高高度核爆発の脅威について真剣に取り組む

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オーロラは、オーロラの自然光現象に与えられた科学用語です。 1962 年 7 月 9 日、ハワイの人々が見た光の現象は決して自然なものではありませんでした。その日、原子力委員会は国防原子力支援局と協力して、地球低軌道で熱核融合装置を爆発させた。この実験はコードネーム「スターフィッシュ・プライム」と呼ばれ、高高度での核爆発が一度でも衛星を破壊するのに特に効果的であるという残念な教訓が明らかになった。射線上にある衛星が破壊されただけでなく、地球の裏側にある衛星さえも損傷し、動作不能になった。スターフィッシュ・プライムは、当時地球低軌道にあったすべての衛星のおよそ 3 分の 1 を損傷または破壊しました。

コスト効率の高いバルクエレクトロニクスによる宇宙の商業化が進行中であることは、紛争が核交換にまで発展するずっと前から、宇宙に不利な立場にある国々にとって、魅力的な標的となっている。したがって、国防総省は、さまざまな科学技術資金提供団体から始めて、高高度核爆発の脅威への計画とそれに対抗することに真剣に取り組むべきである。

そのために国防総省は、荷電粒子放射線から軍事衛星や商業衛星の生存可能性を最大限に高めることを目的とした、統合された監視機能を備えた一貫した研究ポートフォリオの開発を検討する必要がある。このポートフォリオは、宇宙放射線環境を迅速に特徴づけること、衛星対策のためにこの情報を広めること、過剰な荷電粒子を軌道の外に排除すること、そして放射線耐性のある電子部品の継続的な商業化への補助金を継続することに焦点を当てるべきである。

宇宙での核爆発の脅威は、その影響の効力が広く知られておらず、宇宙での核攻撃の可能性は無視できると考えられているため、疎外されています。この懐疑にもかかわらず、戦争計画立案者は、宇宙に存在する人工衛星の数が増加すると、ある種の核攻撃で人工衛星を無力化する誘因構造が変化する可能性があることを認識すべきである。エスカレーションのダイナミクスも単純ではありません。宇宙での核兵器の使用は、核反応を招くことはないかもしれない。これは、核使用を抑止する伝統的な方法、つまり壊滅的な報復の脅威が、多くの人が考えているほど単純なものではない可能性があることを意味している。総合すると、宇宙における米国のインフラを、この現在進行中の脅威に対してさらに回復力のあるものにすることを検討する十分な動機がある。

核実験から学んだ教訓

1940 年代から 1960 年代初頭までの期間は、考えられる限りのあらゆるエキゾチックな配置と場所での核実験の豊作でした。すべての核実験による総収量の約 84 パーセントが、この期間中に地球の大気中で爆発しました。あまり知られていないが、米国が水中および高高度で行った一連のまばらな核実験については、そのようなことはあまり知られていない。 1946年のクロスロード作戦では、船舶や潜水艦に対する有効性をテストするために複数の核兵器が水中で爆発したが、その結果、爆発により放射性水が空中に拡散し、多くの船舶を破壊することなく、拡散領域のあるすべての船舶に降り注いだことが明らかになった。

対照的に、スターフィッシュ・プライム実験では、大気圏外での核爆発が人工衛星を破壊するのにどれほど効果的であるかに誰もが驚きました。プルトニウムの共同発見者であり、1961 年から 1971 年まで原子力委員会委員長を務めたノーベル賞受賞者のグレン・シーボーグは、「我々の大きな驚きと失望に、ヒトデがヴァン・アレン帯の電子を大幅に増加させたことが判明した。結果は私たちの予想をすべて裏切りました。」さらに驚くべきことは、世界初の商用通信衛星であるテルスターがスターフィッシュ・プライム試験の翌日に打ち上げられたにもかかわらず、依然として残留放射線による重大な運用上の損傷を受けていたことである。 Telstar は、電子機器の損傷により 1963 年 2 月に応答を停止するまで、わずか 8 か月しか続きませんでした。これらの理由と環境放射線の増加への懸念から、世界各国は水中と宇宙の両方での核兵器実験は悪い考えであると判断し、米国が8月5日に批准した限定核実験禁止条約でそのような活動を禁止した。 1963年。

