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宇宙エレベーターは、スペースブリッジ、スターラダー、軌道リフトとも呼ばれ、提案されているタイプの惑星から宇宙への輸送システムであり、[1] SF でよく描かれています。主要コンポーネントは、地表に固定され宇宙に伸びるケーブル (テザーとも呼ばれる) です。地球ベースの宇宙エレベーターは、ケーブルの一方の端が赤道近くの地表に接続され、もう一方の端が静止軌道(高度 35,786 km) を超えた宇宙空間でカウンターウェイトに接続されたケーブルで構成されます。下端でより強くなる重力と上端でより強くなる上向きの遠心力の競合力により、ケーブルは地球上の 1 つの位置で張力を受けて静止した状態になります。テザーが展開されると、クライマー (クローラー) が機械的な手段でテザーを繰り返し上り下りし、貨物を軌道との間で降ろすことができます。[2]この設計により、大型ロケットを使わずに、地球などの惑星の表面と軌道の間を直接移動することが可能になる。
歴史
初期のコンセプト
宇宙エレベーターの構想は、異なる時代と場所で独立して発展してきたようだ。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た。1895年のコレクション『大地と空の夢』 [ 3]で、 コンスタンチン・ツィオルコフスキーは、重力を克服する方法として、星々に到達するための巨大な空の梯子を思い描いた。[4] [5] [6] 数十年後の1960年、ユーリ・アルツタノフは、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ある「宇宙鉄道」のコンセプトを独自に開発し、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指した。[7] [8] [9] 1966年、アイザックスと彼の同僚は「スカイフック」のコンセプトを発表し、地球まで伸びるケーブルを備えた静止軌道上の衛星を提案した。[10]
イノベーションとデザイン
宇宙エレベーターの構想がアメリカに伝わったのは、1975年、ジェローム・ピアソンがアーサー・C・クラークの1969年の議会での演説に触発されてこの構想を研究し始めたときだった。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物資を低地球軌道に輸送することを目的とした「軌道タワー」の設計を開発した。Acta Astronautica [11]での発表では、ケーブルは張力が最大となる静止軌道で最も太く、単位面積あたりの重量を最小限に抑えるために先端で最も細くなるとしている。彼は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た。大きなカウンターウェイトがなければ、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ったためである。彼の分析には、月の重力、風、移動する積荷が含まれていた。エレベーターの建造には何千回ものスペースシャトルの飛行が必要だったが、最低限の強度の繊維が地上に到着すれば材料を輸送できるし、小惑星や月の鉱石から宇宙で製造することもできる。Acta Astronauticaで発表されたピアソンの研究結果はクラークの注目を集め、宇宙エレベーターを題材にしたクラークのSF小説『楽園の泉』（1979年）[12]の技術相談につながった。[13] [14]
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のコンセプトに関する先進宇宙インフラワークショップ」でした。[4] DVスミザーマン・ジュニアは、2000年8月に「宇宙エレベーター：新世紀に向けた先進的な地球宇宙インフラ」と題して調査結果を発表し、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ました。[15] [ページが必要]
BCエドワーズ博士は、カーボンナノチューブ複合材料を使用した10万キロ（62,000マイル）の長さの紙のように薄いリボンは、その高い引張強度と軽量さにより、テザーの問題を解決できると示唆しました[16]従来の円形断面の概念に代わる、提案された幅広で薄いリボンのような断面形状は、隕石の衝突に対する生存性を高めるでしょう。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与しました。[17] [ページ必要]宇宙エレベーターNIACフェーズII最終報告書は、書籍『宇宙エレベーター：革命的な地球から宇宙への輸送システム』（エドワーズとウェストリング、2003年）[18]と合わせて、宇宙エレベーターを設計するためのすべての取り組みを要約しました。[17] [ページ必要]展開シナリオ、クライマーの設計、電力供給システム、軌道上のデブリの回避、アンカーシステム、原子状酸素からの生存、アンカーを西赤道太平洋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。[2] [15] [ページ必要] [19]さらに、彼は宇宙エレベーターのケーブルの構造的完全性と耐荷重性を研究し、高い引張強度と復元力の必要性を強調しました。彼の宇宙エレベーターのコンセプトはNIACの第3フェーズに到達することはありませんでしたが、それはスペースシャトルコロンビア号の事故の週に最終提案を提出したためだと彼は考えています。[4]
21世紀の進歩
宇宙エレベーターの開発を加速するため、推進派は、関連技術を対象に、アンサリ・エックス・プライズに似たコンテストをいくつか開催してきた。 [20] [21]その中には、2005年から2009年にかけてクライマー、リボン、電力ビームシステムのコンテストを毎年開催したエレベーター2010や、ロボゲームスの宇宙エレベーター・リボンクライミング・コンテスト、 [22] 、NASAのセンテニアル・チャレンジ・プログラムなどがある。同プログラムは、2005年3月にスペースワード財団（エレベーター2010の運営者）との提携を発表し、賞金総額を40万ドルに引き上げた。[23] [24] クライマー構造を確立するための最初のヨーロッパ宇宙エレベーター・チャレンジ（EuSEC）は、2011年8月に開催された。[25]
