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Aug 01, 2023

フィル・アー・アップ

I piani ambiziosi per una stazione di servizio nello spazio potrebbero prolungare la durata della vita dei satelliti

宇宙でのガソリンスタンドの野心的な計画は衛星の寿命を延ばす可能性がある

春の夜9時20分10年前、フォークランド諸島の住民は、空に燃えるような物体が筋を描き、南大西洋に向かって急降下する際にバラバラになるのを目撃した。

GOCE衛星が帰ってきました。

ヨーロッパは地球の重力場の地図を作成するために重さ1トンの宇宙船を打ち上げた。 しかし、GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer の略) がイオン推進システム用のキセノン燃料を使い果たし、地球上空 139 マイルの軌道を維持できなくなったため、重力は最後の笑いをとりました。

それでも科学者たちは大喜びした。 彼らは GOCE ミッションが 2 年続くと予想していましたが、燃料消費率が予想よりも低かったため、なんとか 4 年を乗り切ることができました。 その追加のミッション時間により、これまでで最も正確な地球重力データの収集が可能になりました。

2013 年に燃料が切れて大気圏に再突入した、ヨーロッパの重力場および定常海洋循環探査機 (GOCE) 衛星をアーティストが描いたもの。燃料補給施設により、宇宙機関は科学衛星の運用寿命を延ばすことができる可能性があります。 (AOESメディアラボ/ESA)

しかし、GOCE や他の衛星の燃料がなくなったらどうなるでしょうか? 軌道上で燃料タンクを補充してミッションを続行できるとしたらどうなるでしょうか? 当初は推測の域を出なかったこの問題は、宇宙ゴミが蓄積し続けており、衛星と宇宙飛行士の両方に同様に危険をもたらすにつれて、ますます緊急性を増している。

ラボテストでは、小さな破片でも重大な損傷を引き起こす可能性があることが実証されています。 (ESA)

すべての衛星が寿命の終わりに急降下して地球に戻るわけではありません。 NASAによると、その多くは増え続ける軌道上デブリの一部となり、現在はソフトボールより大きい2万3000個以上の破片で構成されており、それぞれの破片は時速1万7500マイルの速度で移動している。 さらに、0.04インチ以上の破片、さらにはそれより小さな破片が約1億個存在する。 現在、デブリがさらに多くのデブリを生成しているところまで来ています。 2009 年に、2 つの消滅した衛星が衝突し、追跡可能な大きさの 2,300 以上の破片に砕けました。

現在も 4,500 基を超える衛星が稼働しており、SpaceX や OneWeb などの民間企業が今後数年間で数千機のインターネット衛星群の打ち上げを継続する予定であるため、衛星はさらに混雑する一方です。

「私たちは、『一度打ち上げたら終わり』というパラダイム、つまり、宇宙船を打ち上げたら耐用年数を終えたら、その代わりに別の宇宙船を建造するだけという考え方を終わらせようとしているのです」とジル・マクガイア氏は言う。メリーランド州グリーンベルトにあるNASAのゴダード宇宙飛行センターの宇宙ロボット技術者で、歴史的なハッブル修理ミッションに従事した。 彼女は現在、軌道上の衛星にロボットで燃料を補給する今後のミッションである OSAM-1 (軌道上サービス、組立、製造) を管理する探査・宇宙サービスプロジェクト部門の責任者を務めています。

NASA はこの分野の唯一のプレーヤーではありませんが、NASA はこの分野の先駆者です。 2007 年、NASA は国防高等研究計画局 (DARPA)、ボーイング、ボール エアロスペースと協力して、2 機の専用宇宙船を使用し、バッテリーの交換などのサービス デモンストレーションを含む共同燃料補給の試みであるオービタル エクスプレスを開始しました。 その後、2011 年に NASA は最初のロボット給油ミッション (RRM) を開始しました。このプロジェクトは 3 段階のプロジェクトで、2020 年に終了しました。このミッションで、NASA は給油用に設計されていない衛星に適用できる技術を実証しようとしました。

NASA の OSAM-1 宇宙船 (左) が Landsat 7 に接近します (このデジタル アートに見られるように)。 2025年に計画されているこのミッションでは、OSAM-1がロボットアームで高速移動する衛星を掴み、燃料を補給できるかどうかが評価される。 （ノースロップ・グラマン）