ソフトサテライト

バンアレン放射線帯は、太陽からの荷電粒子を地球から掃き出し、低地球軌道から地表 (高度 1,000 キロメートル以下) までの荷電粒子放射線に対するシールドを作成するという重要な役割を果たします。地球の低軌道よりも高く打ち上げられた衛星は、より過酷な放射線環境にさらされ、荷電粒子の絶え間ない衝突に耐えられるように電子的に強化されています。衛星の基本電気ユニットは、抵抗器、導体、ダイオード、変圧器、メモリなど、あらゆる電子機器の典型です。一般に、これらの電気部品は、地球上よりも放射線バックグラウンドが多い真空に近い状態で機能しながら、電磁スペクトルの一部を通じてエネルギーを転送し、論理演算を実行し、情報を中継します。

ただし、地球の低軌道にある商用衛星は粒子線の減少を最大限に活用しており、標準的な商用電子機器をペイロードに組み込んでいる可能性があります。これらのコンポーネントを使用すると、コストが大幅に削減されます。電子機器の放射線強化はよりコスト効率が高く、コンパクトになりつつありますが、これによりコンポーネントの価格が歴史的におよそ 10 ～ 100 倍上昇し、総積載量のサイズと質量が増加する可能性があります。

軍事衛星は、軌道高度に関係なく、通常、太陽活動の激しい期間に対する回復力を高めるため、より高いレベルの電子硬度に設計されているため、商用衛星よりも大幅に高価です。地球低軌道向けの宇宙ペイロード開発のトレンドは、CubeSat のような小型衛星を打ち上げることです。低電力マイクロエレクトロニクスを利用した衛星は、軌道を離脱してアップグレードされた後継機に置き換えられるまで、わずか 1 か月から数年間しか動作しません。この傾向は、小型衛星が消耗性があると考えるべきであるという意味ではありません。衛星をロケットで宇宙に運ぶには非常に費用がかかります。 CubeSat は手頃な価格で製造できるかもしれないが、打ち上げには依然としてコストがかかる。地球に近い小型衛星であっても、製造から軌道周回までの交換時間は少なくとも数か月から数年かかります。したがって、製造コストが低い衛星であっても、高高度での核爆発の使用の可能性を免れることはできません。

国防総省は、世界中にデータを送信するために宇宙に大きく依存しており、このデータを戦争計画の組織化に使用しています。戦争計画における宇宙の重要性を示す例として、現在のロシアとウクライナの間の戦争を考えてみましょう。侵攻の初めに、ロシア軍はウクライナの地上のインターネットと携帯電話のインフラを標的にし、キエフが前線への効果的な指揮統制を維持する能力と、国民への基本的な情報伝達能力を大幅に低下させた。幸運にも、高速インターネットアクセスを提供する地球低軌道上で開発中の小型衛星群であるスターリンクプロジェクトには、ウクライナ軍の大部分にインターネット接続を提供する能力がありました。

現在、ウクライナには 10,000 を超える Starlink 地上端末があり、150,000 人以上の人々にインターネットを提供しています。ウクライナ軍は、衛星自体を標的にしない限り、ロシアが妨害するのが難しい強力な衛星ベースのインターネットサービスにアクセスできる。この最近の事例は、宇宙資産が場所に関係なく、いかに貴重な情報製品を提供するかを示しています。

宇宙を核攻撃し、経済を核攻撃する

これらの衛星を標的にするには、敵は核兵器と長距離ミサイルを保有する必要があります。これにより潜在的な侵略国のリストは狭まるが、そのリストにはロシア、中国、北朝鮮も含まれている。核兵器の使用がエスカレートしている一方で、宇宙での爆発は米国に壊滅的な経済的影響を与えるだろう。また、国防総省が指揮統制に使用している宇宙拠点の資産も劣化するだろう。

