宇宙観光のブラックカーボン問題

このストーリーは、エネルギーの未来に関するPopularScience.comの特別シリーズの一部です。

ヴァージン・ギャラクティックは、スペースシップ2で亜軌道空間に飛ぶ乗客一人当たりの二酸化炭素排出量は、ニューヨークからロンドンへの一般的な航空便の乗客一人当たりの二酸化炭素排出量より少ないという事実を誇らしげに宣伝している。しかし、一部の科学者は、二酸化炭素排出量は、新興の宇宙観光産業の温室効果ガス排出量の測定には無関係だと言う。彼らによると、宇宙旅行の規模拡大による大きな脅威は、ブラックカーボンと呼ばれるものから来る。これは、成層圏に投げ込まれると何年も蓄積し、太陽の可視光を吸収する一種の粒子状物質である。ある研究によると、ロケットによって成層圏に放出されるブラックカーボンは、それらのロケットによって放出される二酸化炭素の10万倍のエネルギーを吸収するだろう。

「問題は一つだけ。それは、成層圏にブラックカーボンを放出したくないということ。それだけです」とコロラド大学ボルダー校の大気海洋科学教授ダリン・トゥーイ氏は言う。業界関係者は違うと言う。誰が正しいのか？

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ブラックカーボンは、ディーゼルトラックの後ろでアイドリングしたり、薪ストーブのそばに座ったりしたことがある人なら誰でも知っているはずです。これが煤を黒くする原因です。化石燃料、バイオ燃料、バイオマスの不完全燃焼から生成され、大気中に直接放出され、CO2 の約 100 万倍のエネルギーを吸収します。ある研究によると、これは二酸化炭素に次いで地球の気候変動に 2 番目に大きく影響する要因です。ブラックカーボンが環境にそれほど大きな被害をもたらさない理由は、下層大気中での寿命が短いためです。飛行機やその他の発生源からのブラックカーボンの排出は、数週間以内に降雨によって洗い流されます。

成層圏ではそうではありません。成層圏は、地球から 5 マイルほど低いところから始まり、約 31 マイルまで上昇します。ロケットは、宇宙が始まると慣習的に言われている海抜 62 マイルの地点まで、成層圏を猛スピードで通過する必要があります。また、ロケットは、12 マイルより上空で人間が作り出した化合物の唯一の直接的な発生源でもあります。成層圏では雨やその他の大気の要因によってブラック カーボンが洗い流されないため、ブラック カーボンは 5 年から 10 年以上も残ります。さらに、ロケットは燃料単位当たりのブラック カーボンを、標準的な航空機の 1,000 倍以上も排出します。

そこで2010年、トゥーイー氏とエアロスペース・コーポレーションの打ち上げ排出物分析研究センター長マーティン・ロス氏、および国立大気研究センターのマイケル・ミルズ氏は、仮想的に年間1,000回の飛行を行う産業がブラックカーボンに及ぼす影響を推計するため、数値を精査した。彼らはブラックカーボンの「放射強制力」を測定した。これは、地球とその大気が特定の人為的または自然現象からどれだけ余分なエネルギーを吸収するかを示す指標である。ロケットによって成層圏に放出されたブラックカーボンの放射強制力は、ロケットから放出されるCO2の最大10万倍であった。（対照的に、ジェット機によって大気中に数週間放出されたブラックカーボンの放射強制力は、その中の二酸化炭素の10分の1以下である。）

