今日すでに衛星を使用している可能性があります。衛星を利用すると、お気に入りの番組をストリーミングしたり、友人に電話やテキスト メッセージを送信したり、天気予報やナビゲーション アプリを確認したり、オンラインで購入したりすることができます。衛星は地球の気候、農作物の面積、野生動物の生息地、自然災害の影響も監視します。
より多くの用途が見つかるにつれて、衛星の数は爆発的に増加しました。現在、地球低軌道上では 10,000 基以上の衛星が運用されています。さらに5,000基の退役衛星がこの海域を漂流しているほか、使用済みのロケットステージから宇宙船の塗装の斑点に至るまで、あらゆるものを含む1億個以上の破片が漂っている。
MIT のリチャード・リナレス氏にとって、衛星の高速膨張は差し迫った問題を引き起こしています。宇宙で増加する交通量と混雑を安全に管理するにはどうすればよいでしょうか?そして、衛星を追加することが持続可能ではなく、私たちが依存している宇宙船やサービスに実際に損害を与える可能性がある軌道容量に達するのはいつの時点でしょうか?
「追加の衛星を打ち上げることで私たちがどのような価値を引き出せるのか、これは社会が考慮する必要があることです」と、最近MIT航空宇宙学科（エアロアストロ）の准教授として終身在職権を取得したリナレス氏は言う。 「私たちがやろうとしていることの 1 つは、交通管理と線路容量に関するこれらの問題をエンジニアリング上の問題として扱うことです。」
リナレス氏は、MIT アストロダイナミクス・スペース・ロボティクス・アンド・コントロール・ラボ (ARCLab) を率いています。この ARCLab は、天体力学 (回転する物体の運動と軌道) を応用して、地球の周回軌道上の何百万もの物体の追跡と管理を支援する研究グループです。同グループはまた、通信事業者が衛星の大きな「メガコンステレーション」を宇宙に打ち上げる際に、宇宙交通とデブリがどのように変化するかを予測するツールの開発も行っている。
また、宇宙天気が衛星に及ぼす影響や、地球上の気候変動が宇宙を安全に周回できる衛星の数をどのように制限するのかについても調査します。そして、より混雑した環境をナビゲートするには衛星がより賢く、より速くなることを期待して、リナレス氏は、衛星が自律的に学習して状況の変化に適応し、機内の問題を解決できるようにする人工知能を研究しています。
「私たちの研究は非常に多様です」とリナレス氏は言う。 「しかし、全体として、私たちは衛星がもたらすこれらすべての経済的機会を実現したいと考えています。そして、それを可能にするエンジニアリングソリューションを見つけます。」
現実的な問題のグラウンディング
リナレスはニューヨーク州ヨンカーズで生まれ育ちました。両親は子供たちを養うためにスクールバスの運転手として働いており、リナレスさんは6人兄弟の末っ子だった。彼は活発な子供でスポーツが大好きで、高校までサッカーをしていました。
「スポーツは、集中力を維持して組織力を維持し、労働倫理を養う方法でした」とリナレス氏は言います。 「それは私に一生懸命働くことを教えてくれました。」
大学に出願する際、一部のチームメイトのようにディビジョン 1 の学校をターゲットにするのではなく、リナレスは科学、特に航空宇宙分野で強力なプログラムを探しました。成長した彼は、カール・セーガンのコスモスドキュメンタリーシリーズに魅了されました。そして、マンハッタンに近いことから、彼は定期的にヘイデン プラネタリウムを訪れ、同センターの没入型の宇宙投影とその探索に使用されているテクノロジーを鑑賞しました。
「科学への私の興味は宇宙から来ており、その中での私たちの位置を理解しようとしていたのです」とリナレスは振り返る。
彼は家の近くに留まる選択をし、強力な航空工学科のある州立学校に応募し、喜んでニューヨーク州立大学バッファロー校 (SUNY バッファロー) に入学し、最終的には航空宇宙工学の学士号、修士号、博士号をすべて取得しました。
リナレスは学部生として天力学の研究プロジェクトに取り組み、構造物の中を飛行する衛星の相対的な方向を決定する方法の問題を解決しようとしました。
「2000年代初頭、編隊飛行は大きな問題でした」とリナレス氏は言う。 「関与する数学の風味が気に入りました。これにより、解決策に向けてさらに深く進むことができました。」
彼は、3 つの衛星が一緒に飛行すると、基本的に三角形を形成し、その角度を計算することで、各衛星が他の 2 つの衛星に対してどの位置にあるかをいつでも判断できることを示す数学をまとめました。彼の研究は、衛星が安全に一緒に飛行できるようにするための新しい制御アプローチを導入しました。この研究はアメリカ空軍に直接訴えられ、研究のスポンサーとなった。
