軌道リング

軌道リングとは、物体の周囲に人工リングを配置し、見かけの遠心力が重力に対抗するのに十分な速度で回転させるという概念である。地球の場合、必要な速度は 10 km/秒程度であるが、これは通常の低地球軌道速度が 8 km/秒であるのに比べて大きい。この構造物は、宇宙ステーション、または超高速輸送や宇宙打ち上げ用の惑星車両として使用することを意図している。

ケーブルは軌道速度よりも速く回転しているため、ケーブル内の内部張力によって相殺される正味の外向きの力があります。これにより、ケーブルを曲げようとする試みに抵抗し、ケーブルが荷重を運ぶことができます。典型的な概念では、モーター付きのプラットフォームがケーブル上に配置され、地上で静止しているように見える速度で反対方向に走行します。地球の赤道上では、ケーブルと反対方向に秒速 9.5 km で走行するプラットフォームは静止しているように見え、ケーブルを下ろすことで宇宙エレベーターを形成できます。このエレベーターはおそらく 500 km (310 マイル) の長さで、既存の材料で構築できます。

低軌道に惑星サイズのケーブルを構築し、軌道速度よりも速い速度まで加速するという要件は、明らかに実際的な問題です。そのため、さまざまな方法でアクティブ サポートを使用する他のアーキテクチャが提案されており、これらの制限の一部を回避することができます。打ち上げループは、おそらく 2,000 km の長さの部分的なリングで、地球を囲むのではなく、2 つの地上ステーション間を走ります。粒子リングは、個別に打ち上げて固体リングに似たコレクションを作成し、その後磁気的に制御できる一連の個別のオブジェクトを使用しますが、内部張力がないため、揚力は個別に得られるという欠点があります。スペース ファウンテンは、宇宙エレベーターを形成する粒子リング コンセプトの垂直バージョンです。テザー リングは、惑星本体よりも小さい直径を持つ少なくとも 1 つの完全で連続した非軌道リングを使用する動的構造です。惑星の表面に構築し、動作速度まで加速し、多数のテザーを張ることで機械的に非常に高い高度まで持ち上げることができます。^{[1] [2]}

軌道リングは、いわゆる「古典的な」宇宙エレベーターのコンセプトに似ています。従来の宇宙エレベーターでは、大きなステーションが静止軌道(GEO) に配置され、地球の赤道上の 1 つの場所に留まります。次に、ケーブルが構築されて地球に向かって下降され、カウンターウェイトとして機能する 2 番目のケーブルがステーションから上向きに構築され、潮汐力によって所定の位置に留まります。構造が完成すると、エレベーターのような車がケーブルに乗って宇宙に飛び出すことができます。主な問題は、大量生産できる既知の物質には、 GEO から地表まで伸ばすために必要な引張強度がないことです。軌道リングは別のメカニズムを使用します。

軌道リングバージョンでは、運動リングが円軌道速度よりも速い速度で地球を周回します。この結果、静止コンポーネントに作用する重力によって相殺される正味の外向きの力が生じます。これはどの高度でも実現できますが、大気圏の大部分を回避するために 500 キロメートル (310 マイル) 以上の高度にシステムを構築することが実際的な要件です。次に、ケーブルがリングから地上まで降ろされ、従来の宇宙エレベーターと同じ方法で使用されます。違いは、垂直ケーブルの長さが 100,000 キロメートル (62,000 マイル) ではなく 500 キロメートル (310 マイル) しかないことです。この長さは、いくつかの既知の材料で実現可能な範囲です。

エレベーターを支えるため、リングは円形ではなく、わずかに楕円形になっています。2 つ以上のステーションが、軌道の遠地点が通常ある位置よりも下、経路の高端に配置されます。ステーションは、ケーブルが通過するときにケーブルを下向きに曲げて、ステーションに上向きの力を発生させます。2 つのステーション システムの軌道は、丸みを帯びた楕円形というよりは、アメリカン フットボールに似た形になります。ケーブルを曲げることで発生する揚力の量を増やすことで、軌道リングの張力を必要なレベルまで減らすことができます。主な欠点は、エレベーター ケーブルが地面近くではなく、システムの高点から吊り下げられることです。

