宇宙エレベーター

宇宙エレベーターのアイデアは、さまざまな時代や場所で独自に発展してきたようです。最も初期のモデルは、19世紀後半に2人のロシア人科学者によって考案されました。コンスタンチン・ツィオルコフスキーは、1895年の著書『地球と空の夢』^{[ 3 ]} の中で、重力を克服する方法として星に到達する巨大な天空の梯子を構想しました^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。}ただし、ツィオルコフスキーの構想は、圧縮によって地面に支えられた塔であり、張力によって上空から吊り下げられる、より最近の宇宙エレベーターの構想とは異なります。

数十年後の1960年、ユーリ・アルツタノフは独自に「宇宙鉄道」の概念を開発した。これは、軌道上の衛星から赤道上のアンカーに繋がれた宇宙エレベーターで、ロケットよりも安全で効率的な代替手段を提供することを目的としていた。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} 1966年、エンジニアで海洋学者のジョン・D・アイザックスとその同僚は「スカイフック」の概念を開発し、静止軌道上の衛星から地球まで伸びるケーブルを提案した。^{[ 10 ] [ 11 ]}

宇宙エレベーターのコンセプトは、1975年にジェローム・ピアソンがアーサー・C・クラークの1969年の議会演説に触発されてこのアイデアの研究を始めたことで、再発明され、さらに発展しました。NASAと空軍研究所でエンジニアとして働いた後、彼は地球の自転エネルギーを利用して低軌道に物資を輸送することを目的とした「軌道タワー」の設計を開発しました。Acta Astronauticaに掲載された彼の論文^{[ 12 ]}では、ケーブルは張力が最大となる静止軌道高度で最も太く、重量を最小限に抑えるために先端で最も細くなるとされています。彼は、大きなカウンターウェイトがない場合、地球からの距離に応じて重力と遠心力が変化するため、上部のケーブルを長くする必要があることから、カウンターウェイトを144,000キロメートル（89,000マイル）まで延長することを提案しました。彼の分析には、月の重力、風、可動ペイロードが要因として含まれていました。エレベーターの建設には数千回のスペースシャトルの飛行が必要だったが、最低限の強度を持つストランドが地上に到達すれば材料を輸送したり、小惑星や月の鉱石から宇宙で製造したりすることは可能だった。ピアソンの研究結果は『Acta Astronautica』に掲載され、クラークの注目を集め、クラークのSF小説『楽園の泉』（1979年）^{[ 13 ]}の技術的な助言につながった。この小説には宇宙エレベーターが登場する。^{[ 14 ] [ 15 ]}ピアソンはまた、宇宙エレベーターの静止軌道を超えた部分は軌道速度よりも速く移動するため、地球の自転エネルギーを利用して宇宙船を惑星間軌道に打ち上げるために使用できると指摘した。^{[ 12 ]} ピアソンの後の論文では、宇宙エレベーターは月面に建設でき、地球と月のラグランジュ点EM L1またはEM L2に到達できると指摘した。このような月面宇宙エレベーターは地球の宇宙エレベーターよりも長くなりますが、それほど高い引張強度を持つ材料は必要ありません。^{[ 16 ] [ 17 ]}

宇宙飛行の代替案を調査したい複数の専門家が初めて集まったのは、1999年にアラバマ州ハンツビルで開催されたNASAの会議「静止軌道テザー宇宙エレベーター概念に関する先進宇宙インフラワークショップ」で、このような宇宙エレベーターの製造と展開に関する問題について議論した^{[ 4 ] [ 18 ]。} 2000年8月、DV Smitherman, Jr.は「宇宙エレベーター：新千年紀のための先進地球宇宙インフラ」というタイトルで調査結果を発表し^{[ 19 ]}、ケーブルの材質、展開、維持管理に関する懸念から、宇宙エレベーターは少なくともあと50年間は建設できないと結論付けた。