研究を修士論文にまで拡張し、リナレス氏は衛星の追跡と方向に関して空軍と直接協力する機会も活用した。彼は米国空軍研究所で 2 年間勤務し、1 回目はニューメキシコ州アルバカーキのカートランド空軍基地で、もう 1 回目はハワイのマウイ島で勤務しました。
「当時は空軍と協力する能力があったため、研究は実際的な問題にほぼ基づいていました」とリナレス氏は言う。
博士号取得のために、彼は「調整されていない軌道」という別の実際的な問題に目を向けました。当時、空軍は宇宙にある 20,000 個以上の天体を観測するために望遠鏡のネットワークを運用し、長期にわたって天体を追跡できるようにタグ付けやカタログ化に取り組んでいました。しかし、オブジェクトの識別は比較的簡単でしたが、識別されたオブジェクトをカタログにすでに存在するものと照合することが課題でした。言い換えれば、彼らが見たものはすでに見たものなのか？
リナレス氏は、物体の形状や向きなど、物体の重要な特徴を特定するための画像解析技術を開発しました。これは、空軍が衛星や宇宙ゴミの「指紋」を採取し、それらの活動や衝突の可能性を長期にわたって追跡するのに役立ちました。
博士号を取得した後、リナレスはロスアラモス国立研究所と米国海軍天文台で博士研究員として働きました。その間、彼は、衛星測定を使用して地球の電離層 (太陽放射によってイオン化された大気の上層) が衛星の抗力にどのように影響するかをモデル化し、大気と宇宙の研究を宇宙天気など他の分野に拡大しました。
その後、ミネアポリスにあるミネソタ大学で航空宇宙工学の助教授としての職を受け入れました。その後 3 年間、彼は宇宙天気のモデル化、宇宙の物体の追跡、群れで飛行する衛星の調整などの研究を続けました。
場所を作る
2018 年、リナレス氏は MIT に異動しました。
「私はここで行われた人々と仕事の歴史に大きな敬意を抱いていました」とリナレス氏は言う。彼は特に、1940年代に飛行機、潜水艦、衛星、宇宙船の何十年にもわたる自己航行を可能にする最初の慣性誘導システムを開発した伝説のチャールズ・スターク・ドク・ドレイパーからインスピレーションを受けたと語る。 「それは基本的に私の専門分野であり、MIT が私のキャリアを続けるのに最適な場所であることはわかっていました。」
AeroAstro の若手教員として、リナレス氏は初期の頃、新たな課題である宇宙における持続可能性に焦点を当てて過ごしました。同じ頃、SpaceX の Starlink によって最初の衛星群が低軌道に打ち上げられました。Starlink は、数千の調整衛星からなる大規模なネットワークを通じて世界的なインターネット カバレッジを提供することを目的としています。すでに他の稼働中および非稼働中の衛星が存在する軌道に、何百万ものスペースデブリとともに非常に多くの衛星が打ち上げられたことにより、衛星のトラフィックを安全に管理する方法と、軌道にどれだけのトラフィックを保持できるかについて疑問が生じました。
「私たちはどのレベルで、特定の軌道体制の衛星が多すぎるという転換点に達しているのでしょうか?」リナレス氏は言う。 「当時、それは一種の既知の問題でしたが、解決策はあまりありませんでした。」
リナレス氏のグループは、天体力学の理解と、物体が空間を移動する仕組みの物理学を応用して、衛星を軌道上の「殻」、つまり衝突を最も回避しやすい経路に詰め込む最良の方法を見つけ出した。彼らはまた、宇宙にある 1,000 万個以上の個々の物体の軌道をシミュレートできる最先端の軌道交通モデルを開発しました。以前のモデルでは、正確にシミュレートできるオブジェクトの数がはるかに制限されていました。リナレス氏のオープンソース モデルは、MIT 軌道容量評価ツール (MOCAT) と呼ばれ、軌道上にある無傷の多数の衛星に加えて、何百万もの宇宙ゴミを考慮に入れることができます。
彼のグループが開発したツールは、現在、衛星運用者によって宇宙船の安全な軌道を計画および予測するために使用されています。彼のチームは宇宙交通管理と軌道容量の問題に取り組み続けています。彼らは宇宙ロボット工学にも手を広げています。研究チームは人型ロボットを電話で操作する方法をテストしており、将来のインフラ構築や宇宙での長期ミッションの遂行に役立つ可能性がある。
リナレス氏はまた、人工衛星が自らの経験から自律的に「学習」し、危険な環境に安全に適応できる方法など、人工知能も研究している。
「すべての衛星に仮想のドック・ドレイパーが搭載されており、アポロ計画中に地上から行ったデバッグを実行できると想像してみてください」とリナレス氏は言う。 「そうすれば、衛星は即座に強力になります。そして、人間を方程式から外すことはありません。人間を強化することができます。それは手の届くところにあると思います。」
