ロケット燃料が地球の上層大気を汚染している可能性がある

霧の立ち込める真夏の朝、カリフォルニア州サンタバーバラの北西 54 マイルの地で、スペースX のエンジニアたちは、以前にも経験した儀式を慌ただしくこなしていた。彼らはファルコン 9 ロケットに何万ガロンもの灯油と極低温液体酸素を積み込んだ。この推進剤の組み合わせにより、宇宙船の 9 基のマーリン エンジンが 170 万ポンドの推力で轟音を立てて始動した。その後すぐに、ロケットは成層圏を突き抜け、同社のスターリンク インターネット衛星 46 基を低地球軌道に打ち上げる準備が整った。しかし、ロケットはもう 1 つ別のものを運んでいた。打ち上げから数時間後、太平洋上空に漂っていた煤の粒子の跡だ。

この打ち上げは同社にとって2022年32回目となり、ほぼ毎週ロケットを打ち上げる現在のペースを維持している。機材、宇宙飛行士、超富裕層の観光客を地球と往復させるロケットの数は過去最高を記録し、高空はかつてないほどに混雑している。中国の長征のような政府計画とスペースXのクルードラゴンのような民間の打ち上げを合わせると、2021年に世界で約130回の打ち上げが成功し、2022年はさらに多くの打ち上げで終わるペースだ。しかし、多くの打ち上げでは、まだ直接的な汚染はあまり見られない成層圏に微量の物質が撒き散らされている。

気候科学者たちは、ロケットの残渣が地球の紫外線シールドにどのような影響を与えるかを完全に理解しようと、まだ研究を続けている。しかし、たとえ警告の兆候が見つかったとしても、何らかの組織や権威者が業界の排出基準を確立するために立ち上がる必要があるだろう。その間、いくつかの航空宇宙企業は、遠距離飛行システムの動力源としてバイオ燃料などの持続可能な代替手段を模索している。

打ち上げ頻度の増加により、カリフォルニア州の非営利研究センター、エアロスペース コーポレーションの大気物理学者でプロジェクト エンジニアのマーティン N. ロス氏のような研究者は、成層圏、そして世界の将来を懸念している。今後数十年間のロケット交通量の予測は、発射台の上のファルコン 9 のように劇的に増加する。一部のコンピューター モデルが示唆するように、太陽が燃料の痕跡から粒子を十分に加熱すれば、宇宙旅行は気候変動の大きな要因になる可能性がある。「これは理論上の懸念ではありません」とロス氏は言う。

国際宇宙ステーションに浮かんでこの記事を読んでいるのでなければ、あなたは対流圏の空気を吸っている。対流圏とは、地球の大気圏の最も下層で、上空数マイルにわたって広がる。そのすぐ上の層である成層圏は、海抜 6 マイルから 31 マイルのところにあり、それに比べると死ぬほど退屈だ。雲はほとんどなく、雨も降らない。空気は薄くて凍りつき、オゾンを含んでいる。オゾンは酸素をベースとしたガスで、太陽放射からすべての生命を守るが、肺には有毒である。

航空業界が毎年排出する9億トンの二酸化炭素を含む温室効果ガスのほとんどは、対流圏で熱を閉じ込める。しかし、ロケットは蒸気をより高い高度で放出するため、上部成層圏における唯一の直接的な排出源となる。

空の酸

1931年まで成層圏は無人だった。この年、スイスの物理学者オーギュスト・ピカールとその助手が50万立方フィートの水素気球で約10マイル浮上し、再び下降した。これが多くの成功の先駆けとなった。1960年代までには、米国とソ連の宇宙計画は空の果てまでロケットを定期的に打ち上げていた。

冷戦中に宇宙飛行士プログラムが発展するにつれ、気候変動研究、特に二酸化炭素汚染と大気の劣化に関する研究も発展しました。1970 年代、NASA のスペース シャトル プログラムが、ラルフ シセロンやリチャード ストラースキーなどの大気化学者の関心を惹きつけ、彼らは成層圏ロケット排気に関する最初の調査のいくつかを試みました。シャトルの固体エンジンは、過塩素酸アンモニウムと呼ばれる結晶化合物を使用していましたが、副産物として塩酸を放出します。塩素はオゾンに対して非常に破壊的です。環境保護庁は、たった 1 つの原子が大気中のガス分子を何万個も破壊できると推定しています。