ブラッドリー・エドワーズは、カーボンナノチューブ複合材料の紙のように薄いリボンが、その高い引張強度と軽量性により、材料強度の問題を解決できると示唆した。^{[ 20 ]}以前の円形断面コンセプトの代わりに提案された幅広で薄いリボン状の断面形状は、隕石衝突に対する生存性を高めるだろう。NASA先端概念研究所（NIAC）の支援を受けて、彼の研究には20以上の機関と50人以上の参加者が関わった。^{[ 21 ] : 2}彼のフェーズII最終報告書は、書籍「宇宙エレベーター：革新的な地球から宇宙への輸送システム」^{[ 22 ]}と合わせて、展開シナリオ、クライマー設計、電力供給システム、軌道デブリ回避、アンカーシステム、原子状酸素への耐性、アンカーを西太平洋赤道域に配置することによる雷やハリケーンの回避、建設コスト、建設スケジュール、環境ハザードなど、宇宙エレベーターの設計上の問題をまとめた。^{[ 2 ]}さらに、彼は宇宙エレベーターケーブルの構造的完全性と耐荷重能力を研究し、高い引張強度と弾力性の必要性を強調した。

宇宙エレベーターの開発を加速させるため、推進者たちは、関連技術を対象としたアンサリ X プライズに似たコンテストをいくつか開催した。 ^{[ 23 ] [ 24 ]}その中には、2005年から2009年までクライマー、リボン、電力ビームシステムの年次コンテストを開催したElevator:2010 、Robogames Space Elevator Ribbon Climbing コンテスト^{[ 25 ]} 、そして2005 年 3 月に Spaceward Foundation (Elevator:2010 の運営者) との提携を発表し、賞金の総額を 40 万米ドルに引き上げたNASA のCentennial Challengesプログラムがある。 ^{[ 26 ] [ 27 ]} クライマー構造を確立するための最初の欧州宇宙エレベーター チャレンジ (EuSEC) は 2011 年 8 月に開催された。^{[ 28 ]}

2005年、「宇宙エレベーター企業のLiftPortグループは、さまざまなガラス、プラスチック、金属会社にこれらの強力な材料を供給するため、ニュージャージー州ミルビルにカーボンナノチューブ製造工場を建設すると発表した。LiftPortは最終的に10万km（6万2000マイル）の宇宙エレベーターの建設にカーボンナノチューブを使用することを望んでいるが、この動きにより短期的に利益を上げ、新しい製造方法の研究開発を行うことができる。」^{[ 29 ]}彼らが発表した目標は、2010年に宇宙エレベーターを打ち上げることだった。2006年2月13日、LiftPortグループは、同月の初めに、幅5cm （2.0インチ）、厚さ1mm （0.039インチ） （約13枚の紙）のカーボンファイバー複合材の紐とグラスファイバーテープで作られた1マイルの「宇宙エレベーターテザー」を気球で持ち上げてテストしたと発表した。^{[ 30 ]} 2019年4月、LiftportのCEOであるマイケル・レインは、20万ドル以上のシード資金を受け取った後も、同社の壮大な宇宙エレベーター構想はほとんど進展していないことを認めた。Liftportが2005年に発表したカーボンナノチューブ製造施設は建設されなかった。^{[ 31 ]}      

2007年、Elevator:2010は2007年宇宙エレベーター競技会を開催し、2つの競技それぞれに50万ドル（合計100万ドル）の賞金が授与され、さらに今後5年間で宇宙エレベーター関連技術に400万ドルが授与されることが決定した。^{[ 32 ]}競技会で優勝したチームはなかったが、 MITのチームが2グラム（0.07 オンス）、100％カーボンナノチューブでできた最初の作品を競技会に出品した。^{[ 33 ]}日本は2008年11月に国際会議を開催し、エレベーター建設のタイムテーブルを作成した。^{[ 34 ]}

2012年、大林組はカーボンナノチューブ技術を用いて2050年までに宇宙エレベーターを建造できると発表した。^{[ 35 ]}この設計の乗客用昇降機は8日間の旅の後、静止赤道軌道（GEO）のレベルに到達できる。^{[ 36 ]} 2016年にさらに詳細が発表された。^{[ 37 ]}

2013年、国際宇宙航行アカデミーは技術的実現可能性評価を発表し、必要な重要な能力向上はテザー材料であり、20年以内に必要な比強度を達成すると予測されたと結論付けた。4年間にわたる研究では、ミッション、開発スケジュール、資金投資、収益の流れ、および利益を含む宇宙エレベーター開発の複数の側面が検討された。隕石や宇宙デブリによる小さな衝突には運用上耐え、大きな衝突は回避できると報告され、1キログラムのペイロードを静止軌道およびそれより遠くまで持ち上げる推定コストは500ドルであるとされた^{。[ 38 ]： 10-11、207-208 [ 39 ]}