「OSAM-1はロボット給油ミッションと非常に似ており、実際の人工衛星に典型的な給油・排出バルブが使用されることになる」とマクガイア氏は述べ、このミッションは給油だけに焦点を当てたものではないと付け加えた。 「私たちにとって、燃料補給は整備の一部にすぎません。そしてそれは、衛星の位置を変更したり、バッテリーボックスを交換したり、機器をアップグレードしたりすることを意味する場合もあります。また、展開に失敗した太陽電池モジュールの修理を意味することもあります。」

だからといって、燃料補給が簡単だと言っているわけではありません。 燃料は爆発性があるため、衛星の打ち上げ準備時には漏れを避けるための措置が講じられます。 「宇宙船が燃料で満たされると、注入と排出のバルブが閉じられ、配線が閉まります」とマクガイア氏は言う。 「その後、そこに安全キャップをかぶせ、ワイヤーをかけて閉じ、さらに別の安全キャップをかぶせます。それもワイヤーで閉じ、その後、熱保護を助けるために毛布ですべてを閉じます。」

燃料を補給する宇宙船は、まず目標の衛星につかまってドッキングし、次にロボット アームを使用してこれらの安全上の注意事項を 1 つずつ順守する必要があります。 マクガイア氏の表現によれば、この複雑なプロセスは、まるで爆弾を解除するようなものです。「アクセスするには、ブランケットを開け、その一部を切り取り、ワイヤーを切断してキャップを取り外す間、それを保持できなければなりません。給油・排出バルブをロボットアームが掴みに行き、そのホースが宇宙船の燃料システムに接続されています。ロボットを介してツールが取り付けられたら、給油作業を行うことができます。バルブにはクイックディスコネクト機構を残し、熱的に保護される方法でバルブを閉じます。」

ミッションの後半部分では、小さなラジオパラボラアンテナの組み立てと分解を繰り返し、それを使って地球に信号を送信することで、簡単な修理を行う能力を実証します。 そして、最初の部分と同様に、手順全体が地上から指示されます。 すべては3週間にわたって、高度約400マイル、時速16,500マイルを超える速度で行われます。 このミッションは現在、2025年初頭の打ち上げが予定されており、NASAはすでにターゲットを選んでいる。ランドサット7は、1999年に打ち上げられた米国地質調査所の地球観測衛星で、2011年に燃料を使い果たした。OSAM-1は約250ポンドの燃料を補給する予定だ。人工衛星用の最も一般的な化学推進剤であるヒドラジンを使用することで、Landsat 7 はさらに数年間軌道を維持することができます。

「私たちが開発している技術は、おそらくより優れた技術を使えば、衛星に燃料を補給してアップグレードして、さらに 10 年間は衛星を維持できることを示しています」とマクガイア氏は言います。 「これにより、宇宙運用を行うまったく新しい方法が開かれます。」

英国ストラスクライド大学の航空宇宙工学教授マッシミリアーノ・ヴァシル氏によると、これは課題を伴う野心的な計画だという。 「宇宙で物体に近づくときは、それを掴まなければなりません」と彼は言います。 「物体が掴まれるように設計されていない場合、それを行うのは簡単ではありません。たとえば、物体が動作していない場合は、おそらく転がっており、予測どおりに動いているものを掴むのはすでに困難です。これらすべてを理解する必要があります」近づく前に。」

プラスの面としては、充填および排出バルブのメーカーが 3 社しかないため、NASA が軌道上の衛星に燃料を補給できるようにするために必要な形状は 3 つだけです。 また、給油後にバルブに残るクイックディスコネクト OSAM-1 は、給油ツールとバルブ自体の間のインターフェイスとして機能し、元のキャップをすべて置き換えます。 閉鎖手順がより迅速になり、その後の給油作業がよりスムーズになります。

軌道上で死んだ衛星が減れば、宇宙ゴミも減ります。 NASA の図は、何百万もの人工の破片と微小隕石が現在平均時速 22,000 マイルの速度で周回していることを明らかにしています。

衛星を保守するためのより効率的で低コストのアプローチは、衛星が建造される前に燃料補給技術を設計に組み込むことです。 コロラド州に拠点を置く民間企業 Orbit Fab は、その目標に向けて取り組んでいます。

「私たちは、高価なロボットアームを使わない、低コストの給油アーキテクチャのビジョンを持っています」と、Orbit Fab の共同創設者兼 CEO のダニエル・フェイバー氏は述べています。 「私たちは、業界の他の企業と話し合い、要件を理解することで給油ポートを開発しました。数年前に始めたときは、わずか 30 ～ 40 社でしたが、今ではすでに 200 社を超えています。」