1973 年 6 月に NASA に提出された報告書で、シセロネ、ストラースキ、および同僚は、年間 100 回のシャトル打ち上げで「ごく少量の」塩素含有化合物が生成されるだろうと計算しました。しかし、これらの化学物質は時間の経過とともに蓄積される可能性があると警告しました。シセロネとストラースキは最終的に火山の噴火に注目しました。火山の噴火は、塩素の放出がより大規模かつ劇的であることを意味していたからです。

1980 年代、イギリスの気象学者は南極成層圏のオゾン層が薄くなっていることを明らかにしました。彼らは、その原因がスプレー缶から出る塩素と、その他の人為的な発生源から出るクロロフルオロカーボンと呼ばれる O3 を消費する化学物質であると特定しました。その穴が癒え始めたのは、国連加盟国すべてが批准した初の国際協定である 1987 年のモントリオール議定書の成立後でした。この議定書により CFC の使用が段階的に廃止され、大気は数十年にわたる回復の道を歩み始めました。

この条約の発効後、「塩素を排出するものはすべて疑われるようになった」とロス氏は言う。しかし、ロケットの排出物もオゾン層を変化させる可能性があるかどうかは不明のままだった。

その後 20 年間、米空軍はエアロスペース コーポレーションと、現在はコロラド大学ボルダー校の教授であるダリン トゥーイ氏のような大気科学者を雇い、ロケットの排気ガスの化学組成を研究しました。NASA の WB-57 航空機 (高度 11 マイルを飛行でき、科学的観測用に改造されたジェット爆撃機) を使用して、チームは 2000 年代初頭まで、タイタン、アテナ、デルタなどの米国の打ち上げロケットからの排出物を直接サンプリングしました。

噴煙から新たに採取された物質により、研究者たちは固体燃料が空気とどのように相互作用するかをよりしっかりと把握することができた。例えば、シャトルのブースターが燃料としてアルミニウム粉末を燃焼させたときに放出された粒子と、その粒子がオゾンにどう反応するかを調べた。その影響は彼らが恐れていたほど深刻ではなかったとロス氏は言う。噴煙は打ち上げ後1時間以内に付近のオゾンを枯渇させたが、放出物が拡散すると層はすぐに回復した。

一方、21世紀に入ると、米国とロシアでは打ち上げが減少。2003年にスペースシャトルコロンビア号が再突入時に分解し、乗員7人が死亡した後、NASAは同計画の他の飛行を2年間中止した。排気ガスを観測するWB-57機を使ったミッションは2005年に終了。6年後、NASAは正式にシャトルシステムを退役させた。

新しいロケット、より多くの煤

スペースXが2008年に初の液体燃料ロケットを軌道に乗せたとき、民間開発による宇宙飛行の基盤が整いました。しかし、同社の主力機械に注入された化学物質は、特に新しいものではありませんでした。ケロシンの精製版であるロケット推進剤1（RP-1）は、アポロ宇宙飛行士を月まで運んだ宇宙船の第一段エンジンなど、何世代ものロケットに動力を与えてきました。よく知られており、比較的安価でした。

航空宇宙産業のトレンドを感じ取ったロス、トゥーヒー、そして同僚のマイケル・ミルズは、同様の炭化水素燃料ロケット群が地表から高度90マイルまでの間で打ち上げられた場合、どのような排出物が排出されるかを計算した。2010年にGeophysical Research Letters誌に発表した予測では、予想外の結果が明らかになった。地上で調整不良のディーゼルエンジンから排出されるのと同じ汚染物質、ブラックカーボンで満たされた排出物だった。「上層大気に不釣り合いな影響があるようでした」とトゥーヒーは言う。

ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの大気化学者エロイーズ・マレー氏は、これらの黒い粒子は「太陽の放射線を非常によく吸収する」と付け加える。夏の暑い日に白いシャツよりも黒いシャツを着ている方が体が早く熱くなることを思い出せば、その理由が分かるだろう。

地表近くでは、雨などの降水によって大気中の黒色炭素が洗い流される。しかし、成層圏、つまり雨雲の上では、煤が付着したままになっている。「大気圏のその層に物質を放出し始めると、その影響ははるかに大きくなります。なぜなら、上空は地上よりもかなりきれいなからです」とマレ氏は言う。言い換えれば、成層圏は清浄なため、太陽の灼熱の光線に対してより脆弱である。

黒色炭素粒子は、重力によって地上に引き戻されるまで、成層圏で約2年間留まることができる。また、待っている間に熱くなる。今年6月に「アース・フューチャー」誌に発表された研究で、マレ氏と同僚は、ロケットから出る煤は、飛行機や地表の排出物から出る煤よりも空気を温める効果が約500倍高いと計算した。

ロス氏と米国海洋大気庁化学科学研究所の研究科学者クリストファー・マロニー氏が最近行った別のモデルも、暗黒物質が気候変動に与える影響について同様の結論に達した。今後20年以内に宇宙交通が10倍に増加すれば、成層圏は華氏約3度温暖化すると予測している。

この上昇は「成層圏の力学が変化し始める」のに十分だとマロニー氏は言う。海流は、自然に生成されたオゾンを、より暑い熱帯地域からより寒い極地へと運ぶ。ロケットが、ほとんどの打ち上げが行われる北半球の上空の空気溜まりを焦がすと、その暖かい場所から冷たい場所への経路が乱され、新鮮なオゾンを北へ運ぶ循環が乱れる可能性がある。その結果、高緯度ではオゾン層が薄くなり、成層圏全体がより暑くなる。

過去の打ち上げを調査することで、このプロセスの曖昧な部分を明らかにすることができる。今年7月にPhysics of Fluids誌に発表された論文では、キプロス共和国ニコシア大学の研究者2人が、2016年のスペースX社のファルコン9ロケットの噴出をシミュレートした。彼らのモデルによると、飛行開始から2.75分で、このロケットは116トンの二酸化炭素を排出した。これは、自動車約70台が1年間に排出する量に相当する。

トゥーイー氏は、これらの予測は10年以上前に彼が提起したブラックカーボンに関する懸念を裏付けるものだと考えているが、直接観測した場合ほど説得力はないと考えている。「当初の仮説が正しかったことを示す追加のモデル研究を除いて、基本的に進展はない」と同氏は言う。必要なのは、以前のWB-57ミッションのような検出だと同氏は付け加える。たとえば、宇宙船の側面に分光計を設置すれば、ブラックカーボンを測定できるだろう。

政策ももう一つの制約要因だ。影響力のある業界団体である国際航空運送協会は、2050年までに航空会社にカーボンニュートラルの目標を設定したが、宇宙には同等の目標はない。その理由の1つは、宇宙には連邦航空局のような同等のリーダーや規制機関が存在しないことだ。「ロケットエンジンが環境に及ぼす影響を測定する合意された方法がないのです」とロス氏は言う。

新しい燃料は存在するが、それがどれだけ環境に優しいかを判断する良い方法はない。最もクリーンに燃焼する水素でさえ、メタンや水から純粋な分子形態に精製するには余分なエネルギーが必要だ。「すべての推進剤は環境に影響を与えるため、状況は非常に複雑です」と、パデュー大学で航空宇宙推進を研究するスティーブン・ハイスター氏は言う。

大気科学者たちは、成層圏を保護するための解決策は、モントリオール議定書を強力に推進した統一戦線のように、協力して開発されなければならないと述べている。「この問題に対処するには、共通の利益を持つ人々を集め始めることです」とトゥーイー氏は述べ、永続的な損害が発生する前に宇宙への持続可能な道筋を見つけるよう努めている。

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このストーリーはもともと、Popular Science の High Issue に掲載されました。PopSci + のストーリーをもっと読む。