(57)【要約】【課題】  本発明は，宇宙空間の地球低軌道に存在するスペースデブリの微粒子を電界の力で降下させ，微粒子を大気圏に突入させて焼却するスペースデブリ除去方法及びその装置を提供することである。【解決手段】  このスペースデブリ除去方法及びその装置は，地球低軌道８に存在するプラズマ中に正バイアスした網状電極５ｅとなる網状帯電体５を拡げ，網状電極５ｅの周辺における加速された電子ｅによって網状電極５ｅの周辺に飛来する１ｍｍ以下の微粒子であるデブリ１を負に帯電させ，網状電極５ｅの電界の力によってデブリ１を減速させ，デブリ１の軌道を降下させ，デブリ１を大気圏３に突入させて焼却する。網状帯電体５をプラズマ中でパルス状に印加して網状電極５ｅに構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地球低軌道に存在する真空プラズマ中に網状帯電体を拡開して配置し，前記網状帯電体を正バイアスして網状電極に構成し，前記網状電極の周辺における加速された電子によって前記網状電極の周辺に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ，前記網状電極の電界の力によって前記スペースデブリを減速させて前記スペースデブリの軌道を降下させ，前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去方法。
【請求項２】
正にバイアスした前記網状電極の周辺には電子シースが形成され，前記電子シース内へと飛来した前記スペースデブリが前記負に帯電させられることを特徴とする請求項１に記載のスペースデブリ除去方法。
【請求項３】
前記網状帯電体は，前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のスペースデブリ除去方法。
【請求項４】
前記スペースデブリは，１ｍｍ以下の微粒子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスペースデブリ除去方法。
【請求項５】
地球低軌道に存在する真空プラズマ中に拡げられた網状帯電体，前記網状帯電体をプラズマ電位に対して正バイアスさせるため前記網状帯電体に結線して電圧を印加する電源装置，及び前記電源装置を収納して前記電源装置をアースする人工衛星を備え，前記電源装置を付勢して前記網状帯電体を正バイアスさせて網状電極に構成し，前記網状電極の周辺に電子シースを形成し，前記電子シース内に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ，負に帯電した前記スペースデブリを前記網状電極の電界の力によって減速させて軌道を降下させ，前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去装置。
【請求項６】
前記網状帯電体は，前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成されることを特徴とする請求項５に記載のスペースデブリ除去装置。
【請求項７】
前記スペースデブリは，１ｍｍ以下の微粒子であることを特徴とする請求項５又は６に記載のスペースデブリ除去装置。
【請求項８】
前記網状帯電体は，前記人工衛星によって前記地球低軌道に打ち上げられて前記地球低軌道において１ｋｍ〜数ｋｍ四方に拡開されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のスペースデブリ除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，例えば，宇宙に浮遊する微粒子や宇宙ごみであるスペースデブリを極軌道から除去するスペースデブリ除去方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，宇宙ステーションの建設，人工衛星の打ち上げ等で地球の周辺の宇宙空間には，人工衛星の破片，剥がれた塗装，人工衛星から遊離した微粒子等の人工物体であるスペースデブリによってかなり汚れが進んでおり，これらのスペースデブリについて大きな問題になっている。デブリは，破片という意味であり，スペースデブリは，有用な役割を果たさない宇宙空間，特に地球表面から２０００ｋｍ以内の領域の地球低軌道で飛来している人工物体である。スペースデブリは，平均速度が１０ｋｍ／ｓｅｃという高速で地球低軌道を周回しているので，このような高速なスペースデブリが人工衛星，打ち上げられる宇宙ロケット，宇宙での作業者等の物体に衝突すると，その破壊エネルギーは大きく，物体に容易に孔をあける等の損傷を与えることは明らかであり，人工衛星や宇宙ロケット等に重大な事故，致命的なダメージ等を起こすことが問題視され始めている。また，現在ではスペースデブリの観測能力は，直径約１０ｃｍ以下のものに対してはレーザーによる観測や光学的観測等の追跡システムでは，スペースデブリが小さ過ぎて追跡キャッチできず，そのような微粒子のスペースデブリによる事故等の発生を未然に回避することができないのが現状である。