2014年、Google Xの迅速評価R&Dチームは宇宙エレベーターの設計を開始したが、最終的に、1メートルを超える完璧な形状のカーボンナノチューブのストランドを製造した者がまだいないことを発見した。そのため、彼らはプロジェクトを「凍結」し、カーボンナノチューブ分野の進歩を常に監視している。^{[ 40 ]}

2019年、国際宇宙航行アカデミーは「宇宙エレベーター時代への道」^{[ 41 ]}を公表した。これは2018年夏時点での宇宙エレベーターの評価をまとめた研究報告書である。要点は、宇宙専門家の幅広いグループが集まり、宇宙エレベーター開発の現状を評価し、それぞれが専門知識を提供し、同様の結論に達したということである。すなわち、地球上の宇宙エレベーターは実現可能であり、IAA 2013年の研究結論を裏付け、宇宙エレベーター開発の開始は多くの人が考えているよりも近いということである。この最後の結論は、カーボンナノチューブよりも高い比強度を持つマクロスケールの単結晶グラフェン^{[ 42 ]}を製造する可能性のあるプロセスに基づいている。

また2019年には、天体物理学者のペノイヤーとサンドフォードが、月面を固定し、ラグランジュ点を通って地球の静止軌道に到達する、既に実現可能なエレベーターの設計を提案した^{[ 43 ]}。

地球宇宙エレベーターのケーブルは、地球の自転に合わせて回転します。そのため、ケーブルおよびそれに取り付けられた物体は、下向きの重力に逆らう方向の上向きの遠心力を受けます。物体がケーブルのより高い位置にあるほど、地球の重力は弱くなり、自転による上向きの遠心力は強くなるため、より強い遠心力がより弱い重力に抵抗することになります。遠心力と重力は、静止軌道（GEO）で釣り合います。GEOより上では、遠心力が重力よりも強いため、ケーブルに取り付けられた物体はケーブルを上向きに引っ張ります。GEOより上のカウンターウェイトは、その高度における自然な軌道速度よりも速く地球の周りを回転しているため、ケーブルに遠心力を及ぼし、システム全体を空中に保持します。

ケーブルに取り付けられた物体にかかる正味の力は、見かけの重力場と呼ばれます。取り付けられた物体にかかる見かけの重力場は、（下向きの）重力から（上向きの）遠心力を引いたものです。ケーブル上の物体が受ける見かけの重力は、静止軌道（GEO）ではゼロ、GEOより下では下向き、GEOより上では上向きとなります。

見かけの重力場は次のように表すことができます。^{[ 54 ]：表1}

実際の重力 による下向きの力は、高度が高くなるにつれて減少する。${\displaystyle g_{r}=-GM/r^{2}}$

惑星の自転による上向きの遠心力は、高度とともに増加する。${\displaystyle a=\omega ^{2}r}$

見かけ上の重力場は、この2つの合計である。

${\displaystyle g=-{\frac {GM}{r^{2}}}+\omega ^{2}r}$

どこ

ケーブルのある地点では、2つの項（下向きの重力と上向きの遠心力）が等しく反対向きになります。その地点でケーブルに固定された物体は、ケーブルに重さをかけません。この高度（r ₁）は、惑星の質量とその自転速度に依存します。実際の重力を遠心加速度に等しいとすると、次のようになります。^{[ 54 ]： p.126}

$\displaystyle r_{1}=\left({\frac {GM}{\omega ^{2}}}\right)^{\frac {1}{3}}}$

これは地球表面から35,786 km（22,236マイル）上空、静止軌道の高度である。 ^{[ 54 ]：表1}  

静止軌道より下のケーブルでは、下向きの重力が上向きの遠心力よりも大きいため、ケーブルに取り付けられた物体は見かけの重力によって下向きに引っ張られます。そのレベルより下のケーブルから放たれた物体は、最初はケーブルに沿って下向きに加速します。その後、徐々にケーブルから東向きに偏向します。静止軌道より上のケーブルでは、上向きの遠心力が下向きの重力よりも大きいため、ケーブルに取り付けられた物体は見かけの重力によって上向きに引っ張られます。静止軌道より上のケーブルから放たれた物体は、最初はケーブルに沿って上向きに加速します。その後、徐々にケーブルから西向きに偏向します。

