)技術の2つが存在します。弊社では、導電性テザー(EDT、Electrodynamic tether)を利用した宇宙デブリ化防止技術をJAXAや神奈川工科大学、東北大学と共同で開発していますが、これは今後、打ち上げられる人工衛星等に装着する装置でPMD技術になります。


──── これから発生する宇宙デブリのほうが問題なんでしょうか。

実は、宇宙デブリはこれまで打ち上げられた人工衛星やロケットによるものより、今後、打ち上げられるであろう人工衛星やロケットのほうが圧倒的に多いんです。これまでは多くの民間企業が参入していたわけでもありませんし、小さなキューブサットをたくさん打ち上げるようなことは行われてきませんでしたが、これからは民間企業が参入し、超小型衛星が無数に打ち上げられると考えられています。

特に、最近の宇宙開発のトレンドになっているコンステレーション(Constellation)という宇宙空間を小さな人工衛星によって網目のように観測できるように配備し、通信や気象観測、位置情報衛星などに使うことが増えていけば、これまでの数とは桁が違う状況になってくるでしょう。もちろん、今ある宇宙デブリを除去することも重要ですが、これから宇宙デブリを増やさないようにすることはもっと重要と弊社では考えています。


──── 御社の導電性テザー(EDT)というのはどんな技術なんでしょうか。

導電性テザー(EDT)に関しては20年くらい前から研究が始まっている技術です。デバイスからテープを宇宙空間に伸ばして電子を放出し、宇宙のプラズマを回路として、モーターを動かすのと同じローレンツ力によって人工衛星を軌道降下させます。このデバイスをつける人工衛星は超小型のものも含まれ、人工衛星自体が多くの機能を持っているわけではありません。

このデバイスだけでミッション中は絶対に動作せず、ミッション終了後や本体が故障した際には必ず動作するという機構を1個1個、ローコストで装着するというのは打ち上げ費用もかかる分、難しい技術的な課題だと考えています。


同社の導電性テザー(EDT)を利用した宇宙デブリ防止装置の図(提供:株式会社ALE)
同社の導電性テザー(EDT)を利用した宇宙デブリ防止装置の図(提供:株式会社ALE)


──── 人工流れ星の技術が導電性テザー(EDT)に生かされているということでしょうか。

これは人工流れ星の技術と同じですが、ミッション開始前やミッション中には絶対に作動してはならない装置であり、ミッション終了後や人工衛星が故障した場合には安定して作動しなければならない技術です。従来の導電性テザー(EDT)は、人工衛星が壊れてしまうと作動しなかったんですが、そうした課題を解決するデバイスになっています。

神奈川工科大学は以前から導電性テザー(EDT)を研究開発していて、JAXAは神奈川工科大学の技術とJAXAの持つ電子を放出するデバイス技術を用いて「こうのとり」で導電性テザー(EDT)の実証実験をしたことがあります。弊社はそこに人工流れ星でつちかってきた信頼性の高い技術で開発に参加したということになります。


──── 宇宙開発への民間企業参入ではこうした宇宙デブリ防止デバイスが義務化されるのでしょうか。

宇宙への民間参入について、今後は宇宙法のもと運用する企業が日本国籍なら日本政府の内閣府が管理することになっています。これは日本の場合ですが、米国やヨーロッパなどでは各国に同じような審査機構があって管理されることになります。宇宙デブリの問題は各国でも共有していますから、今後、打ち上げられる人工衛星には宇宙デブリを増やさない導電性テザー(EDT)のようなデバイスの装着が義務化されていくと考えています。


人工流れ星を利用した中層大気の気象観測の可能性

──── 人工流れ星の技術で気象予報などもできるのでしょうか。

中層大気の気象観測に関する技術としては、人工流れ星を使って調査するのはかなりチャレンジングで、これまで実施されたことのない実証実験になります。いろんな条件下で同じ物体を大気突入させた場合、差が出るか差が出ないかを調べ、差が出たら中層大気に差があることになります。その結果、高い感度をもった気象観測ができる可能性があります。

ただ、人工流れ星によって得られるデータが気象予測に使えるかどうか、まだやってみないとわからない部分です。なぜなら、人工流れ星が大気突入する高度60kmや高度70kmのような高い層のデータは取り入れてこなかったからです。長期的な気象観測ができるようになってくると、その高度のデータが価値をもつ可能性はあります。


──── 気象データには需要があるのではないでしょうか。

そうですね。人工流れ星だけではわからないので、弊社では例えば大気を観測するセンサーを世界中の研究機関と連携して開発するなどしています。大気データの取得は現在、検証しているところですが、地球温暖化や異常気象などの観測に必要なデータとして、間違いなく需要はあります。

ただ、そこをどうマネタイズしていくのか、仕組み自体もまだ整備されていないのでそのあたりが問題でしょう。また、大気データをもとにした気象予測も、今後、得られるであろうビッグデータをどうアルゴリズムを作って分析していくのか、弊社だけではなくほかの企業や研究機関などと連携しつつ、開発していこうと考えています。


──── 航空宇宙産業は参入障壁が高いといわれています。

やはり宇宙ビジネスで共通しているのは打ち上げコストも安くないので、打ち上げ前には120%成功する保証がないといけないんですね。こうした信頼を得るためには、技術やデバイスが採用されてから何年もかかると考えています。


株式会社ALE チーフエンジニア 蒲池康(かまち・こう)氏
千葉県出身。早稲田大学大学院理工学研究院物質開発工学専攻修了。その後キヤノン株式会社入社。プラズマ処理やイオンビーム加工、電子線改質、3Dプリンター開発のプロジェクトリーダーを務める。2016年、ALEに入社。ALEではチーフエンジニアとして、人工流れ星を正確に明るく光らせる研究開発、流れ星の軌道解析や発光強度計算、人工衛星の設計、システム安全設計、次世代技術の研究開発など技術開発全般を担当している
株式会社ALE チーフエンジニア 蒲池康(かまち・こう)氏
千葉県出身。早稲田大学大学院理工学研究院物質開発工学専攻修了。その後キヤノン株式会社入社。プラズマ処理やイオンビーム加工、電子線改質、3Dプリンター開発のプロジェクトリーダーを務める。2016年、ALEに入社。ALEではチーフエンジニアとして、人工流れ星を正確に明るく光らせる研究開発、流れ星の軌道解析や発光強度計算、人工衛星の設計、システム安全設計、次世代技術の研究開発など技術開発全般を担当している


2023年に打ち上げ予定の3号機は、2年から5年くらいの期間、運用することになりそうだという蒲池氏。4号機以降も予定しているそうですが、運用を終えた人工衛星は、導電性テザー(EDT)で安全に地球へ落としたい ということです。

文/石田雅彦

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