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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- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20150421_2/en/fig1.jpg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。http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20150421_2/en/fig2.jpg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。http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20150421_2/en/fig3.jpg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。http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20150421_2/en/fig4.jpg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。
このニュースは普通に読めば、日本の宇宙平和利用で、人類への貢献であるのだが、私の眼には日本のレーガン大統領 安倍総理による日本版戦略防衛構想（SDI：Strategic Defense Initiative：別名スターウォーズ計画）に映る。
安倍総理はアメリカ第40代大統領ロナルド・レーガンと同じ手法で日本の復活に尽力している。
最近オバマによって再び米国は弱体化されつつあるが、レーガン大統領は就任当時ベトナム戦争で疲弊しきった上に、カーターの失政で地に堕ちた米国に矜持を与え、今の強いアメリカの復活を決定づけた米国中興の祖だ！
日本の宇宙政策として、平成２０年に施行された宇宙基本法に基づいて、我が国の宇宙開発利用に関する施策の総合的かつ計画的な推進を図るために平成27年1月9日に宇宙開発戦略本部にて宇宙基本計画が決定された。
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目 次
前文 .................................................................................................................... 3
１． 我が国の宇宙政策を巡る環境認識 ......................................................... 4
（１）宇宙空間におけるパワー・バランスの変化： かつての米ソ二極構造は 多極構造へと転換 ................. 4
（２）宇宙空間の安全保障上の重要性の増大 ................................................ 4
① 国家安全保障戦略を踏まえ、宇宙を積極的に活用していく必要 ........... 4
② 日米宇宙協力の新しい時代の到来 .......................................................... 5
（３）宇宙空間の安定的利用を妨げるリスクが深刻化 .................................. 6
（４）地球規模課題の解決に宇宙が果たす役割が増大 .................................. 6
（５）我が国の宇宙開発利用を支える産業基盤はゆらぎつつある ................ 7
（６）科学技術と安全保障・産業振興の有機的サイクルの不在 .................... 8
２． 我が国の宇宙政策の目標 ....................................................................... 9
（１）宇宙安全保障の確保 ............................................................................. 9
① 宇宙空間の安定的利用の確保 ................................................................. 9
② 宇宙を活用した我が国の安全保障能力の強化 ........................................ 9
③ 宇宙協力を通じた日米同盟等の強化 ...................................................... 9
（２）民生分野における宇宙利用の推進 ....................................................... 9
① 宇宙を活用した地球規模課題の解決と安全・安心で豊かな社会の実現 . 9
② 関連する新産業の創出 .......................................................................... 10
（３）宇宙産業及び科学技術の基盤の維持・強化 ....................................... 10
① 宇宙産業関連基盤の維持・強化 ........................................................... 10
② 価値を実現する科学技術基盤の維持・強化 .......................................... 10
３． 我が国の宇宙政策の推進に当たっての基本的なスタンス ....................... 10
（１）宇宙利用による価値の実現（出口戦略）を重視 ................................ 10
（２）予算配分に見合う政策効果の実現を重視 ........................................... 11
（３）個々の取組の達成目標を固定化せずに環境変化に応じて意味のある目 標に ................... 11
４．我が国の宇宙政策に関する具体的アプローチ .......................................... 12
（１） 宇宙政策の目標達成に向けた政策体系 ............................................. 12
① 宇宙安全保障の確保 ............................................................................. 12
ⅰ）宇宙空間の安定的利用の確保 ......................................................... 12
ⅱ）宇宙の安全保障分野における活用の強化 ....................................... 13
ⅲ）宇宙協力を通じた日米同盟等の強化 .............................................. 13
② 民生分野における宇宙利用の推進 ........................................................ 14
ⅰ）宇宙を活用した地球規模課題の解決と安全・安心で豊かな社会の実 現 ..................................................................................................... 14
ⅱ）関連する新産業の創出 .................................................................... 14
③ 宇宙産業及び科学技術の基盤の維持・強化 .......................................... 15
ⅰ）宇宙産業関連基盤の維持・強化 ..................................................... 15
ⅱ）価値を実現する科学技術基盤の維持・強化 ................................... 15 2
（２） 具体的取組 ........................................................................................ 15