可動リングは固体である必要はなく、固体の鞘で完全に包まれる必要もありません。代わりに、多数の個別の磁性体を所望の軌道に配置することができ、ステーションでは、それらが通過するときに磁石を使用して軌道を逸らします。このバージョンのリングには、リング内の各要素が完全に分離しており、個別に打ち上げることができ、宇宙空間に入った後はそれ以上の作業を必要としないため、構築がはるかに簡単であるという利点があります。^[a]また、完全なリングである必要もありません。必要な揚力に応じて、物体の総質量は、地球を周回する最も細いケーブルよりもはるかに小さくなる可能性があります。主な欠点は、運動量交換のプロセスによって速度がランダム化されるため、物体を正しい軌道に戻すために別のシステムが必要になることです。

この概念の詳細な説明は1982年にポール・バーチによって提案され分析され、低軌道で地球を取り囲む巨大なリングからケーブルが地球の表面まで垂れ下がることを提案した。^{[3] [4] [5]}

1982年、ソ連の発明家アナトリー・ユニツキーも地球を周回する電磁軌道を提案し、これを「車輪で宇宙へ」^[6]（後に「弦輸送システム」）と呼んだ。弦の速度が10km/秒を超えると、遠心力によって弦が地球の表面から分離し、リングが宇宙へ持ち上げられる。

アンドリュー・ミューレンバーグと彼の学生は、2008年から2011年にかけて、人類の「宇宙への足がかり」としての低軌道リングの種類と用途に基づいた多数の論文を発表し、出版した。概要では、軌道リングの4つの用途として、光ファイバーリングによる通信、「スリングオンアリング」システムによる地表から軌道への輸送、宇宙ベースの太陽光発電、宇宙日よけによる気候変動緩和が挙げられている。「スリングオンアリング」では、軌道リングに取り付けられた回転するスリング（巨大なカーボンチューブ製）が大気圏に沈む。特定のスリングの先端は、最低で高度13～15kmに達し、回転することで、その下の地球表面に対する接線速度はほぼゼロになる。その結果、スリングはその高度で飛行する従来の航空機からペイロードを拾い上げ、このペイロードを軌道リングまで持ち上げることができる。^[7]

ポール・バーチは1982年に英国惑星協会誌にリングシステムの数学的基礎を示した3つの論文を発表しました。 ^{[3] [4] [5]}

軌道リング システムの最も単純な設計では、回転ケーブルまたは膨張式宇宙構造物が、赤道上の低軌道に配置されます。軌道上にはありませんが、このリング上には、超伝導磁石で電磁的に支えられたリング ステーションがあり、地球上の指定された地点の上空 1 か所に留まります。これらのリング ステーションからは、引張強度と質量の比率が高い材料で作られた短いエレベーター ケーブルが垂れ下がっています。

この単純なモデルは赤道上で最もよく機能しますが、ポール バーチは、リング ステーションはテザーを保持するだけでなく、軌道リングを東に加速するためにも使用できるため、地球がリングの下で​​回転している間、軌道リングを宇宙に固定したままにするのではなく、意図的に地球の周りを歳差運動させることが可能であると計算しました。リングを 24 時間に 1 回歳差運動させることで、軌道リングは地球表面で選択した任意の子午線上に浮かぶようになります。リングから垂れ下がっているケーブルは、静止高度に到達したり赤道面内に配置したりすることなく、静止状態になります。つまり、軌道リングの概念を使用すると、ステーションの 1 組または複数組を地球上の任意の地点の上空に配置したり、地球上のどこにでも移動したりできます。したがって、地球上のどの地点でも宇宙エレベーターを利用できます。また、軌道リングのネットワーク全体を構築して、極を越えることで地球全体をカバーし、ほとんどの貨物輸送と乗客輸送を引き継ぐことができます。一連のエレベーターといくつかの静止リングステーションにより、小惑星や月の物質を受け取り、埋め立てが必要な場所に静かに埋めることができます。このプロセスで生成される電気エネルギーは、システムの拡張に充てられ、最終的には、太陽系全体のテラフォーミングと宇宙工学活動への道を開く可能性があります。

必要な資材を地球から打ち上げて構築する場合、1980年代の貨幣価値でバーチが推定したシステムのコストは約310億ドル（翌年までに初期サイズの1000倍に拡張することを意図した「ブートストラップ」システムの場合、そうでなければ31兆ドルのコストがかかる）である。一方、軌道上の大規模な製造施設が初期の18万トンの鋼鉄、アルミニウム、スラグを低コストで提供できると仮定すると、宇宙での製造では150億ドルまで下がる可能性があり、月を周回する軌道リングがあればさらに低くなる。ペイロードを低地球軌道速度まで加速するためのシステムの1キログラムあたりのコストは、エネルギー要件が9kWh/kg（おおよそ正確）で、宇宙ベースの太陽光発電によって供給される電力の目標コストが1kWhあたり0.005米ドルであると仮定すると、1975年の米ドルで約0.05ドルになる。^[8]

