Starfish Prime 0 to 15 seconds after detonation, photographed from Maui Station, July 9, 1962. Los Alamos National Laboratory
オーロラは、自然界の光現象だが1962年7月9日、ハワイで人々が見た光現象は、自然現象と思えないものだった。その日、原子力委員会は国防省原子力支援局と共同で、地球低軌道上で熱核兵器を爆発させた。この実験は「スターフィッシュ・プライム」と呼ばれ、「高高度核爆発は1回で人工衛星を破壊する効果がある」という不幸な教訓を残した。「スターフィッシュ・プライム」では、地球低軌道上にあった人工衛星の約3分の1が損傷・破壊された。
宇宙の商業化が進み、コスト効果が高いバルク電子機器が開発されているため、宇宙で不利な立場にある国には、ターゲットとして魅力的な存在となっている。国防総省は、高高度核爆発の脅威に対する計画と対策に真剣に取り組むべきであり、その第一歩は、各種科学技術助成制度にある。
そのため国防総省は、軍事・商業衛星で荷電粒子線からの生存率を最大化することを目的とした、統合的な監督を伴う一貫した研究ポートフォリオ開発を検討する必要がある。このポートフォリオは、宇宙放射線環境の迅速な特性評価、衛星対策の情報発信、過剰な荷電粒子の軌道外への移送、放射線に強い電子部品の継続的な商業化への補助に重点を置くべきだ。
宇宙空間での核爆発の脅威は、その効果が広くわからず、宇宙での核攻撃の可能性は無視され、周辺に追いやられたままだ。こうした懐疑的な見方にもかかわらず、戦争計画部門は、衛星数の増加により、核攻撃が衛星を無力化する可能性を認識する必要がある。また、エスカレーションの力学も一筋縄ではいかない。宇宙での核兵器の使用は、核の応酬に直結しないかもしれない。つまり、核兵器使用を抑止する報復の脅威は、多くの人が考えるほど単純ではない。総合すると、宇宙におけるアメリカのインフラを脅威からより強固なものにする検討に十分な理由がある。
核実験の教訓
1940年代から1960年代初頭はあらゆる形核実験が行われた大当たり時代だった。この期間中の核実験の約84％は、大気圏内で爆発した。あまり知られていないが、米国は水中や高高度で一連の核実験も少数行われている。1946年のクロスロード作戦では、船舶や潜水艦への威力を試すため、核兵器数発を水中爆発させたが、その結果、空気中に放射性の水が拡散し、範囲内のすべての船舶に降り注いだが、船舶多数の破壊に至らなかったことが明らかになった。
一方、スターフィッシュ・プライム実験では、大気圏外の核爆発が人工衛星破壊に有効であることが明らかになり、周囲を驚かせた。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の委員長を務めたノーベル賞受賞者のグレン・シーボーグGlenn Seaborgは、「非常に驚き、落胆したが、スターフィッシュがバンアレン帯の電子を大幅に増加させた。結果は、すべての予測に反していた」。さらに驚いたのは、世界初の商業通信衛星Telstarが、スターフィッシュ・プライム実験の翌日に打ち上げられ、残留放射線のため運用に大きくダメージを受けたことだ。テルスターは、電子機器の損傷で応答停止するまで、8カ月しかもたなかった。このような経緯と、環境放射能への懸念から、世界各国は水中や宇宙での核実験は好ましくないと判断し、1963年8月5日に米国が批准した「限定的核実験禁止条約」で禁止された。
衛星の脆弱性
ヴァンアレン放射線帯には、太陽からの荷電粒子を地球から遠ざけ、地球低軌道から地上（高度1000キロメートル以下）への荷電粒子放射を遮蔽する重要な役割がある。地球低軌道より高く打ち上げられる衛星は、過酷な放射線環境にさらされ、常に荷電粒子線が降り注ぐのに耐えられるよう、電子的にハード化されている。衛星の電気的な基本単位は、抵抗、導体、ダイオード、トランス、メモリなど、電子機器全般に共通する。一般に、こうした部品は、地球上よりも放射線背景が大きく、真空に近い状態で機能しながら、電磁スペクトルを通じてエナジーの伝達、論理演算、情報のリレーを行う。
しかし、地球周回低軌道上の商業衛星は、粒子線が少ない前提を最大活用し、標準的な商業用電子機器をペイロードに組み入れることがある。こうした部品を使用することで、コストが大幅に削減できるからだ。電子機器の放射線対策は、費用対効果が高くコンパクトになりつつあるものの、この方法は、ペイロード全体のサイズと質量を増加させる可能性があり、部品価格を10倍から100倍に押し上げる。
