本記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。
直径わずか10cmの破片でも宇宙船全体を 崩壊させる 可能性があります。地球周回軌道には、10cmを超える物体が2万9000個以上存在すると推定されています。これは、国際宇宙ステーションを往来する宇宙船にとって大きなリスクであり、さらに現在では日常生活に不可欠となっている数百機の衛星にとっても深刻な脅威です。
宇宙デブリの影響を深刻に受けかねない組織は、ほとんどの政府や多くの企業を含め数多く存在しますが、これまでのところ、この問題に本格的に取り組んだ者は誰もいません。しかし、ゲーム理論の数理モデルを用いて、私と同僚は、これらの主体に行動を促し、大規模な宇宙デブリ衝突がもたらしかねないような災害を回避するための戦略を考案したいと考えています。
各国の宇宙機関や民間の衛星・通信企業はいずれも、軌道上のデブリ量を減らすことに関心を持っています。もし一つの組織がデブリの除去に取り組めば、宇宙で活動するすべての主体が恩恵を受けます。しかし、そうした作業は複雑で非常にコストがかかるため、これらの各主体にとって一見最善の選択肢は、他者が先に取り組むのを待つことです。そうすれば、自ら除去の費用を負担することなく、より清浄な宇宙空間で活動できるからです。
問題は、もちろん、誰もがこのように考えれば、デブリの量はただ 増え続けるだけになります。老朽化した衛星や使用済みのロケットは、常に新たなデブリを生み出しており、一方で破片の総数は、2つの破片が衝突してさらに小さな破片に分裂するたびに増加します。このようなデブリの蓄積は、いずれ「ケスラー症候群」として知られる壊滅的な衝突の連鎖につながる可能性があります。（この影響の一端は、映画『グラビティ』で目にしたことがあるかもしれません。）
行動するためのコストを負担するか、待って災害のリスクを冒すかというこのジレンマは、ゲーム理論が研究する戦略的問題の一種です。宇宙デブリ問題のように、主体が集団の利益を考慮せず自己の利益のためだけに行動する状況は、ゲーム理論では「共有地の悲劇」と呼ばれます。その結果、共有資源（この場合は宇宙空間と低軌道）は、すべての個人によって過剰に利用され、もはや誰にとっても有用ではなくなり、関係するすべての人にとってコストの増大を招きます。
ゲーム理論 は経済学に由来し、複数の主体の相互作用と戦略的な意思決定を研究する学問です。これらの主体は、個人、組織、政府、さらには知的な、あるいは 自動化されたコンピュータプログラム（「エージェント」）でもありえます。
コンピュータサイエンスでは、ゲーム理論の手法が人工知能やマルチエージェントシステムの研究で広く用いられています。これは、人間の監督なしに戦略的状況を分析し、適切な判断を下すソフトウェアの設計に役立つためです。例えば、オークションに代わって参加し、商品に対して即座に入札や交渉を行って、最良の取引条件を得るエージェントの設計に役立ちます。
ゲーム理論では、戦略的状況は古典的に、それぞれが複数の行動から選択できる複数のプレイヤーが参加するゲームとしてモデル化されます。プレイヤーは、自らの選好と相手の行動に基づいて取るべき行動を選びます。各プレイヤーの結果は、ゲームに参加するすべての者の選択に依存します。代表的な例は 囚人のジレンマ ゲームです。このゲームでは、2人の犯罪者が、共犯者に不利な証拠を提供して当局に協力するか否かによって、異なる刑期を受けます。
古典的ゲーム理論は、囚人のジレンマのような状況で最良の結果を得るために、どのように行動すべきかを示します。この理論の最も重要な要素の一つは ナッシュ均衡の概念です。これは、プレイヤーが完全に論理的であり、合理的に行動すると仮定されることを意味します。興味深いことに、プレイヤーが最も合理的な判断を下すと、必ずしも協力的な行動や最良の結果につながらないようです。
宇宙デブリのジレンマについては、より新しいバージョンのゲーム理論、例えば 動的ゲーム理論 と 進化ゲーム理論は、変化する状況に対処できるため、特に有用です。例えば、進化ゲーム理論は、プレイヤーが完全に合理的ではなく、社会的にも生物学的にも条件づけられていると仮定します。これにより、社会的存在である人間の行動や、より大きな規模では多国籍組織の行動を、より適切に記述することができます。
宇宙ゲーム
私たちの目標は、デブリ除去の状況を再現した現実的なコンピュータモデルを構築し、ゲーム理論を用いた分析を行えるようにすることです。これは、宇宙デブリの蓄積に関わる様々な主体がどのように行動するかを説明できるものであるべきです。例えば、衛星などの宇宙資産に対する直近および長期的なリスクを踏まえ、各主体が清掃にどの程度の労力を投じる意思があるかを予測できるかもしれません。
これにより、さまざまなデブリ除去戦略がどのように機能しうるかをより深く理解し、異なる主体にとって最善の戦略を見極めることができるようになります。例えば、各プレイヤーは毎年デブリを1つ除去することを約束するか、あるいは打ち上げた新規衛星の数に比例した数のデブリを除去することを約束できます。ゲーム理論は基本的に、関係する当事者間の利己的な相互作用から、そのような戦略が生まれると期待できるかどうかを示してくれます。
最終的な成果は、状況を「誘導」し、利己的な主体が共有地の悲劇につながらない行動を取るよう促すインセンティブを生み出す仕組みであるべきです。例えば、国際的に合意された税金や罰金により、特定の主体にとって、デブリの除去や増加防止が直ちに最善の利益となるようにすることができます。そうした措置がなければ、私たちが軌道上に作り出している混乱は、悪化するばかりである可能性が高いのです。
掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Karl Tuyls氏は、リバプール大学コンピュータサイエンス学部のフルタイム教授です。
画像：この写真は、ドイツの宇宙飛行士Alexander Gerstが国際宇宙ステーションから撮影したもので、水面に太陽が反射している様子です。REUTERS/Alexander Gerst/NASA.
