宇宙ごみ
人類は、地上のサービスを確保し、他の惑星を探査するために、日常的に宇宙船を軌道へ送り出している。この並外れた能力には大きな責任が伴う。私たちの宇宙活動は、地球を取り巻く宇宙空間だけでなく、過去または現在の生命の可能性を秘めた他の惑星や衛星を汚染するおそれがある。
宇宙は、地上での多くの活動を可能にすることで人類に恩恵をもたらしている。電気通信、気象予報、地上・海上・航空交通に使われる全地球航法衛星システムによる位置情報測位、そして地球の健康状態を監視するためのリモートセンシングがその例である。同時に、科学ミッションは太陽系についての知識を深めるとともに、新たな技術、科学、宇宙探査の発展を可能にしている。
しかし、宇宙活動の増加にはコストが伴う。宇宙船の燃料消費と、発生する宇宙ごみの両面である。このごみは、運用寿命を終えた後に放棄された宇宙船、宇宙ミッションの残骸、ロケットの上段などのほか、軌道上での衝突や爆発によって生じたすべての破片の形をとる。
大きさ1センチメートルを超える破片が90万個を超えて存在していること自体が、宇宙活動の持続可能性に対する深刻な脅威となっている。これらの破片は軌道上での速度が非常に速いため、稼働中の衛星に損傷を与えるのに十分な大きさを持つ。宇宙ごみの量は指数関数的に増加してきた。欧州宇宙機関によると（ESA）。
環境問題
興味深いことに、宇宙ごみの増加は、二酸化炭素、海洋酸性化、熱帯林の減少、陸域生物圏の劣化といった他の多くの環境ストレス要因と同様の傾向をたどってきた。実際、これらの問題にはいくつかの共通点がある。その地球規模の性質を考えると、緩和策の策定には強固な国際協力が必要である。この問題の指標は、関連性、受容性、信頼性があり、監視が容易で、操作や誤りに対して頑健であることが求められ、国際的に合意されなければならない。
宇宙ごみの問題はまた、レーダーや可視望遠鏡を用いて宇宙ごみの軌道を特定し、その宇宙空間および時間における変化をモデル化する数学的・数値的手法を開発すること、さらに衝突回避や運用終了時の軌道変更操作のためのツールを開発することを私たちに求めている。予測にあたっては、地球の大気とその太陽活動との相互作用、非協力的な物体の物理的特性、追跡不能な破片など、多くの不確実性を考慮しなければならず、そのため宇宙ごみの軌道と変化を完全に予測することは不可能である。
宇宙で「サーフィン」する衛星の開発
現在の宇宙活動は、稼働中の軌道に到達し、それを制御することを可能にする宇宙間輸送によって成り立っている。さらに、宇宙状況認識によって守られている。軌道摂動――月と太陽の重力、大気抵抗、太陽放射圧に起因する自然の力――は、天体、衛星、宇宙ごみの軌道の長期的な変化に影響を与え、衛星の軌道変更操作によって打ち消す必要があるため、燃料の必要量が増加する。しかし、 COMPASSプロジェクトは、欧州研究会議の資金提供を受けており、欧州研究会議は、自然および人工の軌道摂動に逆らうのではなく、それを利用することによって、現在の宇宙ミッション設計を根本から変えることを目指している。私のチームは、ミラノ工科大学と共同でこのプロジェクトに取り組んでおり、衝突を避けながら自然の力を利用して目的の軌道に到達できるよう、衛星が「サーフィン」できる方法の開発を目指している。これにより燃料消費を大幅に削減できる見込みである。長期的な成果としては、宇宙ミッションの高いコストを大幅に削減し、宇宙探査および宇宙利用の新たな機会を創出することが期待される。
宇宙ごみの物体は連続体流体としてモデル化することができ、衝突リスクが高い、最も混雑した軌道を評価できる。このような衝突を回避するための軌道変更操作は、自律的な軌道上運用を前提に設計されている。運用寿命の終わりには、自然の軌道摂動の中で「サーフィン」することにより、衛星を大気圏再突入に向けて操作することができ、INTEGRAL衛星がこれが可能であることを実証している。これらの自然の力は、軌道上での整備・点検や、能動的なデブリ除去の際に、二つの物体が互いに近接して飛行する場合にも重要な役割を果たす。
しかし、宇宙ごみは低軌道に限られるわけではない。故障した上段や衛星も、太陽の周りを回る軌道においてごみになりうる。実際、すべての惑星間ミッションについて、惑星防護解析を実施し、宇宙船の航行中に他の衛星や惑星と衝突する確率が、所定の閾値を下回ることを確認しなければならない。
私たちのプロジェクトは、自然および人工の軌道摂動に逆らうのではなく、それを利用することによって、現在の宇宙ミッションの設計方法を根本から変えることを目指している。長期的な成果としては、宇宙ミッションの高いコストを大幅に削減し、宇宙探査および宇宙ごみの緩和に向けた新たな機会を創出することが期待される。