【０００３】
現在，スペースデブリの除去方法として，人工衛星にバンパーを取り付けて人工衛星がスペースデブリとダイレクトに衝突するのを防いだり，人工衛星そのものの製作にあたってデブリが発生し難い加工を施したりする対策が行われているが，デブリが発生しないように人工衛星を作製することは技術的に非常に困難な状況であり，また，使用済みの人工衛星が宇宙ごみになること等を避けることができない現状である。これらのスペースデブリ除去装置のうち典型的なものとして，ホイップル・バンパーが知られている。該ホイップル・バンパーは，宇宙船の外側に，薄い金属板を置く構造になっているので，デブリはまず金属板に衝突することになり，金属板にはデブリの衝突で孔が開くが，デブリも衝突で粉々になったり，消滅したりするので，衝突エネルギーを分散でき，外壁に与えるダメージを軽減することができるというものである。
【０００４】
また，有人宇宙活動中の宇宙飛行士に衝突する虞のあるスペースデブリを粉砕するデブリ粉砕衛星が知られている。該デブリ粉砕衛星は，矩形フレームの内側全面に，スペースデブリを衝突，貫通させることにより粉砕できる薄肉の金属板を宇宙軌道に展開させて取り付け，各コーナー部にガスジェット装置を設ける。ガスジェット装置を制御して金属板の位置と姿勢を調整するバス機器を備える。地球周回軌道の外周側となるフレームの端部に姿勢安定用マストを取り付ける。各ガスジェット装置を制御することにより金属板の位置と姿勢を調整して，金属板を地球周回軌道上の宇宙機の進行方向の前側にて，有人宇宙活動を予定している区画の前面を覆うように位置させて用いる。飛来するスペースデブリを予め金属板に衝突させて貫通させることにより粉砕し，サイズを小さくさせる（例えば，特許文献１参照）。
【０００５】
また，ロボットアームと結合されてパワーの供給や信号の遣り取りを可能にし，投棄回収する対象となる対象衛星を捕獲して一体となった状態で放出されるスペースデブリ軌道変換用テザー装置が知られている。該スペースデブリ軌道変換用テザー装置は，ロボットアームに設けられた把持機構によって，捕獲機構，取っ手及びテザー機構を備えたテザー装置を把持する。把持機構が取っ手と結合することで，テザー装置はロボットアームで操り可能であると共に，捕獲機構やテザー機構を駆動するためのパワーの供給やセンサ信号や制御用信号等の作業情報信号の遣り取りが可能になる。テザーの伸展が完了すると，把持機構と取っ手との結合が分離され，把持機構を備えたテザー装置は対象衛星と一体に放出され，使い捨ての態様で使用される（例えば，特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２５９９号公報
【特許文献２】特開２００４−９８９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで，スペースデブリは放置しておけば，自然に無くなるということはなく，例えば，１１年周期で起きる太陽活動の極大期によって，地球低軌道である高度２００ｋｍ〜５００ｋｍの宇宙空間にあるスペースデブリの約３０％が除去されている。しかしながら，現在では，上記のような自然現象によるスペースデブリの除去では，増殖するスペースデブリに対しては充分でなく，全ての軌道におけるスペースデブリの数は年々常に増え続けており，従って，スペースデブリを，人為的に軌道上から取り除くことが必要になっているのが現状である。
【０００７】
また，スペースデブリが互いに又は人工衛星に衝突すると，それにより新たなデブリが生じる。デブリの空間密度が，ある臨界値を超えると，衝突によって生成されたデブリが連鎖的に次の衝突を起こすことによってデブリが自己増殖する。一旦，宇宙においてデブリが自己増殖を開始すると，加速度的にデブリの数が増え，やがてロケットを打ち上げてもデブリによって遮られ，最終的には人類は地球から宇宙へ出て行けず，宇宙開発ができなくなるという事態が発生すると危惧されている。