最も単純なタイプは、LEOの円形軌道リングです。

ポール・バーチは他の 2 つのタイプも定義しました。

• 偏心軌道リングシステム - 高度が変化する閉じた形状のリングです。
• 部分軌道リングシステム^[3] – これは本質的には打ち上げループである

さらに、彼は木星超惑星や恒星超惑星などの「超常世界」の概念を提唱した。これらは、惑星、超巨星、さらには恒星の上に位置する軌道リングのグリッドによって支えられる人工惑星である。^[9]

アーサー・C・クラークの『楽園の泉』 （1979年）の終わりには、遠い未来にこの小説のベースとなっている宇宙エレベーターに取り付けられる軌道リングについて言及されている。

アーサー・C・クラークの『3001年宇宙の旅』（1997年）には、赤道上に4つの巨大な居住可能な塔（宇宙エレベーターの後継機とされる）によって支えられた軌道リングが登場する。

漫画『バトル・エンジェル アリータ』（1990年 - 1995年）では、わずかに劣化した軌道リングが目立つように描かれている。

スタートレックの小説『 Ring Around the Sky』には、カルジュラ惑星の上空を周回する老朽化したリングワールドが描かれており、一連の宇宙エレベーターによって地表とつながっています。

軌道リングは、共同フィクションの世界構築ウェブサイトOrion's Armで広く使用されています。^[10]

ニール・スティーブンソンの2015年の著書『Seveneves』の第3部には、月のない地球の周りの軌道リングが描かれている。

映画『スターシップ・トゥルーパーズ』では、月を囲む軌道リングが描かれています。

アニメシリーズ「テッカマン」の第 2 作には、戦争により放棄され、荒廃しており、表面のテザーがないものの、完全なリングが登場します。

アニメシリーズ「キディ・グレイド」でも、軌道リングは宇宙船の発射およびドッキングベイとして使用されています。これらのリングは、惑星の表面から伸びる大きなタワーに接続されています。

アニメ「機動戦士ガンダム00」にも、主に連結された太陽電池パネルで構成された軌道リングが目立つように描かれています。このリングは3つの宇宙エレベーターを介して地球に接続されています。このリングは事実上、地球にほぼ無制限の電力を供給しています。シリーズの後半では、リングの表面に宇宙ステーションも設置されています。

『スター・ウォーズ/クローン・ウォーズ』シーズン 6、エピソード 1の冒頭の戦いは、惑星リンゴ・ヴィンダを取り囲むリング状のリンゴ・ヴィンダ宇宙ステーションで行われます。

また、スターウォーズの世界では、クアット造船所はクアットの世界を取り囲む別の軌道リングです。スターウォーズ：レジェンズでは、カラマリとクアレンの故郷であるダックには、彼らの海洋惑星を取り囲む巨大な軌道造船所があります。

ウォーハンマー 40,000 の世界では、火星には鉄の環と呼ばれる大きな軌道リングがあります。これは主に恒星間宇宙船の造船所として使われています。銀河系最大の人工構造物です。惑星メデューサにも、テクノロジーの暗黒時代から伝わるテルスタラックスと呼ばれる同様のリングがありますが、大部分が略奪され、破壊されています。

ゲーム「X3 テラン コンフリクト」では、地球の周りを自由に浮遊する軌道リングが登場するが、 X3: アルビオン プレリュードでは爆発により粉砕され、その後軌道から外れてしまう。

ゲーム「ゼノブレイド2」には、オービタルリングの基部の周囲に巨大な木が生えています。

Escape Velocity: Novaでは、地球の周りを周回する衛星はもう存在しません。何世紀にもわたって採掘が続けられ、現在は地球の周りを周回する軌道リングとして存在しているからです。その半分以上は、シグマ シップヤード社が所有しています。

ゲーム「Stellaris」では、植民惑星の周囲に軌道リングを構築できます。軌道リングは通常の宇宙ステーションとして機能することも、建物やモジュールを通じて惑星の生産力を高めることもできます。

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• ビデオ: メガストラクチャー 01: 軌道リングと宇宙エレベーター
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• オリオンズアームのポールバーチウェブアーカイブ
• ストリング輸送システム: 地球上と宇宙 (アナトリー・ユニツキーの著書)

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