2005年、「宇宙エレベーター企業のリフトポートグループは、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し、さまざまなガラス、プラスチック、金属企業にこれらの強力な材料を供給すると発表した。リフトポートは、最終的には10万キロメートル（62,000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だろう。」[26]彼らが発表した目標は、2010年の宇宙エレベーターの打ち上げだった。2006年2月13日、リフトポートグループは、同月初めに、幅5センチ（2.0インチ）、厚さ1ミリ（0.039インチ）（紙約13枚分）のカーボンファイバー複合糸とグラスファイバーテープで作られた「宇宙エレベーターテザー」1マイルを風船で吊り上げるテストを行ったと発表した。[27] 2019年4月、リフトポートのCEOマイケル・レイン氏は、シード資金として20万ドル以上を受け取った後も、同社の壮大な宇宙エレベーターの野望はほとんど進展していないことを認めた。リフトポートが2005年に発表したカーボンナノチューブ製造施設は、結局建設されなかった。[28]
2007年、Elevator:2010は2007 Space Elevatorゲームを開催し、2つの競技でそれぞれ50万ドルの賞金（合計100万ドル）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となった。[29]優勝チームはなかったが、MITのチームが2グラム（0.07オンス）の100％カーボンナノチューブを初めて競技にエントリーした。[30]日本は2008年11月にエレベーター建設のスケジュールを策定するための国際会議を開催した。[31]
2012年、大林組はカーボンナノチューブ技術を使用して2050年までに宇宙エレベーターを建設できると発表した。[32]この設計の乗客用クライマーは、8日間の旅で静止軌道に到達できる。[33]詳細は2016年に発表された。[34]
2013年、国際宇宙航行アカデミーは技術的な実現可能性評価を発表し、必要な重要な機能改善はテザー材料であり、必要な比強度は20年以内に達成されると予測されているという結論を下した。4年間に及ぶこの研究では、ミッション、開発スケジュール、財務投資、収益の流れ、利点など、宇宙エレベーター開発の多くの側面が調査された。小規模な衝突には運用上耐え、隕石や宇宙ゴミによる大規模な衝突は回避することが可能であり、1キログラムのペイロードを静止軌道およびそれ以降に打ち上げるのにかかる推定コストは500ドルになると報告された。[35] : 10–11, 207–208 [36] [ページ必要]
2014年、Google Xの迅速評価研究開発チームは宇宙エレベーターの設計を開始し、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ストランドを製造した人がまだいないことを発見しました。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監視しています。[37]
2018年、日本の静岡大学の研究者らは、テザーで接続された2つのキューブサット、STARS-Meを打ち上げました。このキューブサットの上をミニエレベーターが移動します。 [38] [39]この実験は、より大きな構造物のテストベッドとして開始されました。[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]を発表しました。これは、2018年夏時点の宇宙エレベーターの評価をまとめた調査報告書です。要点は、幅広い宇宙専門家が集まって宇宙エレベーターの開発状況を評価し、それぞれが専門知識を持ち寄って同様の結論に達したことです。(a)地球型宇宙エレベーターは実現可能と思われるため、IAA 2013の調査結論を補強しています。(b)宇宙エレベーターの開発開始は、多くの人が考えるよりも近いです。この最後の結論は、カーボンナノチューブよりも比強度の高いマクロスケールの単結晶グラフェン[42]を製造するための潜在的なプロセスに基づいています。
材料
地球用の宇宙エレベーターを作る上での大きな難しさは、材料の強度です。構造物は運ぶ積荷に加えて、それ自身の重量を支えなければならないため、構造物を構成する材料の強度対重量比、つまり比強度は極めて高くなければなりません。
1959 年以来、宇宙エレベーターの構想のほとんどは、システムの重量を遠心力で上から支える、純粋な張力構造に焦点を当ててきました。張力の概念では、宇宙テザーが大きな質量 (カウンターウェイト) から静止軌道を越えて地上まで伸びます。この構造は、逆さまの下げ振りのように、地球とカウンターウェイトの間で張力状態で保持されます。ケーブルの厚さは張力に基づいて先細りになり、静止軌道では最大になり、地上では最小になります。
この概念は他の惑星や天体にも適用できる。太陽系内で地球よりも重力が弱い場所（月や火星など）では、テザー材料の強度と密度の要件はそれほど問題にならない。現在入手可能な材料（ケブラーなど）は十分に強くて軽いため、そこでのエレベーターのテザー材料として実用的である可能性がある。[43]
現在利用可能な材料は、地球の宇宙エレベーターを実用化するのに十分な強度と軽さを備えていない。[44] [45] [46]一部の情報源は、カーボンナノチューブ（CNT）の将来の進歩により実用的な設計が可能になると予想している。[2] [15] [ページが必要] [26]他の情報源は、CNTは決して十分な強度を持たないと考えている。[47] [48] [49]将来の代替案としては、窒化ホウ素ナノチューブ、ダイヤモンドナノスレッド[50] [51]、マクロスケールの単結晶グラフェンなどが挙げられる。[42]
フィクションでは