【０００８】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，宇宙空間のプラズマ環境を利用し，微小デブリ即ち宇宙に存在する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ，デブリの速度を減速させる向きに電界の力を働かせて，デブリの高度を意図的に降下させ，デブリを大気圏に突入させてデブリを焼却除去することであり，特に，デブリの直径１０ｃｍ以下のものに焦点を当ててデブリの除去を行う方法及び装置を提供することであり，宇宙空間に巨大な網目状の網状帯電体を拡げ，網状帯電体を正バイアスして網状電極に変換してその周辺に電子シース即ち負のシース領域を形成し，そこに飛び込んでくるデブリを一気に負のシース領域により負に帯電させ，デブリが網状電極を通過する時に電界の力によりデブリの運動エネルギーを打ち消して減速させ，その後，デブリが高度を落して大気圏に突入すれば，大気抵抗との摩擦により焼却する宇宙プラズマを利用したスペースデブリ除去方法及びその装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は，地球低軌道に存在する真空プラズマ中に網状帯電体を拡開して配置し，前記網状帯電体を正バイアスして網状電極に構成し，前記網状電極の周辺における加速された電子によって前記網状電極の周辺に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ，前記網状電極の電界の力によって前記スペースデブリを減速させて前記スペースデブリの軌道を降下させ，前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去方法に関する。
【００１０】
このスペースデブリ除去方法は，正にバイアスした前記網状電極の周辺には電子シースが形成され，前記電子シース内へと飛来した前記スペースデブリが前記負に帯電させられるものである。また，このスペースデブリ除去方法において，前記網状帯電体は，前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成される。更に，このスペースデブリ除去方法において，前記スペースデブリは，直径１ｍｍ以下の微粒子に特に有効に作用するものである。
【００１１】
また，この発明は，地球低軌道に存在する真空プラズマ中に拡げられた網状帯電体，前記網状帯電体をプラズマ電位に対して正バイアスさせるため前記網状帯電体に結線して電圧を印加する電源装置，及び前記電源装置を収納して前記電源装置をアースする人工衛星を備え，前記電源装置を付勢して前記網状帯電体を正バイアスさせて網状電極に構成し，前記網状電極の周辺に電子シースを形成し，前記電子シース内に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ，負に帯電した前記スペースデブリを前記網状電極の電界の力によって減速させて軌道を降下させ，前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去装置に関する。
【００１２】
このスペースデブリ除去装置において，前記網状帯電体は，前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成される。また，このスペースデブリ除去装置において，前記スペースデブリは，直径１ｍｍ以下の微粒子に特に有効に作用するものである。更に，前記網状帯電体は，前記人工衛星によって前記地球低軌道に打ち上げられて前記地球低軌道において１ｋｍ〜数ｋｍ四方に拡開される。
【発明の効果】
【００１３】
この発明による宇宙プラズマを利用してスペースデブリ除去方法及びその装置は，上記のように構成されているので，直径１ｍｍ以下，例えば，直径１０μｍ〜１ｍｍの微粒子であるスペースデブリを網状電極を通過させることによって，スペースデブリの軌道を降下方向に変更させてスペースデブリを大気圏に突入させて大気との摩擦熱によって焼却することができる。網状帯電体が１ｋｍ四方に拡開する小型のものであれば，適宜に数個を地球低軌道に配置すればよく，数ｋｍ四方に拡開する大型のものであれば，１機でも充分にスペースデブリを除去することができる。また，このスペースデブリ除去装置は，網状帯電体とそれを帯電させる電源装置から成る簡単な構造であり，それによる電界の力でスペースデブリの軌道を降下した軌道に変更させるのみの簡潔な装置であり，また，網状電極が降下して大気圏に突入すれば，それ自体が焼却され，長期間の宇宙のごみになることもない。