宇宙処理の新しい技術：宇宙船の残骸を宝物に変える

最近、米国のファルコン9ロケットが大量の商用ペイロードを打ち上げました。ペイロードの 1 つは、大気圏に再突入して燃え尽きるまで、宇宙で数時間しか動作しませんでした。しかし、このロケットは航空宇宙業界から大きな注目を集め、将来の火星探査や宇宙製造産業で重要な役割を果たし、宇宙ゴミのリサイクルにも役立つと考えられました。

コスト削減スペースのゴールドラッシュ

このミッションは「火星前哨基地デモンストレーション1」と呼ばれています。ペイロードは比較的単純であり、完全な衛星とはみなされず、単なる機能モジュールとみなされます。 「アウトポスト」は、火星ミッションが長期的な目標を見据えたものであることを示唆している。プロジェクトの発起人によると、ミッションのペイロードの主な目的は、宇宙空間で金属を切削しても破片が出ないことを実証することだという。

金属切削に携わったことのある人なら誰でも、工具がどんな材質で作られていても、金属と高速で接触する限り、金属の一部が必ず剥がれて小さな金属片になってしまうことを知っています。機械加工工場では毎日大量の切削片が発生し、これが工場の固形廃棄物の主な発生源にもなっています。

地球上では、これらの金属スクラップは冶金原料として使用され、機械製造産業の大きなサイクルに加わります。しかし、宇宙には大規模な廃棄物収集サービスはなく、微小重力環境です。従来の方法で金属の切削を行うと、切りくずは秒速数キロメートルの高速で飛び、その威力は機関銃の弾丸よりも恐ろしいものになるかもしれない。

では、なぜ宇宙で金属を切断するのでしょうか?プロジェクトの発起人は、現在の有人宇宙船の製造モデルは高すぎると考えているからです。衛星、深宇宙探査機、宇宙船、宇宙ステーションなど、これらはすべて地球上で製造され、その後宇宙に打ち上げられます。寿命が尽きると、宇宙ゴミとなり、リサイクルが困難になることが多い。しかし、宇宙船に搭載されている資材の多くは高性能で価値の高いものであり、そのまま廃棄するのは残念なことです。さらに、宇宙船を宇宙に送り出すためにはロケットの上段が必要になることが多く、コストが増加します。ロケットは、巨大な宇宙船を宇宙に送り、十分な速度と軌道に到達できるようにするために、大量の高価な航空宇宙用推進剤を消費する必要があります。

商業宇宙旅行が拡大し続けるにつれ、コスト削減が徐々に宇宙産業の関係者の注目を集めるようになりました。米スペースXなどは既にロケット第1段の回収・再利用を実現している。では、軌道上にある廃棄された宇宙船も「廃棄物を宝物に変える」対象として考えられるのでしょうか？

宇宙環境における軌道上での宇宙船の製造とリサイクルは、航空宇宙産業における長年の研究テーマとなっていますが、大規模に正式に実用化されるにはまだまだ遠い状況です。結局のところ、この点での難しさは、地球上で電子製品をリサイクルするよりもはるかに大きいのです。

宇宙船は高度に統合された極めて複雑な工業製品であり、無数の電子部品や精密機械部品で構成されており、金属、セラミック、ゴム、さまざまな複合材料が使用されています。金属を例にとると、宇宙船構造の主材料であるアルミニウム合金をはじめ、合金鋼やチタン合金などが含まれます。場所によっては、金、銀、プラチナなどの貴金属も使用されます。航空宇宙電子機器の発展に伴い、銅や亜鉛などの従来の金属材料の使用に加えて、リチウム電池などの電源装置はますます複雑になっています。

理論的には、宇宙の「ゴールドラッシュ」で金儲けできる可能性は大きい。最も人気があるのは回路基板です。電子機器の接点は金、銀、プラチナなどでコーティングする必要があるためです。特殊な液体で溶解して精製すれば、大量の貴金属が得られることが期待できます。

残念ながら、莫大な利益の裏には高い難しさが潜んでいます。地球上では、使用済み電子製品のリサイクルは面倒で複雑であり、分解と分解の作業だけでも多くの人手が必要です。しかし、これは宇宙では非現実的であり、特に異なる特性を持つ物質を分解する場合、宇宙飛行士は大きな危険に直面することになります。人工知能技術が新たな段階に進歩することを期待するばかりです。