歴史的に、主な技術的問題は、ケーブルが任意の地点より下で張力を維持しながら自重を支える能力であると考えられてきた。宇宙エレベーターのケーブルにかかる張力が最も大きいのは、地球の赤道から35,786 km（22,236マイル）上空の静止軌道点である。つまり、ケーブルの材質と設計は、地表から35,786 km（22,236マイル）まで自重を支えるのに十分な強度を持たなければならない。その高度での断面積が地表よりも大きいケーブルは、より長い距離にわたって自重を支えることができる。したがって、断面積が35,786 km（22,236マイル）の最大値から地表の最小値までどのように変化するかは、宇宙エレベーターのケーブルにとって重要な設計要素となる。      

異なる材料パラメータを持つ複数のテーパー形状

ケーブル材料の一定量で使用可能な余剰強度を最大化するには、ケーブルの断面積は、ケーブルの長さに沿って応力（つまり、断面積単位あたりの張力）が一定になるように設計する必要がある。^{[ 54 ] [ 55 ]}一定応力基準は、高度によって変化するケーブル断面積の設計の出発点である。より詳細な設計で考慮される他の要因には、宇宙ゴミが多い高度での厚みの増加、登山者によって加えられる点応力の考慮、およびさまざまな材料の使用などがある。これらの要因やその他の要因を考慮するために、現代の詳細設計では、高度と時間による変化をできるだけ少なくして、可能な限り最大の安全マージンを達成しようとしている。 ^{[ 22 ]}単純な出発点設計では、これは一定応力に相当する。

安全余裕のない定応力ケーブルの場合、地球の中心からの距離の関数としての断面積は次の式で与えられます。^{[ 54 ]}

${\displaystyle A(r)=A_{s}\exp \left[{\frac {\rho gR^{2}}{T}}\left({\frac {1}{R}}+{\frac {R^{2}}{2R_{g}^{3}}}-{\frac {1}{r}}-{\frac {r^{2}}{2R_{g}^{3}}}\right)\right]}$

どこ

${\displaystyle g}$は地球表面における重力加速度（m·s ⁻²）である。

${\displaystyle A_{s}}$は、地球表面におけるケーブルの断面積（m² ^）です。

${\displaystyle \rho }$はケーブルに使用される材料の密度（kg·m ⁻³）です。

${\displaystyle R}$は地球の赤道半径です。

${\displaystyle R_{g}}$は静止軌道の半径です。

${\displaystyle T}$は、断面積が降伏することなく耐えることができる応力（N・m ⁻²）であり、その弾性限界です。

安全マージンは、Tを所望の安全係数で割ることによって考慮することができる。^{[ 54 ]}

上記の式を用いると、静止軌道上の断面積と地球表面上の断面積の比（テーパー比として知られる）を計算できる。^{[注1 ]}

${\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho }{T}}\times 4.85\times 10^{7}\right]}$

使用する材料の比強度が48 (MPa)/(kg/m ³ )に近づかない限り、テーパー比は非常に大きくなります。比強度の低い材料では、非常に大きなテーパー比が必要となり、ケーブルの総質量が膨大（あるいは天文学的な大きさ）になり、それに伴いコストも高額または不可能になります。

比強度は、ケーブル材料の説明において根本的に重要です。国際宇宙エレベーターコンソーシアムは、張力下の材料の単位密度あたりの降伏応力（または破壊応力）を表すために、ユーリ・アルスタノフにちなんで名付けられた「ユーリ」と呼ばれる単位を提案しました。1ユーリは1  Pa⋅m ³ /kgまたは1 N ⋅ m / kgに等しく、これは張力下のケーブルの線密度あたりの破壊/降伏力です。 ^{[ 56 ] [ 57 ]} 機能的な地球宇宙エレベーターには、30～80メガユーリ（3100～8200 kmの破壊長に相当）のテザーが必要になります。^{[ 58 ]}   