また，電源装置としては，太陽電池による電力を利用することも可能であり，ランニングコストも低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，図面を参照して，この発明による宇宙プラズマを利用してスペースデブリ除去方法及びその装置を説明する。まず，この発明の技術的思想の原理を図１，図２及び図３を参照して説明する。このスペースデブリ除去方法及びその装置は，宇宙空間のプラズマ環境における電子シース即ち負のシース領域２を利用して１０ｃｍ以下，特に直径１ｍｍ以下のサイズの微小なスペースデブリ１（以下，デブリ１という）を負に帯電させ，帯電したデブリ１ｃの速度を減速させる向きに電界の力Ｆを働かせることによって，デブリ１ｃの高度を意図的に降下させ，デブリ１ｃを大気圏３に突入させるものである。
【００１５】
図１には，この発明によるスペースデブリ除去装置の原理を示す概念図が示されている。図２には，デブリ１の帯電原理及びデブリ減速の概念図が示されている。
地球４の上空である地球低軌道８における宇宙環境６ではプラズマ環境となっている。プラズマとは，原子や分子から電子が離れて，イオンと電子が混在した状態を指す。
図１に示すように，４００〜２０００ｋｍの地球低軌道８の宇宙空間に人工衛星２３を用いて１ｋｍ又は数ｋｍ四方に拡開できる巨大な網状帯電体５を打ち上げ，網状帯電体５を宇宙空間，特に極軌道で拡開する。拡開された網状帯電体５に対して，太陽電池，蓄電池等の電源装置７を用いて正の電圧に印加することによって網状電極５ｅを構成される。スペースデブリであるデブリ１を地球低軌道８から除去するには，網状帯電体５に高電圧を印加して網状電極５ｅに構成する必要があるが，プラズマ中では網状帯電体５を定常的に印加することができないので，ここでは，パルス状に印加する必要がある。また，網状帯電体５を正バイアスに印加するため，網状帯電体５を電源装置７のプラス極に結線するが，電源装置７のマイナス極を人工衛星２３に結線し，即ち人工衛星２３をアースとして利用する。
【００１６】
網状帯電体５が正に帯電すると，網状帯電体５が網状電極５ｅになって網状電極５ｅの周辺領域の電子ｅとイオンの均衡が崩れ，網状電極５ｅは電子ｅを引き付ける。それによって，網状電極５ｅの回りでは電子ｅが支配的となり，電子シース即ち負のシース領域２を形成する。負のシース領域２に電荷の持たない導体球であるスペースデブリ即ちデブリ１が飛び込んでくると，網状電極５ｅの左側（図２）では，必ず導体表面と空間電位との間には電位差が生じ，デブリ１の電位は周辺プラズマから集める電流がゼロとなるように決まる。デブリ１の導体表面の電位は，空間電位に対して負に沈むため，一気にデブリ１を負に帯電させる。帯電したデブリ１ｃが網状電極５ｅを通過した後，右側（図２）では網状電極５ｅに向って加速される電子群によってできる電界が生じ，電子ｅにはその逆方向に力Ｆが働き，そのため負に帯電したデブリ１ｃは運動エネルギーが打ち消されて減速されることになる。
【００１７】
図３には，帯電したデブリ１ｃが大気圏への突入する概念図が示されている。デブリ１は，高度４００〜６００ｋｍを約１０ｋｍ／ｓｅｃで周回しているが，バイアスされた網状電極５ｅを通過することによって負に帯電し，負に帯電したデブリ１ｃは電界の力Ｆを受けて運動エネルギーが打ち消されて減速されると，帯電したデブリ１ｃは，高度を降下して大気圏３に突入し，大気抵抗との摩擦によって燃え尽きて焼却される。
【００１８】
次に，プラズマ中で電圧を印加した網状電極５ｅの作る電子シースにより，デブリ１が何ボルトまで負に帯電するか否かを検証するため，浮遊電位測定試験を行った。
プラズマ中にある網状帯電体５に正電位を印加して網状電極５ｅを形成し，その近傍の浮遊電位を測定した。浮遊電位は，デブリ１の宇宙空間に対する電位であり，電流が０となる電圧が浮遊電位である。デブリが持つ電荷量（Ｑ）は，空間電位（Ｖspece ）とデブリの電位（浮遊電位，Ｖfloating）との差によって決まる。
Ｑ＝４πε0 ａ（Ｖspece −Ｖfloating）
浮遊電位測定試験としては，プローブ１６を用いて計測し，表面電位計２２を用いてプローブ１６の表面電位を計測することによって，その電位がデブリ１の電位とみなすことができるので，ここでは表面電位測定試験ということができる。
帯電したデブリ１ｃの表面上で電荷密度をσ．その面積をＡとすると，数１で表される。
【００１９】
【数１】