① 宇宙政策の目標達成に向けた宇宙プロジェクトの実施方針 ................. 15
ⅰ）衛星測位 ......................................................................................... 16
ⅱ）衛星リモートセンシング ................................................................ 16
ⅲ）衛星通信・衛星放送 ....................................................................... 18
ⅳ）宇宙輸送システム ........................................................................... 19
ⅴ）宇宙状況把握 .................................................................................. 19
ⅵ）海洋状況把握 .................................................................................. 20
ⅶ）早期警戒機能等 .............................................................................. 20
ⅷ）宇宙システム全体の抗たん性強化 .................................................. 20
ⅸ）宇宙科学・探査及び有人宇宙活動 .................................................. 20
② 個別プロジェクトを支える産業基盤・科学技術基盤の強化策 ............. 22
ⅰ）新規参入を促進し宇宙利用を拡大するための総合的取組 .............. 22
ⅱ）宇宙システムの基幹的部品等の安定供給に向けた環境整備 .......... 22
ⅲ）将来の宇宙利用の拡大を見据えた取組 ........................................... 22
③ 宇宙開発利用全般を支える体制・制度等の強化策 ............................... 23
ⅰ）宇宙政策の推進体制の総合的強化 .................................................. 23
ⅱ）調査分析・戦略立案機能の強化 ..................................................... 23
ⅲ）国内の人的基盤の総合的強化、国民的な理解の増進 ..................... 24
ⅳ）法制度等整備 .................................................................................. 24
④ 宇宙外交の推進及び宇宙分野に関連する海外展開戦略の強化 ............. 25
ⅰ）宇宙空間における法の支配の実現・強化 ....................................... 25
ⅱ）国際宇宙協力の強化 ....................................................................... 25
ⅲ）「宇宙システム海外展開タスクフォース（仮称）」の立ち上げ ... 26
P4
① 国家安全保障戦略を踏まえ、宇宙を積極的に活用していく必要宇宙空間の安全保障上の重要性は、近年、著しく増大している。宇宙空間は、測位、通信・放送、気象観測等に活用され、国民生活にとって重要な役割を果たしてきただけでなく、安全保障の基盤としても、情報収集や指揮統制等に活用され、死活的に重要な役割を果たしている。
宇宙システムの利用なしには、現代の安全保障は成り立たなくなってきており、米国、欧州、ロシア、中国等では、安全保障目的で多種多数の衛星を宇宙空間に配備し、先進的な軍事作戦を可能としている。
我が国を巡る安全保障環境が一層厳しさを増す中、我が国の国益を長期的視点から見定め、国際社会の中で我が国の進むべき針路を定めるべく、国家安全保障の基本方針として「国家安全保障戦略」が平成 25年 12 月に策定された。これを踏まえ、我が国は、自衛隊の部隊の運用、情報の収集・分析、海洋状況把握（MDA：Maritime Domain Awareness）、情報通信、測位といった分野において我が国等が保有する各種衛星の
有効活用を図るとともに、宇宙状況把握（SSA：Space SituationalAwareness）の体制を構築することとしている。また、政府が宇宙開発利用を推進し、これを支える技術を維持・発展させるに当たっては、中長期的な観点から国家安全保障に資するよう配意することとしている。（略）
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（略）中国は宇宙能力を急速に強化するとともに、対衛星兵器の開発を継 続しており、レーザー光線を使用して人工衛星の機能を妨害する装置を 開発しているとの指摘もある。 米ソによる二極構造の時代には、相手国の宇宙アセットを攻撃しない との一定の共通理解が存在していた。しかしながら、多数の宇宙活動国 による多極構造の時代には、このような共通理解は必ずしも全ての国に 浸透していないのが現状である。 スペース・デブリとの衝突や対衛星攻撃等によって測位衛星の機能が 低下すれば、安全保障用途の装備品等が能力を十分発揮できなくなる 場合もあるほか、防災における位置情報の把握や、鉄道、船舶、航空機 等の安全航行が困難となる等、国民生活にも大きな支障をきたす。（略）
今回の理研のアイディアは僅かなエネルギーでスペースデブリをプラズマ化して、そのエネルギーで軌道を外し地上に落下させようと言うもだ。
平均500キロワットのレーザーパルスを100キロ以上離れたところから10秒程度照射すると、デブリ表面からプラズマが噴き出す「プラズマアブレーション」という現象が起きる。このアブレーションによる反作用（反力）でデブリが減速し、最終的に地球大気に突入させることができるという。 10センチサイズのデブリを大気に突入させることが可能としている。
デブリの検出には口径2.5メートルの超広角望遠鏡を使い、高精度なレーザー光学系も最新の光学設計技術で十分実現できるという。
一見平和利用に見えるが、その裏には日本版SDI構想に繋がる技術が集積されているのだ！猛スピードで軌道を回る数センチのスペースデブリを捕捉するということは、地球軌道上の宇宙空間に漂う物体は全て捕捉できることを意味し、数センチの物体にレーザー照射ができる技術があれば、ICBMにも照射可能である。
照射エネルギーを強めれば、ICBMを迎撃するレーザー迎撃衛星に発展する。
更に技術を発展させれば理論的には地上にもレーザー照射が可能となる、大友克洋の「アキラ」に登場する静止衛星型のレーザー兵器「S.O.L(Satellite in Orbital Laser-weapon）」も実現可能である。
そのエネルギー源は宇宙太陽光発電である。
おまけ！
SF的兵器つながりで こんなSF的兵器の開発も進んでいる！
SF的“プラズマシールド”が現実に？ Boeingが特許取得
【ITmedia ニュース】2015年03月24日 17時24分 更新
“プラズマシールド”で軍用車などを守る技術の特許をBoeingが取得し、「フォースフィールドだ」と話題になっている。Boeing patents force fields from Star Wars
“プラズマシールド”で軍用車などを守る技術の特許を米Boeingが取得したことが分かり、米メディアで「スターウォーズ的フォースフィールドが実現か」と話題になっている。
特許文書より
Boeingが3月17日付けで取得したのは「電磁アーク放電により衝撃波を減衰する方法とそのシステム」（Method and system for shockwave attenuation via electromagnetic arc）。
爆弾などの直撃を防ぐものではなく、爆発の衝撃波から人や車を守る技術のようだ。爆発などを感知するセンサーとシールド発生部からなり、衝撃波を生じる爆発をセンサーが感知すると、レーザーパルスやアーク放電によるプラズマを発生させ、衝撃波を吸収・反射することで減衰させる──のだという。
実際にこうした防御システムが登場するかどうかは分からないが、米国のネットでは「Boeingのフォースフィールド特許」などと呼ばれ、「民間用途に使えないか」といった議論が起きている。
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