1979年、アーサー・C・クラークの小説『楽園の泉』と、同じく宇宙エレベーターの建設を扱ったチャールズ・シェフィールドの最初の小説『宇宙の網』が同時に出版され、宇宙エレベーターがより広い読者層に紹介されました。この小説では、技術者たちが架空の島国「タプロバネ」（スリランカをモデルにしていますが、南の赤道に移動しています）の山頂に宇宙エレベーターを建設します。3年後、ロバート・A・ハインラインの1982年の小説『フライデー』では、主人公が「キト・スカイフック」での惨事について言及し、旅の途中で「ナイロビ・ビーンズトーク」を利用します。キム・スタンリー・ロビンソンの1993年の小説『レッド・マーズ』では、入植者が火星に宇宙エレベーターを建設し、より多くの入植者が到着できるだけでなく、そこで採掘された天然資源を地球に出荷できるようになります。ラリー・ニーヴンの著書「レインボー・マーズ」では、火星に建設された宇宙エレベーターについて説明している。デビッド・ジェロルドの2000年の小説「ジャンピング・オフ・ザ・プラネット」では、エクアドルの「豆の木」への家族旅行は、実際には子供の親権をめぐる誘拐である。ジェロルドの本はまた、成熟したエレベーター技術の産業への応用についても検討している。「豆の木」と呼ばれる宇宙エレベーターのコンセプトは、ジョン・スカルジの2005年の小説「老人の戦争」にも描かれている。生物学的バージョンでは、ジョアン・スロンチェフスキの2011年の小説「ハイエスト・フロンティア」で、炭疽菌の自己修復ケーブルで作られた宇宙エレベーターを登る大学生が描かれている。人工的に作られた細菌は、宇宙ゴミによって切断されてもケーブルを再生することができる。
物理
見かけの重力場
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。したがって、ケーブルとそれに接続された物体は、下向きの重力に対抗する方向の上向きの遠心力を受けます。物体がケーブル上の高い位置にあるほど、地球の重力は弱くなり、回転による上向きの遠心力が強くなるため、遠心力が強くなるほど重力は弱くなります。遠心力と重力は、静止赤道軌道 (GEO) でバランスが取れています。GEO より上では、遠心力が重力よりも強くなり、ケーブルに接続さ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、その高度での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、ケーブルに遠心力がかかり、システム全体が空中に保持されます。
ケーブルに取り付けられた物体に働く正味の力は、見かけの重力場と呼ばれます。取り付けられた物体の見かけの重力場は、（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、GEO ではゼロ、GEO より下では下向き、GEO より上では上向きです。
見かけの重力場は次のように表される：[52] ：表1
実際の重力 の下向きの力は高さとともに減少します。
惑星の自転による上向きの遠心力は高度とともに増加します。
見かけの重力場は、次の 2 つを合計したものです。
どこ
gは重力加速度であり、垂直ケーブルに沿って下向き（負）または上向き（正）に向かいます（ms −2）。
g r は地球の引力による重力加速度で、下向き（負）（ms −2）である。
aは垂直ケーブルに沿って上向き（正）の遠心加速度（ms −2）であり、
Gは重力定数（m 3 s −2 kg −1）
Mは地球の質量（kg）
rはその地点から地球の中心までの距離（m）である。
ωは地球の自転速度（ラジアン/秒）です。
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）は等しく反対になります。その地点でケーブルに固定された物体はケーブルに重量を与えません。この高度（r 1）は惑星の質量と自転速度に依存します。実際の重力を遠心加速度と等しくすると、次の式が得られます。[52] : p. 126
これは地球表面から35,786 km（22,236 mi）の高さで、静止軌道の高度です。[52] ：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、見かけの重力がケーブルに接続された物体を下方に引っ張ります。そのレベルより下でケーブルから放出された物体は、最初はケーブルに沿って下方に加速します。その後、徐々にケーブルから東に逸れます。静止軌道レベルより上のケーブルでは、上向きの遠心力は下向きの重力よりも大きいため、見かけの重力がケーブルに接続された物体を上方に引っ張ります。静止レベルより上でケーブルから放出された物体は、最初はケーブルに沿って 上方に加速します。その後、徐々にケーブルから西に逸れます。
ケーブルセクション
歴史的に、主な技術的課題は、任意の地点より下で張力によってケーブルが自身の重量を支える能力であると考えられてきました。宇宙エレベーターのケーブルに最も大きな張力がかかるのは、地球の赤道から 35,786 km (22,236 マイル) 上空の静止軌道の地点です。つまり、ケーブルの材質とその設計は、地表から 35,786 km (22,236 マイル) まで自身の重量を支えるのに十分な強度を備えていなければなりません。その高さでの断面積が地表での断面積よりも厚いケーブルは、より長い距離にわたって自身の重量をよりよく支えることができます。したがって、断面積が 35,786 km (22,236 マイル) の最大値から地表での最小値までどのように細くなるかは、宇宙エレベーターのケーブルにとって重要な設計要素です。
与えられた量のケーブル材料に対して使用可能な余剰強度を最大化するために、ケーブルの断面積は、応力（すなわち、断面積の単位あたりの張力）がケーブルの長さに沿って一定であるように大部分設計される必要がある。[52] [53]一定応力基準は、高度とともに変化するケーブル断面積の設計における出発点である。より詳細な設計で考慮される他の要因には、より多くの宇宙ゴミが存在する高度での厚みの増加、登山者によって課される点応力の考慮、および様々な材料の使用が含まれる。[54]これらの要因やその他の要因を考慮して、現代の詳細設計は、高度と時間による変化を可能な限り少なくしながら、可能な限り最大の安全マージンを達成することを目指している。 [54]単純な出発点設計では、これは一定応力に等しい。