基地局/アンカーのコンセプトの一つとして、大型外洋船やその他の移動式プラットフォームなどの移動式基地局が考えられます。移動式基地局は、強風、嵐、宇宙ゴミを避けるように操縦できるため、固定式（陸上アンカー）のコンセプトよりも優れています。海洋アンカーポイントは通常、国際水域にあるため、基地局の領土使用に関する交渉が簡素化され、コストも削減されます。^{[ 2 ]}

地上固定プラットフォームは、基地への物流アクセスがより簡単でコストも少なくて済む。また、山頂などの高所に設置できるという利点もある。別の構想では、基地はタワー状になり、地表近くの圧縮タワーと高所のテザー構造の両方で構成される宇宙エレベーターを形成する。^{[ 6 ]}圧縮構造と張力構造を組み合わせることで、テザーの地球側の端での大気からの負荷が軽減され、ケーブルを地球の重力場に伸ばす距離が短縮されるため、他の設計要素がすべて同じであれば、ケーブル材料の強度対密度の要件が軽減される。

宇宙エレベーターのケーブルは、自身の重量に加えて、登攀者の重量も支えなければなりません。ケーブルに必要な強度は、その長さに沿って変化します。これは、さまざまな地点で、ケーブルの下部の重量を支えたり、ケーブルとカウンターウェイトを上部に保持するための下向きの力を加えたりする必要があるためです。宇宙エレベーターのケーブルにかかる最大の張力は静止高度で発生するため、ケーブルはそこで最も太く、地球に近づくにつれて細くする必要があります。考えられるケーブルの設計は、テーパー係数、つまり静止高度と地球表面でのケーブルの半径の比によって特徴付けられます。^{[ 59 ]}

ケーブルは、引張強度と密度の比率が高い材料で作られる必要がある。たとえば、エドワーズの宇宙エレベーターの設計では、ケーブル材料の引張強度が少なくとも 100ギガパスカルであると想定している。^{[ 2 ]}エドワーズは一貫してカーボンナノチューブケーブルの密度を 1300  kg/m ³と想定していたため、^{[ 20 ]これは 77 メガパスカル/(kg/m 3} )の比強度を意味する。この値は、宇宙エレベーター全体の重量を考慮に入れている。テーパーのない宇宙エレベーターケーブルは、海面で4,960 キロメートル (3,080マイル)の長さを自重に耐え、静止高度35,786 km (22,236マイル)に到達しても降伏しない材料が必要となる。^{[ 60 ]}したがって、非常に高い強度と軽さを持つ材料が必要となる。   

比較のために述べると、チタン、鋼、アルミニウム合金などの金属の破断長はわずか20～30  km（0.2～0.3 MPa/(kg/m ³ )）です。ケブラー、グラスファイバー、カーボン/グラファイト繊維などの最新の繊維材料の破断長は100～400 km（1.0～4.0 MPa/(kg/m ³ )）です。カーボンナノチューブや、より最近発見されたグラフェンリボン（完全な2次元炭素シート）などのナノエンジニアリング材料は、5000～6000 km（50～60 MPa/(kg/m ³ )）の破断長が期待されており、電気伝導性も備えています。  

地球上の宇宙エレベーターは、地球の重力が比較的高いため、ケーブル材料は現在入手可能な材料よりも強く、軽くなければなりません。^{[ 61 ]}このため、厳しい比強度要件を満たす新しい材料の開発に重点が置かれてきました。高い比強度に関しては、炭素は周期表で6番目の元素であるため有利です。炭素は、あらゆる材料の自重の大部分を占める陽子と中性子が比較的少ないです。あらゆる元素の原子間結合力の大部分は、外側の少数の電子によってのみもたらされます。炭素の場合、これらの結合の強度と安定性は、原子の質量に比べて高くなっています。カーボンナノチューブを使用する際の課題は、微視的スケールでは完全な材料の製造をマクロスケールまで拡張することです（材料の弱さの主な原因は微視的欠陥であるため）。 ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} 2014年現在、カーボンナノチューブ技術により、数十分の1メートルまでのチューブを成長させることが可能になっています。^{[ 64 ]}

2014年にダイヤモンドナノスレッドが初めて合成されました。^{[ 51 ]}カーボンナノチューブと同様の強度特性を持つため、ダイヤモンドナノスレッドはケーブル材料の候補としてもすぐに注目されました。^{[ 52 ]}