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数１の式は，電荷密度の時間変化分とその面積の積が正味の電流値となることを示している。浮遊電位は電流値のバランスで決まり，Ｉnet ＝０となる時の電位が浮遊電位となる。
【００２０】
実用的なプラズマの中には，イオン，電子以外が中性ではあるが，電子が励起軌道に移動した原子分子や，基底状態のままのガス分子も含めれる。通常の気体は，基本的に電気を通さない絶縁体であるが，電離が生じてプラズマ状態になると，原子に束縛されない自由電子が含まれるので，電圧を加える軽い電子が身軽に動いて電流が流れ，電気を通すようになる。気体の温度を上げていくと，電離した成分が増加し，超高温ではほとんどの原子が電離して電離度の高いプラズマになる。通常，プラズマでは，電子とイオンとの間で運動速度に差が生じ，プラズマから飛び出す粒子は，イオンより電子の方が多くなるため，プラズマ全体としては，正の電位となる。この電位を空間電位及びプラズマ電位という。
【００２１】
空間電位は，プラズマの種々の条件により異なるが，数Ｖ〜１００Ｖ程度になる。電流が０となる電圧が浮遊電位であるが，イオンと電子の運動速度に違いから，プラズマが正の電圧にフローティングしていることを示している。また，電子温度は，プラズマ中の電子のエネルギー分布に対応する温度を指す。プラズマ中では，電子が電界に加速され，ガス粒子に衝突し，電子を叩き出すというプロセスで放電が維持されることから，電子温度とイオン温度は異なることがある。イオン温度は，プラズマ中のイオンのエネルギー分布に対応する温度を指す。ここで，プラズマ密度は，電子密度，イオン密度，即ち，単位体積あたり荷電粒子の個数のことであり，測定方法によりバラツキが生じ，ラングミュア・プローブ（１６，２１）の場合は多価イオンが複数のイオンとカウントされてしまう。
【００２２】
次に，図４及び図５に示すような表面電位測定装置を用いて表面電位測定試験を行った。この実験では，極軌道模擬チャンバー１０内の中央に金属板２０（ここでは網状帯電体５）を配置し，その前に置いたプローブ１６への表面電位の電位への影響を見る。ここで，金属板２０としての網状帯電体５が極軌道模擬チャンバー１０内でＸ−Ｙステージ２４の上方に配置されている。網状帯電体５には，電源装置７のプラス電極に制限抵抗１４に結線され，電源装置７のマイナス電極はアースされている。図中，符号１５は，デジタルマルチメータである。電源装置７に網状帯電体５を正バイアスするように結線した場合に，電気的に中性なプラズマ中の電子ｅとイオンの均衡が崩れ，電子ｅが網状電極５ｅに引き寄せられ，負のシース領域２が形成される。負のシース領域２にプローブ１６があると，負に帯電するので，バイアスする電圧の大きさと測定電位との関係を実験により検証する。また，イオンは弾かれ，シース領域２に入ってくることができなくなる。そこに，電圧をかけた際に表面電位の測定に用いたプローブ１６を浮かせて測定した際に，その電位の変化を調べることにし，従って浮遊電位が測定できることになる。
【００２３】
極軌道模擬チャンバー１０は，プラズマ環境を模擬することができる真空チャンバーである。極軌道模擬チャンバー１０は，ステンレス製で直径１．０ｍ，奥行き１．２ｍの円筒形状である。極軌道模擬チャンバー１０の排気には，粗引き用ロータリーポンプを用い，極軌道模擬チャンバー１０内を１０-5Ｐａ〜１０-3Ｐａ程度にした。極軌道模擬チャンバー１０内のプラズマ密度，電子温度測定は内部に設けられた直径３ｃｍの球状のプローブ２１（ラングミュア・プローブ）を用いた。極軌道模擬チャンバー１０内は，プラズマ発生器１２でプラズマ状態に形成される。
【００２４】
実験サンプルとして，金属板２０（１０×１０ｃｍ）と金属ネットである網状帯電体５（１０×１０ｃｍ）を用いて，サンプルを真空チャンバー１０内に釣糸で固定し，０Ｖから１００Ｖずつ電圧を上げ，網状帯電体５を正にバイアスさせて網状電極５ｅにする。その際，金属板２０の前に距離１ｃｍの位置に配置されたプローブ２１より表面電位を測定する。プローブ２１は，最初に金属板２０からの距離１ｃｍの位置から始め，１ｃｍずつ金属板２０から離して行き，その地点でのプローブ２１の表面電位を測定し，その変化を見ていく。表面電位計２２を用いてプローブ２１の表面電位の測定を行う。プローブ２１の表面電位を測定することによって浮遊電位を測定できるものである。また，極軌道模擬チャンバー１０内のプラズマ環境をソースメータ１７により測定し，測定値をパソコン１８に取り込む。ＩＲカメラ１３により外から極軌道模擬チャンバー１０内を窓ガラス越しに撮影した。
