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月面宇宙エレベーターまたは月面スペースリフトは、月面の「底部」と、数万キロメートル上空の宇宙空間に吊り下げられたドッキングポートの間に設置されたリボン状のケーブルを介して、機械式の登山車両を上下に移動させるための輸送システムとして提案されている。
これは、よりよく知られている地球ベースの宇宙エレベーターのアイデアと概念的に似ていますが、月の表面重力は地球よりもはるかに低いため、月エレベーター システムを構築するためのエンジニアリング要件は、既存の材料と技術を使用して満たすことができます。月エレベーターの場合、ケーブルまたはテザーは、地球ベースのシステムで使用されるものよりも、月面から宇宙にかなり遠くまで伸びます。ただし、宇宙エレベーター システムの主な機能はどちらの場合も同じです。どちらも、重力井戸の底にあるベース ステーションと宇宙空間のドッキング ポートの間で、貨物または場合によっては人のペイロードを輸送するための再利用可能な制御された手段を提供します。
月面エレベーターは、月面への軟着陸装置のコストを大幅に削減し、信頼性を向上させることができます。たとえば、イオンドライブなどの質量効率の高い（高比推力）低推力のドライブを使用できるようになりますが、これらは月面には着陸できません。ドッキングポートは微小重力環境でケーブルに接続されるため、これらのドライブやその他のドライブは、地球から最小限の燃料で低地球軌道（LEO）からケーブルに到達できます。従来のロケットでは、LEOから月面に到達するために必要な燃料は着陸質量の何倍にもなるため、エレベーターは月面に向かうペイロードの打ち上げコストを同様の係数で削減できます。
位置
宇宙空間には、エレベーターのドッキング ポートが安定した月同期位置を維持できる 2 つのポイントがあります。地球 - 月ラグランジュ ポイント L 1とL 2です。月の軌道の離心率は 0.055 であるため、これらのポイントは月面に対して固定されていません。L 1は月の地球側 (月の赤道) から 56,315 km +/- 3,183 km 離れており、L 2 は月の裏側の中心から反対方向に 62,851 km +/- 3,539 km 離れています。これらのポイントでは、月の重力の影響と、エレベーター システムの同期した剛体回転によって生じる遠心力の影響が互いに打ち消されます。ラグランジュ点L 1とL 2 は不安定な重力平衡点であり、そこに配置された物体が月面に対して静止したままでいられるようにするには、小さな慣性調整が必要になります。
これら 2 つの位置は、地球から静止軌道までの 36,000 km よりもかなり上方にある。さらに、月まで伸びるケーブル システムの末端の重量は、さらに上方に伸びるケーブルによってバランスをとらなければならないが、月の自転が遅いということは、上部の末端を地球ベースのシステムよりもずっと長くするか、その上にずっと重いカウンターウェイトを設置する必要があることを意味する。1 kg のケーブルまたはペイロードを月面のすぐ上に吊るすには、L 1から 26,000 km 先に 1,000 kg のカウンターウェイトが必要になる。(より長いケーブルに小さなカウンターウェイト、たとえば 230,000 km (地球までの半分以上) の距離で 100 kg のカウンターウェイトを設置しても、同じバランス効果が得られる。) 地球の重力の影響を受けない場合、L 2ケーブルの最小重量は、月から 120,000 km の距離で 1,000 kg のカウンターウェイトが必要になる。地球と月の平均距離は384,400kmです。
宇宙エレベーターのアンカー ポイントは通常、赤道上にあると考えられています。ただし、月の極の 1 つに月面基地を設置することも考えられます。たとえば、永久に光が降り注ぐ山頂に基地を設置すれば、ほぼ連続した太陽エネルギーを活用できます。また、少量の水やその他の揮発性物質が永久に影になっているクレーターの底に閉じ込められている可能性もあります。宇宙エレベーターは、月の極の近くにアンカーできますが、直接月面にアンカーすることはできません。ケーブルを極まで運ぶには、路面電車を使用できます。月の低重力により、地球上よりもはるかに高い支持塔を建て、支持塔間のスパンを広くすることができます。
製作