そのポートは RAFTI (Rapidly Attachable Fluid Transfer Interface) と呼ばれ、ドッキング操作中の適切な位置合わせを容易にする 3 つの特徴的なマーカーが含まれています。 オービットファブは業界標準にするために仕様を公開しており、この港はすでにスペースX社のファルコン9ロケットで2021年半ばに打ち上げられたテンジン1号と呼ばれるデモンストレーション用燃料補給タンカーで軌道上にある。

「これは世界初の運用可能な燃料貯蔵所です」とフェイバー氏は述べ、このような燃料貯蔵所はオービットファブのインフラストラクチャーの半分を占め、軌道上に大量の燃料を貯蔵する方法を提供すると付け加えた。 残りの半分は燃料シャトルで、基地から燃料を収集し、目標の衛星に配送します。 「シャトルは燃料の一部を自ら使用するため、事実上無限に再利用可能です」と彼は言う。 「次回の最初の燃料シャトルの打ち上げは2023年末であり、その後、顧客に燃料を配送する運用準備が整います。次の数回で最初の燃料配送を行うために、いくつかのシャトルが並んでいます」何年も。」

「ほとんどの人工衛星は15年分の燃料を搭載することを余儀なくされています」とOrbit Fabの共同創設者、ジェレミー・シール氏は言う。 「15年分の燃料を車の後ろで牽引することを想像してみてください。」 標準的なポートのおかげで、NASA がロボットアームを使って給油するプロセスに比べて、給油プロセスがはるかに簡単になる、と彼は付け加えた。 「これは非常に侵襲的です。宇宙船の周囲の断熱材を切断し、注入と排出のバルブの周りにある結束ワイヤーを解いて、新しいポートを取り付けなければならないからです。そのため、できることはたくさんあります。その過程で間違っていたのです。」

オービットファブの港は、ロッキード・マーチン社とノースロップ・グラマン社（両社はオービットファブに投資している）から関心を集めており、最近では国防総省から軍事衛星でラフティをテストするための1200万ドルの契約を同社に与えられた。 「空軍と宇宙軍は、かなり厳しい資格や要件に基づいてテストに資金を提供し始めたので、私たちもそこから学びました」とフェイバー氏は言う。 「私たちは設計を進め、現在は安定しており、宇宙船に搭載するために顧客に出荷しています。」

Orbit Fab の最初の顧客には、軌道上のデブリ除去と衛星の保守に重点を置く日本企業 Astroscale があります。 そのLEXI宇宙船は、燃料補給を目的とした世界初の運用可能な商業衛星であり、RAFTIポートが装備される予定です。 LEXI は Life-Extension In-Orbit の略で、人工衛星がミッションを継続できるように燃料を補給するか、または死んだ衛星をより高い「墓場軌道」まで押し上げるのに十分な燃料を提供することで、さらなる浮遊デブリの蓄積を防ぐように設計されています。 最初のLEXIは2026年に打ち上げられる予定で、アストロスケールとオービットファブは、電気スラスターに動力を供給する業界標準の推進剤であるキセノンガスを最大2,200ポンド供給する契約を締結した。

メリーランド州グリーンベルトにあるゴダード宇宙飛行センターのエンジニアが、NASA のロボット給油ミッション 3 用の外部ツールの適合性チェックを行っています。

Orbit FabはNASAとも協力しています。 「私たちは彼らと何度か会ったことがあります」とNASAのマクガイア氏は言う。 「私たちは、バルブの開発で学んだことについてより多くの情報を彼らに提供し、それらのことがより良い製品を作るのに役立つかどうかを確認しようとしました。」 しかし、衛星に協調バルブがない場合、NASAが開発した技術が、現在軌道上にある宇宙船に直接燃料を補給する唯一の方法になる、と彼女は付け加えた。

さらに多くのグループが同様のプロジェクトに取り組んでいます。 ノースロップ・グラマン社のスペースロジスティックスは、燃料が少なくなった衛星とドッキングできる宇宙船2機を昨年と2020年に打ち上げた。 同社は2025年に燃料貯蔵所の開設を計画している。 カーネギーメロン大学が率いる研究チームは、ノースロップ・グラマンが行った研究の一部を活用して、衛星にサービスを提供するための新しいロボット技術を開発しています。 ロッキード・マーチンは、宇宙船を相互にドッキングするためのオープンソースの機械インターフェースをリリースしました。 また、DARPA は、業界主導の標準を開発し、衛星の給油と保守に関する国際政策を導くことを目的とした、ランデブーおよび保守業務の実行のためのコンソーシアムの設立を支援するためのシードマネーを提供しました。