【００２５】
図６は，表面電位測定の結果を示すグラフである。図６において，縦軸はプローブ２１での測定電位Ｖを示し，横軸は電圧の印加された金属板２０からの測定距離ｍｍを示している。図６において，印加された電圧は，○：０Ｖ，×：５０Ｖ，◇：１００Ｖ，□：１５０Ｖ，△：２００Ｖである。プローブ２１は，１０ｍｍ以内では，徐々に電圧が上昇している。１０以上の測定距離になると，電圧は穏やかに下がって行き，一定電圧に落ち着いている。その落ち着いた電圧は，シース中の浮遊電位であると考えられる。網状帯電体５の近傍では，空間電位は印加電圧近くまで高くなっていると考えられるので，銅粉末には空間電位と浮遊電位の差だけの電圧がかかり，空間電位に対して負に帯電しているということができる。また，金属板２０へのバイアスを上げるに従い空間電位が上がっている。これは，網状帯電体５に正の電圧を印加し，電圧を上げていくと，シース領域２が拡大していく。シース領域２が拡大するにつれてプライム空間中から引き付ける電子の量が増加するので，本来プラズマ空間中は中性に保たれていたものがその均衡が崩れ，全体的にイオンの数が次第に多くなっていくために起きるものと考えられる。また，測定プローブを網状帯電体５からの距離を変えていく過程で，目視で網状帯電体５の直前までいくと，シース領域２の白い霧状のものが見え難くなったり，遠ざけると見えるようになったりしており，網状帯電体５の前で動かしていた測定用プローブが網状帯電体５の作り出すシース環境２を大きな影響を及ぼしていた。
以上のことより，デブリ１が負のシース領域２を通過することによって，負に帯電することが確認できる。
【００２６】
−実施例−
次に，地球低軌道のプラズマ環境を模擬することができる極軌道模擬チャンバー（ＬＥＯチャンバー）１０を用いて，デブリ１である銅粉末１Ｐの粉末帯電落下試験を行った。  図７及び図８に示すように，極軌道模擬チャンバー１０は，ステンレス製で直径１．０ｍ，奥行き１．２ｍの円筒形状である。極軌道模擬チャンバー１０の排気には，ターボ分子ポンプを用い，ガス流量０．４sccmでプラズマ源を動作させ，背圧１×１０-2Ｐａ程度まで真空状態にした。また，極軌道模擬チャンバー１０内のプラズマ密度，電子温度測定は，極軌道模擬チャンバー１０の内部に設けた直径５ｃｍの円盤状のプローブ１６（ラングミュア・プローブ）を用いた。
【００２７】
デブリ１としての模擬サンプルとして銅粉末１Ｐを用いた。銅粉末１Ｐは，粒径５０μｍを使用した。また，網状帯電体５としては，例えば，アルミニウム，亜鉛，鉄等の金属材料，帯電性合成樹脂等の材料，例えば，線径０．３ｍｍの帯電体で網状帯電体５に形成されている。まず，銅粉末１Ｐからなるデブリ１を負に帯電させるには，網状帯電体５に対して電源装置７によって正の電圧を印加して網状電極５ｅにし，網状電極５ｅの前をデブリ１が通過させることによって，デブリ１が帯電する。網状電極５ｅによる電界の力によって，帯電したデブリ１ｃが電界の力で網状電極５ｅ側に引き寄せられて軌道を変更するか否かを検証した。
図９には，漏斗状の粉末落下装置９から投下した銅粉末１Ｐが負のシース領域２を通過して負に帯電し，帯電した銅粉末１Ｐが電界の力を受けて降下軌跡が移動し，次いで銅粉末１Ｐが区画された受け皿１１に収容される状態が示されている。ここでは，受け皿１１は，１列〜１５列まで区画されている。漏斗状の粉末落下装置９から銅粉末１Ｐを落下させた場合には，銅粉末１Ｐに変位が発生しない場合には，左側から７列の受け皿１１に大半が落下するように設定されている。
【００２８】
粉末帯電落下試験の実験方法及び原理は，次のとおりである。
極軌道模擬チャンバー１０内に，サイズ１０×１０ｃｍの金属製網（網状帯電体）を垂直方向に配置し，網状帯電体５をバイアスできるように，網状帯電体５に電源装置７を制限抵抗１４を通じて配線した。網状帯電体５の上方に設置した漏斗状の粉末落下装置９からデブリ１のサンプルとして用意した銅粉末１Ｐを振動モータ１９の振動により落下させた。今回は粒径１００μのデブリ１のサンプルとして，銅粉末（粒径：１００μ）を用いた。また，網状帯電体５の下方には落下分布を回収できたうちの質量の割合から落下の分布を見るため，区画列としてコ字形の金属製受け皿１１を網状帯電体５の下方に配設した。受け皿１１は，サイズが１．３×７×１（ｃｍ）のものを縦に３列，横に１５列並べた。粉末落下装置９は，アルミ板を容器９Ｃに曲げ，極軌道模擬チャンバー１０に固定したブラケット（図示せず）に容器９Ｃを取り付け，電子天秤で測定した銅粉末１Ｐを容器９ｃに入れた。容器９Ｃには，振動モータ１９を取り付け，振動モータ１９の作動で，容器９ｃに入れた銅粉末をある程度一定量ずつ落下させた。振動モータ１９の振動により，粉末落下装置９から落下した銅粉末１Ｐは，容器９Ｃの先端に取り付けたロート９Ｒを通過して網状帯電体５の網状電極５ｅへと落下して行く。受け皿１１におちた銅粉末１Ｐの量を電子天秤で測定し，銅粉末１Ｐの落下領域の分布を測定した。