月は重力が低く大気がないため、月エレベーターのケーブル材料の引張強度に対する要件は、地球に係留されるケーブルよりも厳しくありません。地球ベースのエレベーターには、理論的には可能だが実際にはまだ製造されていない高強度の材料（カーボンナノチューブなど）が必要です。ただし、月エレベーターは、市販されている大量生産された高強度パラアラミド繊維（ケブラーやM5など）または超高分子量ポリエチレン繊維を使用して構築できます。
地球の宇宙エレベーターと比べると、地上接続の場所に関する地理的および政治的な制約は少なくなります。月面エレベーターの接続点は、必ずしもその重心の真下にある必要はなく、極地の近くでもかまいません。極地では、太陽光が当たらない深いクレーターに凍った水がある可能性があるという証拠があります。もしそうなら、これを集めてロケット燃料に変換できるかもしれません。
断面プロファイル
地球用の宇宙エレベーターの設計では、通常、テザーのテーパーが均一な断面ではなく均一な応力プロファイルを提供します。月面宇宙エレベーターの強度要件は地球の宇宙エレベーターの強度要件よりもはるかに低いため、月面宇宙エレベーターでは均一な断面が可能です。NASA の先端概念研究所で行われた研究では、「現在の複合材は数百キロメートルの特性高さを持ち、火星では約 6、月では 4、地球では約 6000 のテーパー比が必要になります。月の質量は十分に小さいため、テーパーをまったく使用せずに均一な断面の月面宇宙エレベーターを建設できます。」と述べています。[1]均一な断面により、月面宇宙エレベーターを二重テザー滑車構成で構築できるようになります。この構成では、テーパー付きエレベーター構成と比較して、宇宙エレベーターの修理が大幅に簡素化されます。しかし、滑車構成では、上側のテザーと下側のテザーを分離して絡まないようにするために、カウンターウェイトに数百キロメートルの長さの支柱が必要になります。また、滑車構成では、テザーが回転するにつれてラグランジュ点に新しいテザー素材を縫い付けることで、システム容量を徐々に拡張できる可能性があります。
歴史
宇宙エレベーターのアイデアは、ユーリ・アルツタノフがプラウダ紙日曜版に、そのような構造物の建設方法と静止軌道の有用性について書いた1960年から存在していた。しかし、彼の記事は西側では知られていなかった。[要出典] その後、1966年に、スクリプス研究所のアメリカ人海洋学者グループのリーダーであるジョン・アイザックスが、静止衛星から垂らした細いワイヤーを使用するというコンセプトに関する記事をサイエンス誌に発表した。そのコンセプトでは、ワイヤーは細くなるはずだった（細いワイヤー/テザーは微小流星体による損傷を受けやすいことが現在ではわかっている）。アルツタノフと同様に、アイザックスの記事も航空宇宙コミュニティではあまり知られていなかった。[要出典]
1972年、ジェームズ・クラインはNASAに月面エレベーターに似た「ムーンケーブル」のコンセプトを説明した論文を提出した。[2] NASAは技術的なリスクと資金不足を理由にこのアイデアに否定的な反応を示した。[3]
1975年、ジェローム・ピアソンは独自に宇宙エレベーターのコンセプトを考案し、Acta Astronautica誌に発表しました。これにより、航空宇宙コミュニティ全体が初めて宇宙エレベーターの存在を知ることになりました。彼の論文は、アーサー・クラーク卿に小説『楽園の泉』 （1979年、同じテーマのチャールズ・シェフィールドの小説『宇宙間の網』とほぼ同時期に出版）を書くきっかけを与えました。1978年、ピアソンは理論を月まで拡張し、静止軌道ではなくラグランジュ点を使用するように変更しました。[4]
1977年、ソ連の宇宙の先駆者フリードリヒ・ザンダーのいくつかの論文が死後に出版され、彼が1910年に月面宇宙塔を構想していたことが明らかになった。[5]
2005年にジェローム・ピアソンはNASA先端概念研究所の研究を完了し、このコンセプトが既存の市販材料を使用して最先端の技術で技術的に実現可能であることを示しました。[6]
2011年10月、リフトポートのウェブサイトでマイケル・レインは、リフトポートが地上エレベーターに挑戦する前の暫定目標として月面宇宙エレベーターを追求していると発表した。2011年の月面探査分析グループ（LEAG）の年次会議で、リフトポートのCTOであるマーシャル・ユーバンクスは、レインが共同執筆した月面エレベーターのプロトタイプに関する論文を発表した。[7] 2012年8月、リフトポートは、プロジェクトが実際には2020年頃に開始される可能性があると発表した。[8] [9] [10] 2019年4月、リフトポートのCEOであるマイケル・レインは、月面エレベーター会社の概念化された設計以上の進展はないと報告した。[11]