安全余裕のない一定応力ケーブルの場合、断面積は地球の中心からの距離の関数として次の式で表されます。[52]
![{\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]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2faccd127a8849f6dd878b215391810a2d589e15)
どこ
gは地球表面における重力加速度（m·s −2）であり、
は地球表面におけるケーブルの断面積（m 2）である。
ρはケーブルに使用される材料の密度（kg·m −3）であり、
Rは地球の赤道半径であり、
静止軌道の半径は
Tは断面積が降伏せずに耐えられる応力（N·m −2）であり、弾性限界です。
安全余裕はTを所望の安全係数で割ることによって計算できる。[52]
ケーブル材質
上記の式を使用すると、静止軌道での断面積と地球表面での断面積の比（テーパー比）を計算できます。[注 1]
![{\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho }{T}}\times 4.85\times 10^{7}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b72d33815544c2f3ddbc4392e335414437efe7d7)
使用される材料の比強度が 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大きくなり (または天文学的な数字になり)、それに伴うコストが大きくなるか、不可能になります。
構造
多くの惑星体向けに、さまざまな宇宙エレベーターの設計が提案されています。ほぼすべての設計には、ベース ステーション、ケーブル、クライマー、カウンターウェイトが含まれています。地球宇宙エレベーターの場合、地球の自転により、カウンターウェイトに上向きの遠心力が生じます。カウンターウェイトはケーブルによって下向きに保持され、ケーブルはカウンターウェイトによって上向きに保持され、張られています。ベース ステーションは、システム全体を地球の表面に固定します。クライマーは、荷物を積んでケーブルを上り下りします。
基地局
基地局/アンカーの現代的なコンセプトは、通常、移動局、大型海洋船舶、またはその他の移動プラットフォームです。移動基地局は、強風、嵐、宇宙ゴミを避けるために操縦できるため、以前の固定コンセプト（陸上アンカーを使用）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、基地局の領域使用の交渉が簡素化され、コストが削減されます。[2]
固定式の陸上プラットフォームは基地への物流アクセスが簡単でコストもかかりません。また、山頂などの高高度に設置できるという利点もあります。別のコンセプトでは、ベースステーションをタワーにして、地表近くの圧縮タワーと高高度のテザー構造の両方を備えた宇宙エレベーターを形成することもできます。[6]圧縮構造と張力構造を組み合わせると、テザーの地球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まで延長する必要がある距離が短縮されるため、他のすべての設計要因が同じであれば、ケーブル材料の重要な強度対密度要件が軽減されます。
ケーブル
宇宙エレベーターのケーブルは、自身の重量だけでなく、登山者の重量も支える必要があります。ケーブルに求められる強度は、長さに応じて異なります。これは、ケーブルがさまざまな地点で下にあるケーブルの重量を支えるか、ケーブルとカウンターウェイトを上に保持するために下向きの力を加える必要があるためです。宇宙エレベーターのケーブルの最大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なり、地球に近づくにつれて細くなる必要があります。考えられるケーブル設計は、テーパー係数、つまり静止高度と地球表面でのケーブル半径の比率によって特徴付けられます。[55]
ケーブルは、高い引張強度/密度比を持つ材料で作られる必要がある。例えば、エドワーズ宇宙エレベーターの設計では、少なくとも100ギガパスカルの引張強度を持つケーブル材料が想定されている。[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、[16]比強度は77メガパスカル/(kg/m 3 )である。この値は、宇宙エレベーターの全重量を考慮に入れたものである。先細りでない宇宙エレベーターのケーブルは、静止高度35,786 km (22,236 mi)まで降伏せずに到達するために、海面で長さ4,960 km (3,080 mi)の自重を支えることができる材料が必要となる。 [56]したがって、非常に高い強度と軽量性を備えた材料が必要となる。
比較すると、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現代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、最近発見されたグラフェンリボン (完全な二次元カーボンシート)などのナノエンジニアリング材料の破断長は 5000～6000 km (50～60 MPa/(kg/m 3 )) になると予想されており、電力を伝導することもできます。[要出典]