宇宙エレベーターは、ケーブルの中央部が先端部よりもかなり太くなければならないため、一般的なエレベーター（可動ケーブル式）とはなり得ない。可動ケーブルを用いた様々な設計案が提案されているが、ほとんどのケーブル設計では、「エレベーター」は固定されたケーブルを登っていくことになっている。

昇降装置には様々な設計がある。ケーブルが平面状のリボンである昇降装置の設計では、ほとんどの場合、摩擦によってケーブルを保持するために一対のローラーを使用することが提案されている。

ケーブルのストレスや振動を最小限に抑え、スループットを最大化するために、登山者は最適なタイミングでペースを調整する必要がある。軽量の登山者はより頻繁に送り込むことができ、複数人が同時に登ることができる。これによりスループットは多少向上するが、個々のペイロードの質量は減少する。^{[ 65 ]}

ケーブルの各部分の水平速度、すなわち軌道回転による速度は、高度とともに増加し、地球の中心からの距離に比例し、地表と静止軌道の間の高度の約 66 パーセント、つまり約 23,400 km の地点で低軌道速度 に達します。この地点で放出されたペイロードは、大気圏再突入をかろうじて回避する非常に偏心した楕円軌道に入り、近点は低地球軌道 (LEO) と同じ高度にあり、遠点は放出高度にあります。放出高度が増加すると、近点と遠点の両方が増加するため軌道の偏心率は小さくなり、静止高度では円形になります。^{[ 66 ] [ 67 ]}

ペイロードが静止軌道（GEO）に到達すると、水平速度はその高度での円軌道の速度と正確に一致するため、放出された場合、ケーブル上のその地点のすぐ近くに留まります。ペイロードはGEOを超えてケーブルをさらに上昇し続けることもでき、投棄時にさらに高速化することができます。100,000  kmから放出された場合、ペイロードは小惑星帯に到達するのに十分な速度を持ちます。^{[ 12 ] [ 22 ]}

宇宙エレベーターでペイロードが上昇する際、高度だけでなく水平速度（角運動量）も増加します。この角運動量は地球の自転から得られます。上昇するペイロードは、最初は移動するケーブルの各部分よりも遅い速度で移動します。これがコリオリの力です。上昇するペイロードはケーブルを（西向きに）「引きずり」、地球の自転速度をわずかに低下させます。下降するペイロードの場合は逆のプロセスが起こります。ケーブルは東向きに傾き、地球の自転速度をわずかに増加させます。

ケーブルに作用する遠心力の全体的な効果により、ケーブルは常にエネルギー的に有利な垂直方向に戻ろうとするため、物体がケーブルで持ち上げられた後、カウンターウェイトは振り子のように垂直方向へ振り戻ります。 ^{[ 65 ]}宇宙エレベーターとその積荷は、システム全体を支えるために、重心が常に静止軌道レベルより十分に高い位置になるように設計されます。 ^{[ 68 ]}リフトと降下操作は、テザーポイントの周りのカウンターウェイトの振り子のような動きを制御するために、慎重に計画する必要があります。^{[ 69 ]}

登山者の速度は、コリオリ力、利用可能な電力、および登山者の加速力がケーブルを切断しないようにする必要性によって制限される。登山者はまた、資材を経済的かつ迅速に上下に移動させるために、最低平均速度を維持する必要がある。^{[ 70 ]}非常に速い自動車または列車の速度である時速300 km (190 mph)で、静止軌道まで上昇するには約5日かかる。^{[ 71 ]}  

登山者にとって、電力とエネルギーはどちらも重要な課題である。登山者は、次の荷物を運ぶためにケーブルを空けるため、できるだけ早く大量の潜在エネルギーを獲得する必要がある。

登山者にエネルギーを供給するための様々な方法が提案されている。

• 登山者が登攀中に、無線エネルギー伝送によってエネルギーを伝達する。
• 登山者が登攀している間、何らかの物質的な構造物を通してエネルギーを登山者に伝達する。
• 登山者が始動する前にエネルギーを蓄えるには、原子力エネルギーのような極めて高い比エネルギーが必要となる。
• 太陽光発電 – 最初の 40  km 以降は、太陽エネルギーを使用して登山者を動かすことが可能です^{[ 72 ]}