軍事衛星は、軌道高度に関係なく、電子機器の強度を高く設計し、太陽活動の激しい時期への耐性を高めているため、商業衛星より高価になっている。地球周回低軌道のペイロード開発のトレンドは、CubeSatsのような小型衛星を打ち上げることだ。しかし、このような小型衛星は、攻撃的な衛星ではない。衛星をロケットで宇宙に運ぶには大変なコストがかかる。CubeSatは製造コストが安くても、打ち上げにコストがかかる。また、製造から軌道上までの交換時間は、地球に近い小型衛星でも最低でも数ヶ月から数年かかる。このように、製造コストが低い衛星は、高高度核爆発の効果から免れることはできない。
国防総省は、世界各地へのデータ送信で宇宙に大きく依存し、データを使って戦争計画を編成する。現在のロシアとウクライナの戦争を例にとると、戦争計画に宇宙が重要であることがわかる。ロシア軍は侵攻当初、ウクライナの地上インターネットと携帯電話のインフラを標的にし、前線への効果的な指揮統制と住民への基本的な情報伝達能力を大きく低下させた。幸いなことに、スターリンクプロジェクトは、地球低軌道上に高速インターネットアクセスを提供する小型衛星群を展開しており、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る。
現在、ウクライナにはStarlinkの地上端末1万台以上があり、15万人以上がインターネットを利用している。ウクライナ軍は、ロシアが衛星を標的としない限り、破壊が困難な強固な衛星ベースのインターネット・サービスを利用できる。この事例は、宇宙資産がどこでも貴重な情報を提供できることを示すものだ。
宇宙への核攻撃で、経済をめちゃくちゃにできる
こうした衛星を狙うには、核兵器と長距離ミサイルが必要だ。潜在的な侵略者のリストにロシア、中国、北朝鮮が含まれる。宇宙で爆発が起これば、米国経済は壊滅的な打撃を受ける。また、国防総省が指揮統制に使用している宇宙ベース資産が劣化する。
宇宙での核爆発は、宇宙開発で最大の投資国の米国に不釣り合いな損害を与える。米国は、宇宙資産から年間約2000億ドルの実質的な総生産を得ている。軍事衛星が過酷な荷電粒子環境に耐えるよう設計されているといっても、放射線対策は無敵の魔法のマントではない。軍事用宇宙資産は、核爆発が人工的に作る放射線帯で時間とともに劣化し、一方、低地球軌道上の商業衛星は、粒子のホットスポットを通過し続けることで真っ先に故障する。核爆発付近のほとんどの衛星は、生じるX線で破壊される。軍用衛星の指揮統制や偵察能力は、爆発後しばらくは機能するかもしれないが、情報提供用の宇宙製品の劣化による経済的影響はすぐ現れる。
衛星への核攻撃はエスカレートするが、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、必ずしも核による応酬にならない。宇宙開発で不利な立場の敵対国が宇宙で核兵器を爆発させても、同様の攻撃で応戦するメリットは少ない。この行為は、宇宙配備の資産をさらに劣化させる。地上からの対衛星兵器の使用は、同じ効果をもたらさない。ミサイル1発と衛星1基を交換するのであり、核兵器の破壊とイコールではない。
そこで、攻撃された国は、地上の通常兵器や核兵器での対応を考えなければならない。核兵器で都市や軍事施設を狙えば、宇宙空間での核攻撃という最初の行動に対し、紛争を大きくエスカレートさせることになる。宇宙資産は人命と同列に扱えない。さらに、攻撃国は核兵器の予備があり、適切な戦力の組み合わせで目標を危険にさらすことができる。したがって、攻撃された国は、核兵器使用へのエスカレートを考慮しなければならない。宇宙での核兵器使用は、地球上への核攻撃と同じ扱いを受けるという信号を送ると脅かしても、敵対国はそれは信用できないと考えてもおかしくない。
また、世界各国が宇宙製品に依存しているため、国家として行動を起こすのを躊躇する可能性もある。したがって、宇宙で核兵器を使用することは「自傷行為」となる。しかし、戦争の歴史が示すように、国家は侵略者の進出を防ぐため、自国の橋を壊し、畑を焼くなど、自害を選択することがある。核兵器は脅威のエスカレーションの頂点にあり、核兵器を使用することは、代替手段が少なくなっている絶望的な状況の表れだ。
リスク軽減技術に投資する
高高度核爆発の脅威へのリスク軽減策として、現時点では近視眼的に電子機器の放射線硬化に焦点を当てているが、これでは不十分で、攻撃の可能性がほぼゼロだと装っているだけだ。国防総省は、高高度核爆発の脅威への対抗努力を活性化させ、宇宙空間の商業化が、核爆発の荷電粒子出力に脆弱なままの低地球周回プラットフォームへ依存度をさらに高めているのを認識する必要がある。