比較的重力が大きい地球上の宇宙エレベーターでは、ケーブルの材質は、現在入手可能な材質よりも強くて軽いものでなければならない。[57]このため、厳しい比強度要件を満たす新素材の開発に焦点が当てられてきた。比強度が高いという点では、炭素は周期表で6番目の元素にすぎないため有利である。炭素は、あらゆる物質の自重のほとんどを占める陽子と中性子が比較的少ない。あらゆる元素の原子間結合力のほとんどは、外側の数個の電子によってのみ寄与される。炭素の場合、それらの結合の強度と安定性は、原子の質量に比べて高い。カーボンナノチューブを使用する際の課題は、マクロサイズまで拡大し、微視的スケールでも完璧な材料を製造することである（微視的欠陥が材料の弱さの最も大きな原因であるため）。[57] [58] [59] 2014年現在、カーボンナノチューブ技術により、最大数十分の1メートルのチューブを成長させることが可能になった。[60]
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。[50]ダイヤモンドナノスレッドはカーボンナノチューブと同様の強度特性を持っているため、すぐにケーブル材料の候補としても注目されました。[51]
登山家
宇宙エレベーターは、ケーブルの中央部が先端部よりも大幅に広くなる必要があるため、通常の意味でのエレベーター（可動ケーブル付き）にはなり得ません。可動ケーブルを採用したさまざまな設計が提案されていますが、ほとんどのケーブル設計では、「エレベーター」が固定ケーブルを登る必要があります。
クライマーにはさまざまな設計があります。ケーブルが平面リボンであるエレベーターの設計では、ほとんどの場合、ローラーのペアを使用して摩擦でケーブルを保持することが提案されています。
ケーブルのストレスと振動を最小限に抑え、スループットを最大化するために、クライマーは最適なタイミングでペースを調整する必要があります。より軽量のクライマーをより頻繁に送り出すことができ、同時に複数のクライマーを同時に送り出すことができます。これによりスループットはいくらか向上しますが、個々のペイロードの質量は減少します。[61]
ケーブルの各部分の水平速度、つまり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て、地表と静止軌道の間の高度の約66%、つまり高度約23,400 kmの地点で低軌道速度に達する。この時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しながら、高度がLEOと同じ高度の近点と放出高度の遠点を持つ、高度が極めて偏心の大きい楕円軌道に入る。放出高度が上昇するにつれて、近点と遠点の両方が増加するため軌道の偏心は小さくなり、静止軌道レベルでは円形になる。[62] [63]
ペイロードが静止軌道に到達したとき、水平速度はその高度での円軌道の速度とまったく同じなので、もしペイロードが放出されたとしても、ケーブル上のその地点に隣接したままになる。ペイロードは静止軌道を超えてケーブルをさらに上っていくこともできるので、放出時により高い速度を得ることができる。10万キロの高さ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つことになる。[54]
宇宙エレベーターでペイロードが持ち上げられると、高度だけでなく水平速度 (角運動量) も増加します。角運動量は地球の自転から得られます。クライマーが上昇するとき、最初は、移動しているケーブルの各部分よりも遅く移動します。これがコリオリの力です。クライマーは上昇するにつれてケーブルを「引きずり」(西向き)、地球の自転速度をわずかに低下させます。ペイロードが下降する場合は逆のプロセスが発生します。ケーブルは東向きに傾き、地球の自転速度がわずかに増加します。
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、ケーブル上で物体が持ち上げられた後、カウンターウェイトは振り子のように垂直方向に戻ります。[61]宇宙エレベーターとその積荷は、質量の中心が常に静止軌道の高さより十分に高い位置にあるように設計され、[64]システム全体を支えます。持ち上げと下降の操作は、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できるように注意深く計画する必要があります。[65]
クライマーの速度は、コリオリの力、利用可能な電力、およびクライマー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ます。また、クライマーは、経済的かつ迅速に物質を上下に移動させるために、最低限の平均速度を維持する必要もあります。[66]時速300 km (190 mph) の非常に速い車や電車の速度では、静止軌道まで上昇するのに約5日かかります。[67]
登山家へのパワー
パワーとエネルギーはどちらも登山者にとって重要な問題です。登山者は、次の積荷のためにケーブルを通過するために、できるだけ早く大量の位置エネルギーを獲得する必要があります。
登山者にエネルギーを供給するためにさまざまな方法が提案されています。
- 登山中にワイヤレスエネルギー伝送を通じて登山者にエネルギーを伝送します。
- 登山中に、何らかの物質構造を通じて登山者にエネルギーを伝達します。
- 始動前にクライマー内にエネルギーを蓄えます。核エネルギーのような極めて高い比エネルギーが必要です。
- 太陽光発電 – 最初の40kmを過ぎると、太陽エネルギーを利用して登山者に電力を供給することが可能になる[68]
レーザーパワービームなどのワイヤレスエネルギー伝送は現在最も可能性の高い方法と考えられており、メガワット出力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、効率を上げ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です。未使用のエネルギーは、重量を増やす放熱システムで再放射する必要があります。
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夫氏は、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。[31]
カウンターウェイト
カウンターウェイトとして機能するいくつかの解決策が提案されています。
- 捕獲された重い小惑星[5] [69]
