Kilometre-scale orbital data centres may clear debris by avoiding rocket bodies and defunct satellites

私たちの頭上の空は、混雑しつつある。数十年にわたり、人類の活動は、使い古されたロケット段、故障した人工衛星、そして無数の金属や塗料の破片という、混沌としたスペースデブリの層を後に残してきた。これらのデブリは、ライフルの弾丸よりも約10倍も速い、超高速で移動している。このような速度では、極めて小さな破片であっても宇宙船に穴を開けることができ、より大きな破材は人工衛星を数千の新しい破片へと粉砕してしまう。これは、衝突がさらなるデブリを生み、それがさらなる衝突を招くという、危険なサイクルを生み出す。科学者たちはこれを「衝突カスケード（連鎖的衝突）」と呼び、特定の軌道が数世紀にわたって利用不能になる可能性のある暴走プロセスであると呼んでいる。

現在、このまさにこの環境の中に、巨大なデータセンターを設置しようとする新しい世代の提案が進められている。企業は、低軌道に数平方キロメートルに及ぶ構造物を建設することを計画しており、それらは連続的な太陽光によって電力を供給される、浮遊するサーバーファームとなる。これらの施設は、人工知能に必要な膨大な計算能力を処理するために設計された、数キロメートルにわたる太陽電池アレイを備えた巨大なものになるだろう。このプロジェクトにとって重要な問いは、常に「スペースデブリが構造物にどのような影響を与えるか」であった。迷い込んだ破片が繊細な太陽電池パネルに穴を開けてしまうのだろうか？ 新しい研究は、この問いを逆転させている。デブリが構造物に何をするのかを問うのではなく、構造物がデブリに対して何をするのかを問うているのだ。その答えは、驚くべき可能性を明らかにしている。すなわち、これらの巨大な軌道プラットフォームは、その管理方法次第で、史上最悪の汚染源にも、宇宙史上最も効果的な清掃者にもなり得るということである。

研究者のJiawei Jing氏が率いるこの研究は、これらキロメートル規模の構造物の挙動を15年間にわたってシミュレートしている。モデルは、データセンターの経路を横切る2つの異なるタイプの物体を追跡している。第1のグループは、地上レーダーでは追跡できないほど小さいが、人工衛星に衝突すれば破壊するのに十分な重さを持つ、微細な破片や小型の致命的な物体である。第2のグループは、大型で完全な状態の物体、すなわち、既知であり追跡されている機能停止した人工衛星やロケット本体を含むものである。研究によれば、薄い太陽電池アレイはこれら2つのグループに対して全く異なる挙動を示す。小さく高速で移動する破片が軽量なシートに衝突すると、その衝撃によって破片は大幅に減速する。シートに穴が開くものの、運動量の交換によって破片の軌道が低下し、短時間のうちに大気圏で燃え尽きることになる。このようにして、構造物は自然に、追跡不可能なミッション終了型のデブリを空から掃き清めるのである。

しかし、大型の完全な物体との相互作用は、異なる物語を語っている。巨大なロケット本体や死んだ人工衛星が薄いアレイの経路を横切るとき、シートはそれを止めることはできない。代わりに、その衝突は、壁に高速の投射物が当たったような作用をもたらす。注入されるエネルギーがあまりに強烈であるため、大型物体の表面の一部を剥ぎ取ったり、最悪の場合、物体全体を粉砕して新しいデブリの雲に変えてしまったりする。研究では、大型物体の質量のほんの一部（1パーセント未満）であっても、表面が剥ぎ取られたり、あるいは物体が完全に崩壊したりした場合、その構造物は新たなスペースデブリの発生源となることが算出されている。構造体がこれらの大型物体を回避することを行わない設定でのシミュレーションでは、その軌道層における致命的かつ追跡不可能な破片の数は、現在よりも3倍から15倍多くなる可能性がある。構造体は、実質的に新しい危険を空に蒔き、小型の破片による自然な清掃効果を打ち消してしまうことになる。