【００２９】
測定分布の評価方法は，次のとおりである。
測定結果は，受け皿１１の各列に溜まる銅粉末１Ｐの量を測定した。その分布の変化を調べる際に，正規分布表を利用してその評価を行った。結果を示す図１０のグラフは，横軸に列番号を示し，縦軸に回収された銅粉末の全体量に対しての各列の割合の平均値を示した。また，標準偏差を１σとし，エラーバーとしてグラフに示した。但し，測定回数が３回に満たないものについてはエラーバーを表示していない。図１０には，正規分布表の標準偏差曲線が示されている。図１０において，Ｘ：真値，ＸＭ：平均値，Ｘi ：ｉ番目の測定値を示す。Δは平均値の平均誤差，γは個々の測定の確率誤差，σは個々の測定の標準偏差，εi はｉ番目の測定誤差，及びυはｉ番目の測定値の残差を示している。
【００３０】
１．圧力別の比較の測定結果は，次のとおりである。
プラズマ発生器１２を作動せず即ちプラズマを点火せずに極軌道模擬チャンバー１０内がプラズマ状態になっておらず，網状帯電体５に電圧を印加しないバイアス無し状態で，極軌道模擬チャンバー１０内の圧力を変えて，１．３Ｐａのケース（図１１の○）を８回，４．０×１０-4Ｐａのケース（図１１の□）を５回行った。その測定結果を図１１に示す。
圧力を変化させて測定を行ったが，僅かに６列目の銅粉末の量が増加していただけであり，大きな違いが無いことが確認できた。また，測定結果も大きな誤差が無く，安定した結果を示した。圧力別による測定分布の結果は，互いに標準偏差σ以内に位置していた。ここでは，測定回数が少なかったが，圧力の低い方が中央の領域にまとまって落下すると考えられる。即ち，極軌道模擬チャンバー１０内がプラズマ状態でなく，バイアス無しの場合には，粉末落下装置９から落下した銅粉末１Ｐは，大半が真下に落下しており，銅粉末１Ｐには変位力が働いていないことが確認できた。
【００３１】
２．網状帯電体５の有無の比較の測定結果は，次のとおりである。
網状帯電体５を設置しないケースを１回行い，圧力１．３Ｐａの測定結果との比較を行った。測定結果を図１２に示す。
網状帯電体５を設置しないケース（図１２の□）と設置したケース（図１２の○）とを比較すると，網状帯電体５を設置しなかったケースは，５列目，６列目が大きく増加しており，７列目以降の列は全ての列において僅かだが減少しているのが確認できた。網状帯電体５があることにより，網状帯電体５の左側の領域が遮られていることが分かる。
【００３２】
３．網状帯電体５に電圧を印加して網状電極５ｅに構成したケースと印加していないケースの比較は，次のとおりである。
制限抵抗１４と電源装置７の仕様の関係上，１１５Ｖのケースと，１５０Ｖのケースとの２種の電圧を網状帯電体５にかけた。
１１５Ｖの正の電圧を印加するケースを２回，１５０Ｖの正の電圧を印加するケースを３回行った。ここでは，より圧力の低い状態での測定結果を基準とし，その測定結果を示した。
網状帯電体５に正の１１５Ｖの電圧を印加した場合の測定分布結果を図１３に示した。  網状帯電体５に正の１５０Ｖのケースについては，電界の降下があったと考えられる結果は３回中１回のみであった。原因としては，網状帯電体５に１５０Ｖの大きな電圧を印加することによって網状帯電体５が曲がってしまい，僅かに角度がかわってしまったためと考えられる。網状帯電体５に正の１５０Ｖの電圧を印加した場合の測定分布結果を図１４に示した。
図１３及び図１４から分かるように，網状帯電体５に電圧を印加した場合と，網状帯電体５に電圧を印加していない場合とで６列目に差が出ていることが分かる。このことは，電圧を印加して網状帯電体５を網状電極５ｅにして，その付近を負のシース領域２を形成した場合に，負のシース領域２を銅粉末１Ｐを通過させると，電界の力で銅粉末１Ｐが落下方向を変位して移動することが確認できた。
即ち，受け皿１１の区画の６列目の量が増加し，７列目，８列目が僅かに減少している。７列目，８列目の減少分が６列目に移動したと考えられ，銅粉末が負に帯電し，電界の力で落下する軌道が変わったためと思料される。その他の列については，大きな違いはなかった。１１５Ｖと１５０Ｖとの双方のケースで，エラーバーは標準偏差σを確率９９．７３％である３σを上回っており，明らかに変化していると評価できる。