- 静止軌道を越えた位置にある宇宙ドック、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し、正味の上方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厚くするために使用された使用済みのクライマー、その他のジャンク品、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た資材が駐車されていた。[54]
ケーブルを延長すると、作業が簡単になるという利点があり、また、カウンターウェイト ケーブルの端まで到達したペイロードは地球に対してかなりの速度を獲得し、惑星間空間に打ち上げられるようになります。欠点は、質量のある入手可能なものなら何でも使用するのではなく、大量のケーブル材料を生産する必要があることです。
アプリケーション
深宇宙への打ち上げ
半径約53,100kmの宇宙エレベーターに取り付けられた物体は、放出された時点で脱出速度に達する。L1ラグランジュ点とL2ラグランジュ点への遷移軌道は、それぞれ50,630kmと51,240kmで放出され、50,960kmから月軌道に移行することで達成できる。[70]
ピアソンの144,000 km (89,000 mi) のケーブルの先端では、接線速度は毎秒10.93 km (6.79 mi/s) です。これは地球の重力場を脱出し、少なくとも木星まで探査機を送るには十分すぎる速度です。木星に到着すると、重力アシスト操作により太陽脱出速度に達することができます。[52]
地球外エレベーター
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い可能性がある。火星の表面重力は地球の 38 パーセントであるが、地球とほぼ同じ時間で自転している。このため、火星の静止軌道は表面にずっと近く、したがってエレベーターはずっと短くなる可能性がある。現在の材料はすでにそのようなエレベーターを建造するのに十分な強度がある。[71]火星のエレベーターの建造は、火星の衛星フォボスが低い軌道にあり、定期的に赤道を横切る（11 時間 6 分の公転周期ごとに 2 回）ため複雑になる。フォボスとダイモスは静止型宇宙エレベーターの邪魔になるかもしれないが、一方でプロジェクトに有用なリソースを提供する可能性がある。フォボスは多量の炭素を含むと予測されている。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にすぐに利用できるリソースを提供できる可能性がある。
フォボスは潮汐ロックされており、片側は常にその主要面である火星を向いています。その内側から 6,000 km 伸びるエレベーターは、火星の表面から約 28 km 上空、火星の大気の濃い部分のすぐ外側で終わります。反対方向に 6,000 km 伸びる同様のケーブルは最初のケーブルと釣り合うため、このシステムの重心はフォボスに残ります。全体として、宇宙エレベーターは 12,000 km 以上伸び、火星の静止軌道(17,032 km) より下になります。ロケットと貨物を表面から 28 km 上空の宇宙エレベーターの始点まで運ぶには、ロケットの打ち上げが必要です。火星の表面は赤道で毎秒0.25kmの速度で回転しており、宇宙エレベーターの底部は毎秒0.77kmの速度で火星の周りを回転しているため、宇宙エレベーターに到達するには毎秒0.52km（時速1872km）のデルタvのみが必要です。フォボスは毎秒2.15kmの速度で軌道を周回し、宇宙エレベーターの最外部は毎秒3.52kmの速度で火星の周りを回転します。[72] [73]
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を使用できるほど低いため、月宇宙エレベーターの潜在的な場所である。月は、エレベーターを遠心力で支えられるほど速く回転していない（地球に近いため、有効な月静止軌道はない）が、差動重力は、エレベーターをラグランジュ点を通じて構築できることを意味する。近側エレベーターは、地球の月の可視部分の中心近くのアンカーポイントから地球-月L1ポイントまで伸びる。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。[74]遠側月のエレベーターは、L2ラグランジュ点を通過するため、近側よりも長くする必要がある。この場合も、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、既存のエンジニアリング材料で作ることもできる。[74]
表面重力は 地球の3 ％未満
高速で回転する小惑星や衛星は、ケーブルを使って地球の軌道などの都合の良い地点に物質を放出することができる。[77]あるいは逆に、物質を放出して小惑星や衛星の質量の一部を地球の軌道やラグランジュ点に送ることもできる。物理学者で数学者のフリーマン・ダイソンは、太陽から遠く太陽光発電が経済的でない地点で、このような小型システムを発電機として使用することを提案した[要出典]。
ケント州立大学のフランシス・グラハムによれば、現在利用可能な工学材料を使用した宇宙エレベーターは、冥王星とカロン、または連星系小惑星90アンティオペの構成要素など、潮汐力によって互いに固定された世界の間に、末端を切断することなく建設できる可能性がある。[78]しかし、軌道が楕円形であるため、巻き付けられた可変長のケーブルを使用する必要があります。
工事
宇宙エレベーターの建設には、ある程度の技術的リスクの軽減が必要です。エンジニアリング、製造、物理技術の進歩が必要です。[2]最初の宇宙エレベーターが建設されると、2番目以降のすべての宇宙エレベーターは、以前のエレベーターを利用して建設できるため、コストが大幅に削減されます。このような後続の宇宙エレベーターも、最初の宇宙エレベーターの建設によって達成された技術的リスクの大幅な軽減の恩恵を受けるでしょう。[2]