材料
地球に固定された宇宙エレベーターとは異なり、月面宇宙エレベーターの材料にはそれほど強度は必要ありません。月面エレベーターは、現在入手可能な材料で作ることができます。構造物の構築にカーボンナノチューブは必要ありません。[1]これにより、十分な量のカーボンナノチューブ材料が利用可能になるまでにはまだ何年もかかるため、エレベーターをはるかに早く構築できるようになります。[12]
大きな可能性を秘めた素材の1つがM5ファイバーです。これはケブラーやスペクトラよりも軽い合成繊維です。[13]ピアソン、レビン、オールドソン、ワイクスの論文「月面宇宙エレベーター」によると、幅30mm、厚さ0.023mmのM5リボンは月面で2000kgを支えることができます（2005年）。また、エレベーターの長さに沿って均等に間隔を空けて、質量580kgの貨物車両100台を保持することもできます。[1]使用できる他の素材としては、T1000Gカーボンファイバー、スペクトラ200、ダイニーマ（ YES2宇宙船で使用）、またはザイロンがあります。これらの素材はすべて、 1gで数百キロメートルの破断長を持っています。[1]
これらの材料は、 L 1またはL 2バランスポイントから月面まで接続するリボン状のテザー ケーブルの製造に使用されます。完成したエレベーター システムでこれらのケーブルの長さを移動するクライミング ビークルは、それほど高速で移動しないため、貨物の輸送とシステムの構造的完全性の維持に関する課題の一部が簡素化されます。ただし、テザー ケーブルのように長期間宇宙に浮遊する小さな物体は、微小隕石による損傷を受けやすいため、その生存性を向上させる 1 つの方法として、単一のテザー ケーブルではなく「マルチ リボン」システムを設計することが考えられます。[1]このようなシステムでは、一定の間隔で相互接続されるため、リボンの 1 つのセクションが損傷しても、切断されたリボンを交換するロボット ビークルが到着するまで、平行なセクションが負荷を運ぶことができます。相互接続の間隔は約 100 km で、ロボット クライマーが交換用リボン 100 km の質量を運ぶのに十分な大きさです。[1]
登山用車両
月から軌道上に必要な物資を運ぶ方法の一つは、ロボットクライミングビークルの使用です。[1]これらのビークルは、エレベーターのリボンに押し付けられて十分な摩擦力を生み出す2つの大きな車輪で構成されています。[1]クライマーは水平または垂直のリボンに設定できます。
車輪は電気モーターで駆動され、太陽エネルギーまたはビームエネルギーから電力を得る。リボンを登るのに必要な電力は月の重力場によって決まり、L 1までの距離の最初の数パーセントで電力は減少する。[1]登山者がリボンを横断するのに必要な電力は、L 1地点に近づくにつれて減少する。540 kg の登山者が毎秒 15 メートルの速度で移動した場合、 L 1地点までの 7 パーセントの地点では、必要な電力は地表での 10 キロワットに対して 100 ワット未満に低下する。
太陽光発電車両を使用する際の問題点の 1 つは、旅の途中で日光が当たらないことです。毎月の半分は、リボンの下部にある太陽電池パネルが日陰になります。[1]この問題を解決する 1 つの方法は、車両を一定の速度でベースから打ち上げ、軌道の頂点でリボンに取り付けることです。[1]
考えられる用途
地球からの物質は軌道上に送られ、その後月まで送られ、月面基地や施設で使用される可能性があります。[1]
ジョージ・W・ブッシュ元米国大統領は、 宇宙探査ビジョンに関する演説で、月は将来の宇宙探査ミッションのための費用対効果の高い建設、打ち上げ、燃料補給場所として利用できるかもしれないと示唆した。ブッシュ大統領が指摘したように、 [14] 「（月の）土壌には、採取してロケット燃料や呼吸可能な空気に加工できる原材料が含まれている」。 例えば、提案されているアレスV大型ロケットシステムは、地球からドッキングステーション（月面エレベーターにカウンターウェイトとして接続）まで費用対効果の高い方法で[15]原材料を輸送し、 [16]将来の宇宙船を建造して打ち上げることができる一方、抽出した月資源はエレベーターのアンカーポイント近くの月面基地から輸送することができる。エレベーターが何らかの方法で月の北極近くに建設された月面基地に接続されていれば、そこに存在することが知られている氷を採掘することもできるため、エレベーターのドッキングステーションの乗組員がすぐに利用できる十分な水源となる。[17]また、月と火星間の移動に必要な総エネルギーは地球と火星間の移動に必要なエネルギーよりもかなり少ないため、このコンセプトは人類を火星に送るための技術的な障害の一部を軽減する可能性があります。