RRM の第 1 段階では、地球上のミッション管制官は、カナダの Dextre ロボット (国際宇宙ステーションに搭載) に遠隔から命令して、さまざまな整備作業を実行する方法を学習しました。

これらの組織間の協力は、宇宙経済における変革の瞬間を示唆しています。 「私たちは、Orbit Fab のように、独自のサービス シナリオを開始しようとしているさまざまな企業といくつかのライセンス契約を結んでいます」と McGuire 氏は言います。 「私たちが学んで行っていることはすべて、商業産業が取り入れることができるようになるでしょう。給油は競争環境になると思います。そして今後 5 ～ 10 年で、この技術が高度な技術になるにつれて、ダイナミックな変化が見られるでしょう。」 「研究室で行われることだけでなく、現実のことだ。今日、スペースX、ボーイング、ブルー・オリジンが商業打ち上げをめぐって競争しているように、燃料補給をめぐって競争する企業も出てくるだろう。」

フェイバー氏によれば、燃料補給がもたらす利点は衛星の寿命を延ばすことだけではないという。 「柔軟性も得られます」と彼は言います。 「現時点で衛星を運用する際の最大の懸念である燃料切れを心配することなく、より多くの移動が可能になります。そのため、市場が変化した場合でも、市場のある場所に衛星を移動できます。たとえば、 「画像衛星を大気圏に近づけて飛行させれば、多少の抗力はあるものの高解像度の画像が得られ、その後燃料を補給することができます。これは以前には不可能でした。すべての燃料を運ぶ必要がないことから恩恵を受けるビジネスモデルは数多くあります」あなたと一緒に。」

ノースロップ・グラマン社のスペースロジスティックスは、軌道上での燃料補給に代わる手段であるミッション拡張ポッドを提供している。これにより、静止軌道上の標準的な重さ4,409ポンドの衛星にさらに6年間の寿命をもたらすことができる。 （ノースロップ・グラマン）

Orbit Fabは当初、衛星燃料の需要の約95パーセントを占めるヒドラジンとキセノンに焦点を当てる予定だ。 しかし、同社はより環境に優しく、より安価な代替品を検討しており、持続可能な推進剤を開発するためにドイツの新興企業ニュートロン・スター・システムズと提携すると発表した。

長期的には、Orbit Fab は燃料の生産そのものを軌道上に移したいと考えています。 「私たちは石油化学会社になりたいと考えており、実際に小惑星や月で採掘された物質を購入して、宇宙で使用できる推進剤に変換したいのです」とシール氏は言う。 「初期段階では、当社のタンカーは自ら燃料を補給することはできませんが、事業の石油化学部門に移行すると、実際に推進剤を生産している宇宙の基地に燃料を補給し始めることができます。」

2022 年、オービット ファブは、このアーティストの描写に見られる、同社の軌道上寿命延長 (LEXI) 宇宙船に燃料を補給することでアストロスケールと合意に達しました。 (オービットファブ/アストロスケール)

これらの将来の推進剤はヒドラジンやキセノンではなく、もっと単純なものになるでしょう。 オービット ファブは、国際宇宙ステーションに水を供給した最初の民間企業です。 そして現在軌道上にある燃料貯蔵所テンジンには過酸化水素で満たされたタンクがある。

「水、過酸化水素、炭化水素は、小惑星や月から簡単に入手できるため、将来の推進剤になるでしょう」とフェイバー氏は言う。 「私たちのビジョンは、これらすべてを生産ロードマップに結び付け、ビジネスコストを大幅に削減できるようにすることです。なぜなら、材料はすでにそこにあるからです。」

実際、NASA は月の南極へのミッションを準備しており、氷を抽出して水、推進剤、酸素に変換できる将来の掘削作業に備えて氷堆積物の調査を開始します。 月探査の時代が始まり、それによって衛星に燃料を補給し、軌道上の破片を減らす技術が開発され、宇宙経済が拡大するにつれて地球の汚染を持ち込まないようになりました。

ヤコポ・プリスコロンドンを拠点とするジャーナリストで、CNN インターナショナルのニュースや特集記事を担当しています。 彼は、『Air & Space』誌の 2021 年 4/5 月号でアントノフ An-225 について執筆しました。