2000 年のエドワーズの研究以前は、[16]宇宙エレベーターを建設するためのほとんどの構想では、ケーブルを宇宙で製造することになっていた。これは、このように大きく長い物体と、このような大きなカウンターウェイトには必要だと考えられていた。宇宙でのケーブル製造は、原則として、小惑星または地球近傍天体を原料として行われる。 [15] [79]これらの初期の建設構想では、小惑星を地球の周りの必要な軌道に誘導するために、大規模な既存の宇宙航行インフラが必要であった。また、大量の精密な材料を宇宙で製造するための技術の開発も必要であった。[35] : 326
2001 年以降、ほとんどの研究は、はるかに小さな宇宙インフラを必要とするより単純な建設方法に焦点を当ててきました。彼らは、長いケーブルを大きなスプールに巻き付けて打ち上げ、その後宇宙で展開することを構想しています。 [2] [16] [35] : 326 スプールは、計画されたアンカー ポイントの上空の静止軌道に最初に駐機されます。長いケーブルが「下向き」(地球に向かって) に落とされ、「上向き」(地球から離れて) に落とされる質量によってバランスが取られ、システム全体が静止軌道上にとどまります。以前の設計では、バランスを取る質量は上向きに伸びる別のケーブル (カウンターウェイト付き) であり、メインのスプールは元の静止軌道レベルにとどまると想定されていました。現在のほとんどの設計では、メイン ケーブルが繰り出されるとスプール自体が上昇しますが、これはより単純なプロセスです。ケーブルの下端が地球の表面 (赤道) に達するほど長くなると、ケーブルが固定されます。固定されると、質量の中心はさらに上昇します (上端に質量を追加するか、ケーブルをさらに繰り出すことによって)。これにより、ケーブル全体の張力が増し、エレベーター ケーブルとして使用できるようになります。
建設計画の 1 つは、従来のロケットを使用して、わずか 19,800 kg の「最小サイズ」の初期シード ケーブルを配置することです。[2]この最初の非常に小さなリボンは、最初の 619 kg のクライマーを支えるのに十分です。最初の 207 台のクライマーが、元のリボンにさらにケーブルを運び、取り付けることで、その断面積を増やし、最初のリボンを最も広い部分で約 160 mm の幅に広げます。その結果、クライマー 1 台あたり 20 トンの持ち上げ能力を持つ 750 トンのケーブルが完成します。
安全性の問題と建設上の課題
初期のシステムでは、地表から静止軌道までの移動時間は約5日間でした。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十分であるため、乗客はシールドで放射線から保護する必要があり、これによりクライマーの質量が増加し、積載量が減少しました。[80]
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。航空機は航空管制の制限により迂回される可能性がある。ケーブルの最大高度より低い近地点にある安定軌道上の物体で、ケーブルと同期していない物体はすべて、回避措置を取らない限り、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、移動可能なアンカー (海錨) を使用して、追跡できるほどの大きさの宇宙ゴミをテザーが「かわす」ようにすることである。[2]
隕石、微小隕石、軌道を回る人工の破片などの宇宙物体の衝突は、ケーブルに別の設計上の制約をもたらします。ケーブルは破片を避けて進むように、または破片が破損することなく衝撃を吸収するように設計する必要があります。[引用が必要]
経済
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上に送ることができるかもしれない。2022年の時点で、従来のロケットの設計では、静止軌道への搬送に1キログラムあたり約12,125ドル（1ポンドあたり5,500ドル）のコストがかかる。 [81]現在の宇宙エレベーターの提案では、ペイロードの価格が1キログラムあたり220ドル（1ポンドあたり100ドル）から始まると想定されている。 [82]これは、打ち上げループの1キログラムあたり5～300ドルの見積もりと同程度だが、ジェリー・パーネル博士に軌道飛行船システムについて提示された、500キロ軌道までのトンあたり310ドルよりも高い。[83]
『宇宙エレベーターで地球を離れる』の共著者フィリップ・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制御できる可能性がある」と述べている。[84]
国際宇宙エレベーターコンソーシアム（ISEC）
国際宇宙エレベーターコンソーシアム（ISEC）は、米国の非営利501(c)(3)法人[85]であり、「全人類のための宇宙への革新的で効率的な手段」としての宇宙エレベーターの開発、建設、運用を促進するために設立されました。[86] 2008年7月にワシントン州レドモンドで開催された宇宙エレベーター会議の後に設立され、 2013年8月に全米宇宙協会[87]の関連組織になりました。 [86] ISECはシアトル航空博物館で毎年宇宙エレベーター会議を主催しています。[88] [89] [90]
ISECは、宇宙エレベーターに焦点を当てた他の2つの主要な協会、日本宇宙エレベーター協会[91]とEuroSpaceward [92]と連携しています。ISECは、毎年、 国際宇宙航行アカデミー[93]と国際宇宙連盟会議[94]でのシンポジウムや発表をサポートしています。
関連概念
「宇宙エレベーター」の従来の現在の概念は、静止軌道の高さまで達する静的圧縮構造から、地面に固定され静止軌道の高さよりはるかに上まで伸びる静的張力構造という現代の基本的な考え方に進化しました。専門家による現在の用法（およびこの記事）では、「宇宙エレベーター」は国際宇宙エレベーターコンソーシアムが考えるツィオルコフスキー・アルツタノフ・ピアソン型を意味します。この従来のタイプは、地面に固定され、貨物が地面から構造物を登って簡単に放出できるレベルまで宇宙に伸びる静的構造です。 [ 95]