宇宙での核爆発は、宇宙開発への単独最大の投資国である米国に不当に打撃を与える。米国は宇宙資産から年間ほぼ 2,000 億ドルの実質総生産を生み出しています。軍事衛星はより過酷な荷電粒子環境に耐えるように設計されていますが、放射線硬化は無敵の魔法の外套ではありません。軍事宇宙資産は、核爆発によって人工的に増幅された放射線帯によって時間の経過とともに劣化する一方、地球低軌道にある商業衛星は、これらの粒子ホットスポットを継続的に通過することにより最初に故障することになる。核爆発の見通し線にある衛星のほとんどは、発生した X 線によって破壊されます。偵察資産とともに指揮統制のための軍事宇宙能力は爆発後もしばらくは機能する可能性があるが、劣化した情報宇宙製品の経済的影響は即座に現れるだろう。

衛星核攻撃はエスカレートしているが、対応は単純ではない

熱核兵器で宇宙を標的にすることは重大な報復を招くが、必ずしも核反応を招くわけではない。宇宙能力で不利な敵国がこの領域で核兵器を爆発させたら、同様の攻撃で反撃するメリットはありません。この行為は宇宙ベースの資産をさらに劣化させることになります。地上配備の対衛星兵器の使用には同じ効果はありません。ミサイル一発と衛星一発を交換することになるが、これは核兵器の破壊に等しいわけではない。

したがって、攻撃された国は、地球上で通常兵器または核兵器で対応することを検討しなければなりません。都市や軍事施設を核兵器で標的にすることは、宇宙を核攻撃するという初期の行動に対する現物対応ではなく、紛争のさらなる重大な激化を意味する。宇宙資産は人間の命と同等ではありません。さらに、攻撃国も核兵器を備蓄しており、戦力を適切に組み合わせれば目標を危険にさらすことができる。したがって、攻撃を受けた国は、本土の標的に対する核反応を招くことを承知の上で、核兵器使用へのエスカレーションを検討する必要があるだろう。明らかな反応は、宇宙での核兵器の使用は地球への核攻撃として扱われると合図することだが、敵対国はそのような脅威を信頼できないと考える可能性がある。

世界のどの国もある程度宇宙製品に依存しているため、国家が行動を思いとどまる可能性もあります。したがって、宇宙で核兵器を使用することは「自傷行為」となります。しかし、戦争の歴史が明らかにしているように、国家は侵略者の勢力拡大を防ぐために、自国の橋を崩壊させたり、野原を燃やしたりするなど、自傷行為を選択します。核兵器は脅威増大の頂点にあるため、核兵器の使用は代替手段が減少する絶望の表れである。

緩和テクノロジーへの投資

現在の高高度核爆発の脅威のリスク軽減は、電子機器の耐放射線強化に近視眼的に焦点を当てているが、これでは不十分であり、単に攻撃の可能性がゼロに近いふりをしているだけである。国防総省は、高高度核爆発の脅威に対抗する取り組みを強化するとともに、進行中の宇宙の商業化が、核爆発の荷電粒子出力に対して脆弱なままである低周回軌道プラットフォームへの依存度をさらに高めることになることを認識すべきである。