また，電圧の高い方の１５０Ｖのケースでは，１１５Ｖのケースに比較して，電圧６列目の差がより顕著に現れている。銅粉末１Ｐの帯電量は，Ｑ＝４πε0 ａＶで表せ，帯電量は電圧の大きさに比例し，更に電界の力は，電圧の事情に比例するためであると，確認できた。
【００３３】
４．プラズマ点火時に電圧を印加しないケースについては，次のとおりである。
プラズマを点火した状態で，電圧を印加していないケースを１回行った。その測定結果を，図１５に示した。
プラズマを点火しないで，電圧も印加しなかった時に比べ，わずかに６列目の増加が見られるが，電圧を印加した時ほどの変化ではなかった。
【００３４】
銅粉末１Ｐの移動距離からの帯電量の見積りについては，次のとおりある。
上記の実施例では，電圧の印加前後の７列目と６列目との比較から，７列目の減少分が６列目の増加分となって現れていると思料される。ここでは，１列分のずれである１．３ｃｍの移動距離であった場合の帯電量について，銅粉末１Ｐの移動距離から見積もった。  
【００３５】
上記の銅粉末落下試験を総括すると，次の結論を得ることができる。
網状帯電体５に対して電源装置７によって電圧を印加し，網状帯電体５を網状電極５ｅに形成することができる。網状電極５ｅによって形成されるシース中にデブリ１となる銅粉末１Ｐを通過させて，デブリ１を負に帯電させることができる。負に帯電したデブリ１ｃは，網状電極５ｅによる電界の力によって網状電極５ｅに引き寄せられ，軌道を変更させることができることが確認できた。
【００３６】
このスペースデブリ除去方法及びその装置では，１年間に除去できるデブリの数は１ｋｍ2 の網状帯電体５を高度４００ｋｍに配置した場合には，デブリ１の直径を１００μｍとすると，年間で１０，０００個焼却することが計算上可能であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明によるスペースデブリ除去方法及びその装置は，宇宙空間に浮遊するスペースデブリを除去する方法及び装置に適用でき，本発明を達成するための必要な機器，例えば，網状帯電体，人工衛星，電源装置等の機器を製作する産業分野において適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明によるスペースデブリ除去装置の原理を示す概念図である。
【図２】デブリの帯電原理及びデブリ減速の概念図である。
【図３】デブリの大気圏への突入の概念図である。
【図４】表面電位測定装置を示す概略図である。
【図５】極軌道模擬チャンバー内の配置を示す概略説明図である。
【図６】表面電位測定結果を示すグラフである。
【図７】この発明によるスペースデブリ除去装置を模擬した極軌道模擬チャンバーを用いて実験した概略図である。
【図８】極軌道模擬チャンバー内の配置図を示す概略説明図である。
【図９】漏斗状の粉末落下装置，デブリである銅粉末，負のシース領域，及び区画受け皿の関係を示す概略図である。
【図１０】標準偏差曲線を示すグラフである。
【図１１】圧力別の銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。
【図１２】網状帯電体を配置の有無による銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。
【図１３】網状帯電体に１１５Ｖの電圧を印加したケースと印加していないケースにおける銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。
【図１４】網状帯電体に１５０Ｖの電圧を印加したケースと印加していないケースにおける銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。
【図１５】プラズマ点火時に電圧を印加しないケースにおける銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１    デブリ
１ｃ  帯電したデブリ
２    負のシース領域
３    大気圏
４    地球
５    網状帯電体
５ｅ  網状電極
７    電源装置
８    地球低軌道
２３  人工衛星
ｅ    電子
Ｆ    電界の力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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