この現代の基準に関連するいくつかの概念は、通常「宇宙エレベーター」とは呼ばれないが、ある意味では類似しており、その提唱者によって「宇宙エレベーター」と呼ばれることもある。例えば、ハンス・モラベックは1977年に「非同期軌道スカイフック」という回転ケーブルを使用する概念を説明した記事を発表した。[96]回転速度は軌道速度と正確に一致し、最低地点での先端速度は「持ち上げる」対象物と比較してゼロになる。動的に掴み、高高度の物体を軌道に「持ち上げ」、低軌道の物体をより高い軌道に「持ち上げる」。
ツィオルコフスキーが最初に構想した概念は、空中マストに似た圧縮構造だった。このような構造は宇宙（100 km、62マイル）に達するかもしれないが、静止軌道に到達する可能性は低い。ツィオルコフスキータワーと古典的な宇宙エレベーターケーブル（静止軌道より上まで到達）を組み合わせた概念が提案された。[6]他のアイデアでは、非常に高い圧縮タワーを使用して打ち上げ機への要求を軽減している。[97]機体はタワーの上まで「持ち上げられ」、タワーは大気圏より上まで伸びる可能性があり、上から打ち上げられる。20 km（12マイル）の近宇宙高度に到達するためのこのような高いタワーは、さまざまな研究者によって提案されている。[97] [98] [99]
エアロベーターは、宇宙エレベーターについて議論していたヤフーグループによって発明され、2009年に出版された宇宙エレベーターに関する本にも掲載された概念である。これは、地上のハブから斜め上方に伸び、その後水平になる長さ1000kmを超えるリボンで構成される。航空機は円を描いて飛行しながらリボンを引っ張り、リボンは先端が毎秒8kmで移動しながら、13分ごとにハブの周りを1回転する。リボンは、空気力学的揚力と遠心力の組み合わせによって空中に留まる。ペイロードはリボンを登り、高速で移動する先端から軌道に打ち上げられる。[100]
宇宙エレベーター（または宇宙エレベーターの一部）に関連するロケット以外の宇宙打ち上げの概念としては、軌道リング、宇宙ファウンテン、打ち上げループ、スカイフック、宇宙テザー、浮力のある「スペースシャフト」などがあります。[101]
注記
- ^ 因子を生成するために使用された特定の置換4.85 × 10 7 :
![{\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho \times 9.81\times (6.378\times 10^{6})^{2}}{T}}\left({\frac {1}{6.378\times 10^{6}}}+{\frac {(6.378\times 10^{6})^{2}}{2(4.2164\times 10^{7})^{3}}}-{\frac {1}{4.2164\times 10^{7}}}-{\frac {(4.2164\times 10^{7})^{2}}{2(4.2164\times 10^{7})^{3}}}\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/488f8fb80b85d882cec55b0283a0b64ab410df64)
参照
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主な障害は、ケーブルに必要な軽さと強度を兼ね備えた素材が知られていないことだ。ケーブルは自重を支えなければならない。カーボンナノチューブは可能性としてよく取り上げられるが、必要な強度対重量比の10分の1程度しかなく、数千キロメートルどころか数センチ以上のフィラメントにすることは不可能だ。別の珍しい炭素材料であるダイヤモンドナノスレッドはもっと強いかもしれないが、その特性はまだよくわかっていない。
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さらに読む
- 1999 年にアラバマ州ハンツビルの NASA マーシャル宇宙飛行センターで開催された、静止軌道テザー「宇宙エレベーター」コンセプトに関する先進宇宙インフラストラクチャ ワークショップの成果に基づく会議出版物。Wayback Machineで 2015 年 3 月 28 日にアーカイブ (PDF)。DV スミザーマン ジュニアが編集し、2000 年 8 月に発行。
- 「超大規模宇宙プロジェクトの政治経済学」HTML PDF、ジョン・ヒックマン博士、進化と技術ジャーナル第 4 巻 – 1999 年 11 月
- 天に昇る者 ブラッドリー・カール・エドワーズ著
- Ziemelis K. (2001)「Going up」。New Scientist 2289 : 24–27。SpaceRefで再公開。Wayback Machineで2022年1月12日にアーカイブ。表紙：「偉大な宇宙エレベーター：私たち全員を宇宙飛行士に変える夢の機械。」
- 宇宙エレベーターが現実に近づいています。space.com の Leonard David による概要、2002 年 3 月 27 日発行
- クリシュナスワミ、スリダル。応力解析 - 軌道タワー (PDF)
- LiftPortの Elevator To Space SE ロードマップ (PDF)
- 志賀、デイビッド (2008 年 3 月 28 日)。「宇宙エレベーターは揺れの問題に直面」。ニューサイエンティスト。
- Alexander Bolonkin、「非ロケット宇宙打ち上げと飛行」。Elsevier、2005年。488ページ、ISBN 978-0-08044-731-5。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、宇宙エレベーターに関連するメディアがあります。
- エコノミスト: 宇宙エレベーターを待つ (2006 年 6 月 8 日 – 購読が必要)
- CBCラジオ Quirks and Quarks 2001年11月3日宇宙エレベーターに乗る
- タイムズ・オブ・ロンドン・オンライン：上へ上へ…そして次の階は宇宙空間
- 宇宙エレベーター：「思考実験」か、宇宙への鍵か？ 2020年2月1日にWayback Machineにアーカイブ。アーサー・C・クラーク卿著。第30回国際宇宙会議での演説、ミュンヘン、1979年9月20日
- 国際宇宙エレベーターコンソーシアムのウェブサイト
- SF百科事典の宇宙エレベーターの項目