軍事宇宙ペイロードと商業宇宙ペイロードの間の実用性の境界線は今後も曖昧になるだろう。すべてのペイロードの放射線硬化は、硬化慣行が商用コンポーネントに普及しない限り、経済的に実現不可能です。この脅威の認識は新しいものではなく、驚くべきことではありません。国防脅威軽減庁は、このテーマについて詳細な調査を実施しましたが、これは現在も有効です。しかし、高高度核爆発による宇宙資産への脅威を軽減するために設計されたさまざまな技術プログラムには、適切な資金が提供されていません。国防総省は、少数の強化された軍事資産だけに焦点を当てるのではなく、商業および軍事の両方の最大数の宇宙資産が高高度での核爆発に耐えられるようにすることで、この脅威を軽減するための協調的な研究開発ポートフォリオを開始すべきである。敵対者が争うことなく核兵器を宇宙に発射できると仮定すると、以下の挑発的ではない焦点分野が研究努力を分割する際に役立つことが判明する可能性がある。

まず、爆発後の宇宙環境を迅速に評価して、ヴァン・アレン帯に捕捉された荷電粒子による有害な放射線の帯をマッピングする放射線センサーを開発します。高エネルギー電子、X 線、総線量を特徴付けるための宇宙用途向けの商用コンポーネントは、すでに購入可能です。

第二に、危険な放射線環境に関する情報を衛星から衛星に中継するシステムを調査および設計し、個々の衛星が回避操縦（軌道変更）を試みたり、単に軌道の一部で低電力モードに移行したりして生存性を向上させることができるようにする。

第三に、粒子を大気中に戻すことによってバン・アレン帯から過剰な荷電粒子を除去するように特別に設計された衛星システムを進歩させる。このようなシステムはまだ研究段階ですが、低周波電波を使用して荷電粒子を磁力線から遠ざけます。このアクションは、時間の経過とともに増幅軌道の電源を着実に遮断することにより、総放射線量を低減することで、テルスターの例のように衛星への長期にわたる損傷を防ぎます。

最後に、国防総省は放射線耐性の研究努力を継続すべきであるが、経済的に実現可能であり、地表の低放射線レベル向けに設計された標準的な電子機器の遍在的な代替となる強化された商用コンポーネントの進歩に焦点を当てるべきである。

これらの取り組みを組織化して推進するのに最も適した 2 つの研究開発組織は、それぞれ大量破壊兵器への対抗と宇宙システムの進歩における既存の資産により、国防脅威軽減局と空軍研究所です。しかし、高高度での核爆発に対抗するという任務は両方の推力領域にまたがっており、それぞれが相手の主導権を握ることができる。国家核安全保障局や国防高等研究計画局など、いくつかの追加組織もこれらの開発努力を主導することができます。この脅威に対抗するための最初のステップは、単に国防総省の組織を指揮してプログラム、計画、予算、実行プロセスの第 1 段階を開始するよう任命することです。

高高度核兵器が宇宙資産を標的にする可能性は新しい脅威ではありませんが、歴史的に無視されています。地球の周りを周回するという性質上、宇宙資産が非常に予測可能なパターンで定期的に露出されることになります。実際、北朝鮮のような国にとって、地球低軌道に核兵器を発射することは、米国本土を標的とするよりも工学的に容易な課題である。なぜなら、ミサイルの弾頭は大気圏突入の抵抗と熱に耐えなければならないからである。宇宙資産は単なる魅力的な標的ではなく、軍事作戦が支援されるたびにさらに挑発的になります。したがって、国防総省は、高高度核爆発に対抗するという使命を擁護するための献身的なリーダーを擁して、一貫した研究開発計画を策定する必要がある。

"トニー" ヴィンセント中佐は、米国空軍の現役科学者であり、現在は空軍士官学校の高度物理学コースのディレクターを務めています。オックスフォード大学で大気物理学の哲学博士号を、空軍指揮幕僚大学で軍事作戦科学の修士号を、空軍工科大学で応用物理学の修士号を取得しました。ヴィンセント中佐は、国防脅威軽減局の核脅威プログラムマネージャーでもあり、イラクの自由作戦におけるプロジェクトエンジェルファイアの第3展開チームの光学部門の責任者でもありました。ここでの見解は著者の見解であり、米国空軍、米国国防総省、または米国政府の一部の見解を代表するものではありません。

画像: 核兵器アーカイブ