軍事用と商業用の宇宙実験装置間の実用面での境界線は、今後も曖昧なままだろう。商業用部品に硬化処理を施すことが一般的にならない限り、すべてのペイロードの放射線硬化処理は経済的に実現不可能だ。この脅威の認識は以前から存在する。国防脅威削減局（Defense Threat Reduction Agency）は、このテーマについて詳細な研究を行っている。しかし、高高度核爆発による宇宙資産への脅威を緩和するため設計された各種技術プログラムに資金が適切に提供されていない。国防総省は、強化された一部の軍事資産に焦点を当てるかわりに、商用軍事用双方で、最大数の宇宙資産が高高度核爆発に耐えられるようにして、脅威を軽減するべく協調的研究開発ポートフォリオを開始させる必要がある。敵対勢力が無抵抗のまま核兵器を宇宙に持ち込めると仮定すれば、以下の重点分野が研究分野として、しかも挑発的でない形で有用だろう。
まず、爆発後の宇宙環境を迅速に評価できる放射線センサーを開発し、バン・アレン帯に捕捉された荷電粒子による有害放射線の範囲を特定する。高エナジー電子、X線、総線量を測定する宇宙用市販部品は既に購入可能だ。
第二に、放射線環境の危険情報を衛星で中継するシステムを調査・設計し、各衛星が回避行動（軌道変更）したり、軌道の一部を低出力モードにして生存率を向上させる。
第三に、ヴァンアレン帯から過剰な荷電粒子を大気中に戻し除去するように特別設計された衛星システムを開発する。このようなシステムはまだ模索中だが、低周波電波で荷電粒子を磁力線外に誘導するものだ。時間をかけて着実にアンペア軌道の電気を抜くことで、総放射線量を減らし、テルスター事例のような衛星損傷を防ぐ。
最後に、国防総省は放射線硬化の研究努力を継続すべきだが、経済的に実現可能で、地表で見られる低線量設計の標準的な電子機器の代替となる硬化処置商業部品の開発に重点を置くべきだ。
このような取り組みを組織的に推進するのに最も適した研究開発機関は、大量破壊兵器対策と宇宙システムの進歩でそれぞれ既存の地位を持つ国防脅威削減庁と空軍研究本部（AFRL)である。しかし、高高度核爆発に対処する使命は、各分野にまたがっているため、両機関が他方に主導権をわたすことも可能である。また、国家核安全保障局（NSA)や国防高等研究計画局（DARPA)など、開発を主導できる組織もある。脅威に対抗する第一歩は、国防総省組織に主導権を与え、プログラム、計画、予算、実行プロセスの第1段階を開始させることだ。
宇宙資産を標的にした高高度核兵器の可能性は、目新しい脅威ではなく、歴史的に無視されてきたにすぎない。地球を周回する性質上、宇宙資産は予測可能なパターンで定期的に露出している。実際、北朝鮮のような国にとって、地球低軌道へ核兵器を運搬することは、大気圏再突入の抵抗と熱に耐える必要がなく、米国本土を狙うより容易な技術的挑戦にすぎない。宇宙資産は魅力的な標的であるだけでなく、軍事作戦の支援手段として挑発的な装備になっている。したがって、国防総省は、高高度核爆発に対抗する使命を担う専任の主導機関を置き、首尾一貫した研究開発計画を策定する必要がある。■
Getting Serious about the Threat of High Altitude Nuclear Detonations - War on the Rocks
SEPTEMBER 23, 2022
Lt. Col. “Tony” Vincent is an active duty scientist in the United States Air Force and is currently the Director of Advanced Physics Courses at the Air Force Academy. He received a Doctorate of Philosophy in Atmospheric Physics from the University of Oxford, a Master’s of Military Operational Art and Science from the Air Command and Staff College, and a Master’s of Applied Physics from the Air Force Institute of Technology. Lt. Col. Vincent was also a Nuclear Threats Program Manager at the Defense Threat Reduction Agency and the optics lead for the third deployment team with project AngelFire in Operation Iraqi Freedom. The views here are those of the author and do not represent those of U.S. Air Force, the U.S. Department of Defense, or any part of the U.S. government.
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