小さなナンバープレートは宇宙ゴミを避けるのに役立つかもしれない

車を所有することが一般的になる前は、道路や高速道路（数少ないもの）が混雑することはなかった。誰もが自分の車を購入し、通勤、通学、近所の食料品店まで運転するようになってから、道路は混雑し、ラッシュアワーは日常茶飯事となり、自動車事故は避けられなくなった。

宇宙は、その広大さにもかかわらず、同じような軌道をたどる可能性がある。多くの新しい飛行物体が軌道上やその先に送り込まれているため、危険な衝突に見舞われる可能性があると多くの科学者が指摘している。ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所のあるグループは、自動車にはありふれているが、宇宙移動体では現在存在しないものを使って、この問題を解決しようとしている。それは、ナンバープレートだ。

宇宙の交通渋滞のような状況を作り出すほどの飛行物体が宇宙の近隣に溢れ、衛星が指定された時間に減速したり、独自の銀河間レーンを移動したりすることはまずあり得ない。しかし、低重力または無重力の宇宙には、独自の課題がある。

私たちが宇宙に送り込む衛星やその他の物体のほとんどは、地球表面から 400 マイルから 1,000 マイルほど離れた低軌道 (LEO) に留まります。この軌道は地球の重力から十分離れていますが、遠すぎることもありません。この絶妙な位置により、物体は、ほとんど助けを必要とせずに、ほぼ無限に周回することができます。

しかし、科学者たちは過去 60 年間、この最高の駐機スペースを利用してきたため、ゴミが蓄積し始めています。宇宙ゴミも増えています。2015 年現在、地球を周回する運用中の衛星は 1,300 基以上あります。これには、運用されていない衛星や、LEO に永久にとどまっている古いロケットやその他の機能停止した宇宙ゴミも含まれます。数百基単位で宇宙に送ることができる小型宇宙船である CubeSat の導入や、LEO にインターネットを提供する衛星を設置することを計画しているさまざまな企業により、この数は飛躍的に増加する可能性があります。なんという宇宙渋滞でしょう。

しかし、物体は巨大なバンパーカーのゲームのようにただ浮かんでいるだけではないでしょうか。まったくそんなことはありません、とロスアラモスの天体物理学者デイビッド・パーマーは説明します。彼によると、本当に大規模な宇宙衝突は 2 回しか起きていませんが、1 回の衝突で大惨事を引き起こすのに十分です。

「問題は、一度衝突すると大量の破片ができて、その破片がまた衝突する可能性があることです。最終的には、いわゆるケスラー効果が発生します」と彼は言う。破片は衝突のたびに蓄積し続け、衝突は無限に増える。これが定期的に起こり始めると、宇宙ゴミが大量に蓄積して、宇宙自体が安全でなくなる可能性がある。

「もう少し続ければ、限界を超えてしまうところまで来ています」と彼は言う。「そうなると、10年か20年は低軌道にゴミが多すぎる状態が続く可能性があります」。その時点で、衝突の可能性（およびそれに伴うケスラー効果）が非常に高くなり、LEOに別の衛星を送ることのメリットがリスクを上回らなくなる。

大きな問題は、衛星が退役したときだ。使用中は、ほぼすべての衛星に GPS 装置が付いており、科学者は無線信号を使って衛星の位置を特定できる。しかし、衛星が使用不能になれば、その無線電波も使用できなくなる。宇宙ゴミは監視なしでいつまでも周回し続ける。稼働中の衛星が衛星に衝突しそうになったら、所有者は避けることができる。しかし、宇宙ゴミ同士が衝突し合う状態になったら、研究者は所有者の許可なしにどちらの物体もよけることはできない。そして、その物体が誰のものであるかを知るには、まずその物体が何であるかを知る必要がある。「たとえ 30 年前の宇宙ゴミであっても、衛星の所有者の許可が必要になるでしょう」とパーマーは言う。別の方法、つまり確実な識別システムが必要だ。パーマーはそう考えている。

パルサーを研究していた過去の研究から、彼はあるアイデアを思いつきました。パルサーは回転しながら反対方向に光線を放射する大きな宇宙物体です。パルサーが回転すると光線がちらつくように見え、パーマー氏のような科学者たちはそのちらつきを研究するために多大な努力を払ってきました。

「私はこれら 2 つを組み合わせて、周期的な信号を生成する衛星を作成できれば、その信号を読み取ることで正確な識別システムを作成できると考えました」とパーマー氏は言います。