月面エレベーターは、月面から地球の軌道へ、あるいはその逆方向に物資や資材を輸送するのにも使用できる。ジェローム・ピアソンによれば、月の物質資源の多くは、地球の表面から打ち上げるよりも簡単に抽出して地球の軌道に送ることができるという。[1]例えば、月の表土自体は、太陽フレア、ヴァン・アレン放射線、その他の宇宙放射線から宇宙ステーションや長期ミッションの有人宇宙船を保護するための巨大な資材として使用できる。月に自然に存在する金属や鉱物は採掘して建設に使用できる。巨大な衛星太陽光発電所の太陽電池パネルの製造に使用できる月のシリコン鉱床は、特に有望であると思われる。[1]
月面エレベーターの欠点の1つは、登攀車両の速度が遅すぎて、人間の輸送システムとして効率的に機能しない可能性があることです。地球ベースのエレベーターとは対照的に、ドッキングステーションから月面までの距離が長いため、目的地に到着するまでに、どのような「エレベーターカー」でも乗組員を数日、場合によっては数週間にわたって支える能力が必要になります。[12]
参照
参考文献
- ^ abcdefghijklmno ピアソン、ジェローム、ユージン・レビン、ジョン・オールドソン、ハリー・ワイクス (2005)。「地球月面宇宙開発のための月面宇宙エレベーター フェーズ I 最終技術レポート」(PDF)。
- ^ 「ムーンケーブル：宇宙の重力電気サイフォン」。2012年2月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年11月24日閲覧。
- ^ KB宛の返信 Archived 2012-04-26 at the Wayback Machine アメリカ航空宇宙局、1972年6月23日
- ^ ピアソン、J.、「月アンカー衛星テスト」、AIAA 論文、78-1427、1978 年 8 月
- ^ ツァンデル、フリドリフ・アルトゥロヴィチ (1977).厳選された論文(ロシア語)。リガ: ジナットネ。
- ^ [1] ピアソン、J.、「地球近傍月面宇宙開発のための月面宇宙エレベーター」、NASA NIACフェーズI最終技術報告書、NASA助成金#07605-003-034、2005年5月2日
- ^ LADDER: プロトタイプ月面宇宙エレベーターの開発 TM Eubanks および M. Laine、Liftport Luna
- ^ 「打ち上げ！月面の『宇宙エレベーター』はまもなくSFになるかも」。RussiaToday、YouTube経由。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月1日閲覧。
- ^ 「月面宇宙エレベーターのインフラ」。ElevatorToSpace、YouTube経由。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年8月21日閲覧。
- ^ 「月面宇宙エレベーター構想に新たな生命が吹き込まれる」ruvr.ru。2013年4月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年8月28日閲覧。
- ^ 「宇宙エレベーターが実現するなら、ニュージャージー州でスタートできたはずだ。失敗の経緯はこうだ」NJ.com。2019年3月28日。 2019年5月11日閲覧。
- ^ ケイン 2004
- ^ ベーコン 2005
- ^ 「ブッシュ大統領、宇宙探査計画の新たなビジョンを発表」NASA 2004年1月14日2009年6月17日閲覧。
- ^ 「NASA - Ares I 有人打ち上げロケット」NASA 2009年4月29日2009年5月13日閲覧。
- ^ 宇宙エレベーター#カウンターウェイトを参照。
- ^ Ghose, Tia (2010 年 3 月 1 日)。「月の北極で数百万トンの水氷が発見される」。Wired。
外部リンク
- アーサー・C・クラークによるスカイフック装置全範囲の入門レビュー
- 月面宇宙エレベーターに関するUniverse Todayの記事
- ジェローム・ピアソンによるエレベーター提案
- LiftPort の会社ウェブサイトとフォーラム
- ジェローム・ピアソンの宇宙エレベーターに関する企業ウェブサイト
- spacetethers.com シミュレータのサンプル 95 と 96 における月面宇宙エレベーターのシミュレーション