成層圏のこの余分な熱が気候にどのような影響を与えるかは明らかではないが、温暖化と寒冷化の両方の気候変動を引き起こすことは間違いない。コンピューター モデルは、発射場の緯度にリング状の黒色炭素の雲が形成され、日陰になってその場所が冷え込み、他の場所もそれに応じて温暖化するという複雑なパターンを示した。極地は季節によって最大 5 度温暖化または寒冷化した。また、この加熱により成層圏全体にオゾンが放射され、場所によってはオゾン レベルが低下し、他の場所ではオゾンが増加した。この研究のポイントは、成層圏の温暖化が悲惨であると言っているのではなく、年間 1,000 回の打ち上げが重大な気候変動をもたらすということ、そして業界がその影響について研究し説明しなければならないということである。結局のところ、意図的に大気中に粒子を注入して気候を操作するという提案は国際的な非難を招いている。意図せず、またその影響を完全に理解することなく、成長する宇宙観光産業は気候を操作する実験のように機能するだろうとロス氏は言う。 「ある時点で、ロケットによって成層圏に放出された粒子は、少しだけ地球工学のように見え始める」とロス氏は言う。

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ここで宇宙観光が関係してきます。現在、世界中で年間に打ち上げられる宇宙機の数はおよそ 70 機ですが、民間企業が宇宙観光を日常的な冒険旅行に変えようと競い合う中、この数字は劇的に増加する可能性があります。航空宇宙調査会社 Futron は、2021 年までに宇宙観光市場は 13,000 人の潜在的顧客で構成され、年間約 6 億 5,000 万ドルの収益が見込まれると予測しています。このビジネスが成功すれば、商業宇宙旅行は今後 10 年以内に年間 1,000 回の打ち上げに達する可能性が十分にあります。XCOR だけでも、「サウスウエスト航空」モデルの一環として、1 日 4 回の打ち上げに増やす計画を立てています。これにより、ブラックカーボンを成層圏に直接打ち上げる機会が 1,000 回生まれます。地球上、または航空機が飛行する対流圏での燃焼中に排出されるブラックカーボンの量は、酸素の供給が比較的豊富であるため、一般的には低くなります。成層圏に入ると、低圧によって酸素が減り、黒色炭素は燃焼生成物の 5% に達することもあります。

環境への影響を評価し、宇宙への打ち上げ許可の可否を決定する責任を負っている連邦航空局（FAA）は、成層圏におけるブラックカーボンの影響は不明だと述べている。「ブラックカーボンは短期的な気候要因として知られているが、ロケットからのブラックカーボンの潜在的な気候変動への影響に関する研究はごく初期段階にあり、影響の予測はいずれも推測の域を出ない」とFAAの商業宇宙輸送担当副長官ジョージ・ニールド氏は電子メールで述べている。

宇宙観光業界は、ブラックカーボンの潜在的害を軽視している。ヴァージン・ギャラクティックは、コメントを求める度重なる問い合わせを断った。現在、9万5000ドルの弾道飛行チケットを販売しているエックスコール・エアロスペースの最高執行責任者アンドリュー・ネルソン氏は、同社のリンクス弾道宇宙機を動かすXR-5K18ロケットエンジンの灯油と液体酸素の混合物は、従来の灯油ベースのロケット燃料よりも「芳香族」炭化水素の排出量がはるかに少ないと述べている。また、XR-5K18は、スペースシャトルで使用されている固体ロケットブースターや、固体と液体の両方の推進剤を燃焼する「ハイブリッド」ロケットエンジンよりも、はるかにクリーンに燃焼するとネルソン氏は述べている。

「XCOR が環境に与える影響は最小限です」とネルソン氏は言う。「当社の燃料には粒子状物質がほとんど含まれていません。従来のロケット燃料に比べて芳香族化合物が 20 ～ 40 倍少なく、ハイブリッド燃料や固体燃料に比べて粒子状物質が数百倍、場合によっては数千倍も少ないのです。そのため、炭素やその他の粒子に関する懸念は、当社にとって無意味です。」

トゥーヒー氏は、XCOR やその他のエンジンが成層圏と実際にどのような相互作用をするかを査読した研究結果がまだ欲しいとしている。「上層大気中の燃料の燃焼による粒子のない排出物に関する主張を裏付ける (あるいは反証する) 出版物は見たことがありません」とトゥーヒー氏は言う。「ですから、ロケットの影響を評価するためには、あらゆるタイプのロケットの排出物をベンチマークする研究が必要だと言っても過言ではないと思います」