レーザーパワービームなどの無線エネルギー伝送は、現在最も有力な方法と考えられており、メガワット級の自由電子レーザーまたは固体レーザーを、幅約10メートル（33フィート）の適応ミラーと、効率を高めるためにレーザー周波数に調整されたクライマー上の太陽光発電アレイと組み合わせて使用​​します。^{[ 2 ]}パワービームで駆動するクライマーの設計では、この効率が重要な設計目標となります。未使用のエネルギーは放熱システムで再放射する必要があり、重量が増加します。  

日本大学精密機械工学科教授で日本宇宙エレベーター協会理事の青木義雄氏は、2本目のケーブルを追加し、カーボンナノチューブの導電性を利用して電力を供給することを提案した。^{[ 34 ]}

対抗策として、いくつかの解決策が提案されている。

• 重くて捕獲された小惑星^{[ 5 ] [ 73 ]}
• 静止軌道より先に位置する宇宙ドック、宇宙ステーション、または宇宙港
• ケーブル自体をさらに上方に延長することで、正味の上向きの牽引力が同等のカウンターウェイトと同じになるようにする。
• 建設中にケーブルを太くするために使用された使用済みの登山用具、その他のガラクタ、カウンターウェイトを増やす目的でケーブルを持ち上げられた材料などが放置されていた。^{[ 22 ]}

ケーブルを延長する利点は、作業が比較的容易であることと、カウンターウェイトケーブルの端まで伸びたペイロードが地球に対して相当な速度を獲得し、惑星間空間への打ち上げが可能になることである。欠点は、質量を持つあらゆる材料を自由に使えるのではなく、より多くのケーブル材料を製造する必要があることである。

ピアソンが指摘したように、^{[ 12 ]}宇宙エレベーターは、地球の自転による遠心力を利用して宇宙船をさらに外側へ投げ出すためにも使用できる。例えば、半径約 53,100 km の宇宙エレベーターに取り付けられた物体は、放出されたときに脱出速度 に達する。L1 および L2ラグランジュ点への遷移軌道は、それぞれ50,630 km および 51,240 km での放出によって達成でき、月軌道への遷移は 50,960 km から行うことができる。^{[ 74 ]}  

ピアソンの144,000 km (89,000 mi)のケーブルの終端では、接線速度は毎秒 10.93 キロメートル (6.79 mi/s) です。これは地球の重力場を脱出し、探査機を少なくとも木星まで送るのに十分です。木星に到達したら、重力アシスト操作によって太陽脱出速度に達することができます。^{[ 12 ] [ 54 ]}   

宇宙エレベーターは、他の惑星、小惑星、衛星にも建設できる可能性がある。

火星のテザーは地球のものよりずっと短くできる可能性がある。火星の表面重力は地球の38パーセントで、自転周期は地球とほぼ同じである。そのため、火星の静止軌道は地表にずっと近く、したがってエレベーターははるかに短くできる。現在の材料はすでにそのようなエレベーターを建設するのに十分な強度を持っている。^{[ 75 ]}火星のエレベーターの建設は、低軌道にあり、定期的に（11時間6分の公転周期ごとに2回）赤道と交差する火星の衛星フォボスによって複雑になるだろう。フォボスとダイモスは、空気静止型宇宙エレベーターの邪魔になる可能性があるが、一方で、プロジェクトに役立つ資源を提供する可能性もある。フォボスには大量の炭素が含まれていると予測されている。カーボンナノチューブがテザー材料として実現可能になれば、火星の近くには炭素が豊富に存在することになる。これは、将来の火星植民地化のための容易に入手可能な資源を提供する可能性がある。  

フォボスは潮汐固定されており、片面は常に主星である火星に面しています。 その内側から6,000km伸びるエレベーターは、火星の大気の密度の高い部分をわずかに超えた、火星表面から約28km上空で終端します。反対方向に6,000km伸びる同様のケーブルが最初のケーブルと釣り合い、このシステムの重心はフォボス内に留まります。宇宙エレベーターは合計で12,000km以上伸び、火星の大気静止軌道（17,032km）よりも低い高度になります。ロケットと貨物を宇宙エレベーターの始点である表面から28km上空まで運ぶには、ロケット打ち上げが依然として必要です。火星の表面は赤道で0.25 km/sで回転しており、宇宙エレベーターの底部は火星の周りを0.77 km/sで回転するため、宇宙エレベーターに到達するには0.52 km/s (1872 km/h)のデルタvしか必要ありません。フォボスは2.15 km/sで公転しており、宇宙エレベーターの最外縁部は火星の周りを3.52 km/sで回転します。^{[ 76 ] [ 77 ]}         