そこでパーマー氏と彼のチームは、レーザーの形で独特の点滅パターンを発する超低電力の小型デバイスを開発した。彼らはこれを極低資源光学識別子 (ELROI)、またはもっと気軽に宇宙ナンバープレートと呼んでいる。

約 1 平方インチ四方のこれらの装置は、宇宙に向かうあらゆる衛星の上に設置される。レーザー ダイオード (多くの日常的なレーザーはこれを使用している) を使用し、この装置は一連の非常に短い赤色レーザー パルスを放射する。これらのフラッシュは非常に明るく (60 ワットの電球と同じくらいの明るさだが、総電力はわずか 1 ワットのもの)、一連の特定のパルスを 100 万分の 1 秒以内で連続的にフラッシュする。その後、1000 分の 1 秒間 (点灯していた時間の 1000 倍) オフになる。地球上の望遠鏡でこのフラッシュの連続を捉え、コンピューター プログラムの助けを借りて、それがどの衛星から来ているかを解読できる。

衛星は地上から数百マイル離れているにもかかわらず、メッセージは極めて明瞭であるとパーマー氏は説明する。光はレーザーから発せられており、赤色の波長とまったく同じである。望遠鏡のフィルターが他の波長をすべて遮断し、赤色だけが光る。点滅はバイナリ（数百の 1 と 0 で構成）のシリアル番号に対応する。車と同様に、各衛星には独自のシリアル番号が割り当てられている。このコードは識別子に 3 つの情報を伝える。衛星の種類、所有者、軌道の経路である。

パーマー氏によると、目標は衛星に装置を設置し、少なくとも 25 年間、あるいは無期限に電力供給し続けることだ。装置は、一瞬の点滅でバッテリー寿命の大部分を消費するが、その後は太陽エネルギーで充電するのに 1000 倍の時間がかかる。パーマー氏によると、これを繰り返して約 25 年間実行できるという。パーマー氏は、バッテリーが切れた後でも太陽電池で無期限に装置が稼働できると考えているが、確証を得ることは不可能だ。

彼らの次の目標は、実際にプロトタイプをテストすることです。彼らは、今年 1 月にキューブサットを宇宙に打ち上げる予定のニューメキシコ工科大学のチームと協力して、このテストを行う予定です。パーマー氏によると、キューブサットはデバイスのテストに最適な乗り物です。キューブサットは 10 センチメートル四方の小さな衛星で、小規模な実験を行うために LEO に大量に打ち上げることができます。

プロトタイプは試験打ち上げの準備が整っているが、研究者たちはまだ設計を微調整中だとパーマーは言う。ELROI は現在、約 4 平方インチ、厚さ 1 インチである。将来的には、チームはこれを郵便切手サイズにまで小型化し、材料も使用して全体のコストが 1,000 ドル以下になるようにしたいと考えている。そうすれば、高校の理科の授業でも 1 機を低地球軌道に打ち上げることができるとパーマーは言う。キューブサットの低コスト (1 機の製造コストはわずか 1 万ドル、宇宙への打ち上げにはさらに数万ドルかかる) は、小規模な民間企業、大学生、高校生でも使用できることを意味する。パーマーは、ナンバープレートの価格をこれ以上高くすると、「ベーク セールで大量のケーキを売らなければならない」と言う。

ナンバープレートをつけたキューブサットが宇宙に打ち上げられると、研究者たちは望遠鏡を向けてバイナリコードを解釈し、小型宇宙船の特定を試みる。計画通りに進めば、より大きな衛星でテストし、最終的には宇宙に打ち上げられるすべての衛星に搭載することが目標となる。

パーマー氏は、ELROI が完璧な解決策ではないことを認めている。2 つの衛星が実際に衝突している場合、軌道から除去する前に、放棄された宇宙ゴミの所有者に許可を求める必要がある。所有者を追跡する時間が十分にない場合、所有者が誰であるかを知っても、災害を回避するのに役立つことはないかもしれない。しかし、古い宇宙ゴミの所有者を特定することは、確かに良い第一歩である。低軌道が、広大で果てしない存在というより、交通量の多い高速道路のように見えるようになるまで、そう長くはかからないかもしれない。そして、衛星にレーザー式のナンバープレートが必要だった頃、その開けた道路はどれほど快適だったのだろうと人々は思うかもしれない。