ロケット切断シミュレーションの隠された秘密

火星センチネル検証1号ミッションの発起人であるナノスタックの上級副社長、ミシェル・スミス氏は次のように語った。「人類が火星などの深宇宙に進出したいのであれば、地上からすべての部品を打ち上げて組み立てるという方法に全面的に頼るのではなく、宇宙で宇宙船を建造する必要があります。火星センチネル検証1号ミッションは、この目標に向けた第一歩です。将来的には、宇宙での金属切削、溶接などの技術を検証するためのペイロードがさらに増えるでしょう。」さらにコストを削減するために、宇宙ゴミから十分な原材料が得られるため、これらの金属すべてを地上から打ち上げる必要もありません。

報道によると、「火星探査基地検証1号」の機能モジュールには、計測制御アンテナ、計測制御無線設備、ペイロード、ペイロードアンテナ、ペイロード無線設備、サービスプラットフォームの6つのコンポーネントが含まれている。その中で、サービス プラットフォームは、ペイロードに電力、熱制御、構造サポートを提供することができます。モジュール全体は非常にシンプルで、姿勢制御サブシステムすらありません。

サービスプラットフォームには一般的なソーラーパネルはなく、リチウム電池が 2 つだけ搭載されています。これは、軌道上で長時間動作することが不可能であることを意味し、このミッションにおける有効な実証時間は 10 分を超えません。

具体的には、「火星前哨基地検証1号」の積荷は、耐腐食性鋼のサンプル3個が入った密閉された箱です。材質は米国が打ち上げを予定しているバルカン・ケンタウルスロケットの上段シェルと同じもので、ショッピングモールのクーポン券くらいの大きさだという。最も重要な装備は、米国のマクサー社が開発したロボットアームです。先端に切削工具を備えており、高速回転が可能です。摩擦によって発生する高温を利用して、耐腐食性鋼をほとんどまたはまったく切削片を出さずに切断します。

2台のカメラで撮影された現場作業ビデオによると、ロボットアームは曲線に沿って3つの金属サンプルを切断した。赤外線熱センサーは常にデータを収集し、テストプロセス全体を監視します。ビデオとデータは両方とも時間通りに地球に送信されました。

次の段階では、NanoStack は、遠地点 538 キロメートル、近地点 531 キロメートル、傾斜角 97.5 度の太陽同期軌道で同様の実験を行う予定です。今後の処理対象には廃棄された太陽同期軌道衛星も含まれる。

NanoStackは試験材料をもとに、予防措置としてロケット上段を宇宙切削加工の対象とすることを目標としている。ロケットの上段の構造は比較的単純です。電子部品もいくつか搭載されているが、本体は外殻、貯蔵タンク、エンジンなど円筒形の金属部品のままである。主な材質は、ロボットでの取り扱いが容易なアルミニウム合金と合金鋼です。

実際、ロケットの上段を細かく切断することは、宇宙製造のための原材料を入手するという最初のステップに過ぎません。次に、ロケットの上段を新しい宇宙船に改造することも考えられますが、私たちが直面する困難はかなり大きいです。結局のところ、宇宙船の設計と製造は、地球上では困難な作業である複雑なプロセスと手順から切り離すことはできません。宇宙で廃棄される機器で製造した場合、設置精度すら保証できません。

プロジェクト名に「火星」が含まれていることから判断すると、NanoStack の主な目的は宇宙で直接完成品を製造することではないと外部から推測できるでしょう。一部の実験モジュールの単純な加工は排除されていないが、宇宙ゴミを原材料に加工し、それを火星付近に輸送して大規模に使用することに重点が置かれている。

今日、宇宙 3D プリンティングは航空宇宙製造研究の注目分野です。宇宙空間でアルミ合金や合金鋼などを粉末状にして3Dプリンターに供給できれば、複雑な新しい部品の製造が可能になります。しかし、宇宙に重金属破砕機を配備するのは難しいため、廃棄された宇宙船を細かく切断し、輸送して粉砕するロボットを送ることは実現可能な解決策となるかもしれない。

しかし、これによって新たな問題が浮上します。境界のない宇宙では、廃棄された宇宙船はどのような資産なのでしょうか?そのままの状態で退役した宇宙船の「所有権」を特定するのは比較的簡単かもしれませんが、ある程度の残骸の場合はどうでしょうか?軌道上でのリサイクル・再利用技術が大規模に展開され、宇宙ゴミが価値を取り戻す限り、企業間や国家間の紛争が必然的に激化することは予想に難くない。したがって、宇宙ゴミを宝物に変えたいのであれば、技術的な困難を克服する必要があるだけでなく、法的問題も無視することはできません。