地球の月は、特にテザーに必要な比強度が現在入手可能な材料で十分低いことから、月面宇宙エレベーターの候補地である。月はエレベーターを遠心力で支えるほど速く自転していない（地球が近いため、月と静止軌道が実質的に存在しない）が、重力差によってラグランジュ点を通るエレベーターを構築できる可能性がある。^{[ 16 ]}地球側のエレベーターは、地球の月の見える部分の中心付近にあるアンカーポイントから地球-月L1点を通って伸びる。このようなエレベーターの長さは、最大L1高度59,548 kmを超える必要があり、必要な頂点カウンターウェイトの質量を減らすためにかなり長くなる。^{[ 78 ]}遠方の月面エレベーターはL2ラグランジュ点を通るため、地球側のエレベーターよりも長くなる必要がある。ここでも、テザーの長さは選択された頂点アンカーの質量に依存するが、既存の工学材料で作ることもできる。^{[ 78 ]} 

高速回転する小惑星や衛星は、ケーブルを使用して地球軌道などの都合の良い地点に物質を放出したり^{[ 81 ]}、逆に物質を放出して小惑星や衛星の質量の一部を地球軌道やラグランジュ点に送ったりすることができる。物理学者で数学者のフリーマン・ダイソンは、このような小型システムを、太陽光発電が経済的でない太陽から遠い地点の発電機として使用することを提案した。

ケント州立大学のフランシス・グラハム氏によると、現在入手可能な工学材料を使用して、冥王星とカロン、または二重小惑星90アンティオペの構成要素など、潮汐ロックされた惑星間に、終端の切断なしに宇宙エレベーターを建設できる可能性がある。^{[ 82 ]}ただし、軌道の楕円性のため、可変長のケーブルを巻き取る必要がある。

初期のシステムでは、地表から静止軌道レベルまでの所要時間は約 5 日でした。これらの初期のシステムでは、ヴァン アレン放射線帯を通過するのに要する時間が長くなるため、乗客は遮蔽によって放射線から保護される必要があり、その結果、登山機の質量が増加し、ペイロードが減少しました。^{[ 84 ]}

宇宙エレベーターは、航空機と宇宙船の両方にとって航行上の危険をもたらす。航空機は航空交通管制の制限によって進路変更を余儀なくされる可能性がある。ケーブルの最大高度より近地点が低い安定軌道上の物体で、ケーブルと同期していないものはすべて、回避措置が講じられない限り、最終的にはケーブルに衝突する。エドワーズが提案した潜在的な解決策の1つは、可動式アンカー（海錨）を使用して、追跡可能な大きさの宇宙デブリをテザーが「回避」できるようにすることである。^{[ 2 ]}

流星体、微小隕石、軌道上の人工デブリなどの宇宙物体による衝突は、ケーブルの設計上のもう一つの制約となる。ケーブルは、デブリを避けるように動くか、小さなデブリの衝突を破損することなく吸収するように設計する必要がある。

宇宙エレベーターがあれば、現在のコストのほんの一部で物資を軌道に送ることができるかもしれない。2022年現在、従来のロケット設計では、静止軌道への輸送に1キログラムあたり約12,125米ドル（1ポンドあたり5,500米ドル）かかる。 ^{[ 85 ]}現在の宇宙エレベーターの提案では、ペイロード価格は1キログラムあたり220ドル（1ポンドあたり100ドル）からと想定されており、^{[ 86 ]} Launch loopの5～300ドル/kgの見積もりと似ているが、軌道飛行船システムについてジェリー・プールネル 博士に提示された500km軌道への1トンあたり310ドルよりは高い。^{[ 87 ]}

『宇宙エレベーターで地球を去る』の共著者であるフィリップ・ラガンは、「宇宙エレベーターを最初に配備した国は、95パーセントのコスト優位性を持ち、潜在的にすべての宇宙活動を支配できるだろう」と述べている。^{[ 88 ]}