解決策は、特定の種類の回避操作にある。研究によれば、もしデータセンターが、数少ない大型の追跡可能な物体（ロケット本体や機能停止した人工衛星）のみを回避するようにプログラムされていれば、デブリの純減量（ネット・リムーバー）であり続けることができる。これらの巨大な標的を避けることで、構造体は小さな、追跡不可能な破片を通過させ、それらを太陽電池アレイによって減速させる一方で、新しいデブリの雲を作り出す致命的な衝突を回避できるのである。この選択的な回避は、驚くほど効率的である。研究は、構造体が高度に応じて、これら大型物体の93%から99.6%をうまく排除することができれば、汚染するよりも早く軌道を清浄化できることを示唆している。これは、清掃すべき小さな破片を含むすべての追跡可能なデブリを回避しようとする場合に必要となる、ほぼ完璧な回避に比べれば、はるかに低い閾値である。

この選択的な清掃にかかるコストは管理可能な範囲であるが、それは我々が大型物体をどれだけ正確に把握しているかに依存する。ロケット本体を回避するためには、構造体はその巨大なフレームを、衝突点を避けるのに十分なだけ動かす必要がある。もしロケット本体の位置が数百メートル以内の高精度で判明していれば、これらの回避操作に必要な燃料は比較的少ない。しかし、もし位置の不確実性が数キロメートルに及ぶ場合、安全な回避を保証するために必要な燃料は劇的に増加し、毎年、構造体の質量の大部分を消費してしまう可能性がある。また、研究は決定的な脆弱性についても指摘している。構造体内部の密なコンピューターモジュールである。薄い太陽電池パネルとは異なり、これらの重量のあるモジュールは脆弱な標的である。大型の物体がコンピューターモジュールに衝突した場合、おそらくモジュールを粉砕し、大規模な新しいデブリ雲を作り出すだろう。したがって、コンピューターモジュールは、自身を破壊する可能性のあるあらゆる追跡可能な物体を回避するという、太陽電池アレイよりもはるかに厳しい要件を満たさなければならない。

この発見は、宇宙機関や企業がリスクを評価する現在の方法に異議を唱えるものである。標準的な安全規則は、衝突の確率が宇宙船に損傷を与えることに焦点を当てている。これらの巨大な構造物にとって、そのアプローチは不十分である。研究は、規制当局やオペレーターは、衝突の結果そのものを見るべきだと主張している。もし大型の物体がアレイを横切り、それが崩壊した場合、たとえ構造体自体が生き残ったとしても、その構造体は環境に対する義務を果たせなかったことになる。研究は、これらの将来のデータセンターの設計において、構造物自体の保護よりも、軌道環境の保護を優先しなければならないと示唆している。小さなデブリを通過させて清掃させる一方で、大型の追跡可能なジャンクを積極的に回避することで、これらのキロメートル規模のプラットフォームは、スペースデブリの数を能動的に減少させる最初の人工物になれる可能性がある。

この結果は保証されているわけではない。それは、まだ実際の軌道環境では測定されていない2つの要因に依存している。すなわち、大型の物体が軌道速度で薄いシートをかすめた際に、正確にどれだけの質量を失うのか、そして失われた質量がどれだけの新しい破片を生み出すのか、という点である。これらの物理的な相互作用がテストされるまでは、データセンターが純粋な清掃者であり続けるための正確な効率性は、あくまでシミュレーションの域を出ない。それでもなお、本研究は明確な進むべき道を示している。それは、低軌道の運命が、設計による選択であることを証明している。もしこれらの構造物が、大型の追跡可能な物体を回避し、小さなデブリを通過させるように作られれば、空を清める助けとなるだろう。もし、すべての追跡可能な物体を回避しようとする、あるいは、より悪いことに、大型の物体を無視するように作られれば、スペースデブリの壊滅的な増加を引き起こし、それらが運用に必要とする軌道そのものを利用不能にしてしまうだろう。空を掃除するスペースエレベーターになるか、それとも空をジャンクで満たすものになるかの違いは、単に、どの物体を回避すべきかを知っているかどうかにかかっているのである。