スタートラム

スタートラムは、磁気浮上技術で推進される宇宙打ち上げシステムとして提案されている。最初の第1世代施設は、高度3～7キロメートル（9,800～23,000フィート）の山頂から、地元の地表レベルにとどまる真空管を使用して貨物のみを打ち上げることが提案されている。年間軌道揚力は約15万トンと推定されている。乗客用の第2世代システムには、より高度な技術が必要であり、代わりにより長い軌道が高度22キロメートル（72,000フィート）の薄い空気に向かって徐々に曲がって上昇し、磁気浮上によって支えられ、各カプセルが真空管から大気圏に移行する際の重力加速度が軽減される。SPESIF 2010のプレゼンテーションでは、資金が2010年に開始されれば第1世代は2020年以降に完成し、第2世代は2030年以降に完成すると述べられた。^[1]

ジェームズ・R・パウエルは、 1960年代に同じくブルックヘブン国立研究所の同僚ゴードン・ダンビーとともに超伝導磁気浮上式のコンセプトを発明し、これが後に現代の磁気浮上式列車に発展した。^{[1]その後、パウエルは、1974年から1997年まで}ブルックヘブン国立研究所に勤務し、再突入加熱や極超音速機の設計などの専門知識を持つ航空宇宙エンジニアのジョージ・メイズ博士とともに、StarTram, Inc. を共同設立した。^[2]

StarTramの設計は、2001年の論文^[3]と特許^[4]で初めて発表され、 1994年のMagLifterに関する論文を参照しています。NASAの高度概念研究部門のマネージャーであったジョン・C・マンキンスによって開発されたMagLifterのコンセプトは、短い軌道で数百m/sの磁気浮上打ち上げアシストと90%の効率を予測していました。^{[6] StarTramは本質的にMagLifterをはるかに極端にしたものであることに留意し、MagLifterとStarTramの両方が、翌年ZHAによってNASA}ケネディ宇宙センター向けに実施されたコンセプト研究で議論され、 PowellとDanbyとのMaglev 2000でも一緒に検討されました。^{[7] [8] [9]}

その後の設計では、StarTramは第1世代バージョン、第2世代バージョン、および代替の第1.5世代バージョンに変更されました。^[1]

NASAの宇宙技術（プログラム開発）部門の副部長を務めたジョン・ラザー氏は次のように述べている^[10]。

1990 年代半ばに NASA 本部、マーシャル宇宙飛行センター、および主要な民間イノベーターによって、宇宙へのアクセスと開発の基本的なパラダイムを変更する取り組みが行われたことはあまり知られていない事実です。一般的に、これらの取り組みには、電磁気による打ち上げ方法と、宇宙での高出力電気システムの新しいアプローチが含まれていました。...

StarTram は、宇宙へのアクセスのコストを削減し、効率を 100 倍以上向上させるという基本原理から考案されました。...

StarTram アプローチの全体的な実現可能性とコストは、2005 年にサンディア国立研究所で実施された徹底的な「マーダー ボード」研究によって検証されました。

— ラザー博士^[11]

Gen-1システムは、無人機を30Gで加速し、長さ130キロメートル（81マイル）のトンネルを通過することを提案しており、プラズマウィンドウにより、出口の機械式シャッターが短時間開いてMHDポンプで空気が排出される際に真空が失われるのを防ぐ。（プラズマウィンドウは以前の構造よりも大きく、直径3メートル（9.8フィート）に対して推定2.5MWの電力消費量）。^[12] 参照設計では、出口は高度6,000メートル（20,000フィート）の山頂の表面にあり、10度の角度で毎秒8.78キロメートル（5.46マイル/秒）の打ち上げ速度で貨物カプセルを低地球軌道に運び、小型ロケットの燃焼により毎秒0.63キロメートル（0.39マイル/秒）の速度で円軌道に乗せる。東に発射すれば地球の自転によるボーナスも加わり、公称軌道速度をはるかに超える追加速度が、大気抵抗による毎秒0.8キロメートル（0.50マイル/秒）を含む上昇中の損失を補う。^{[1] [13]}

直径 2 メートル (6 フィート 7 インチ)、長さ 13 メートル (43 フィート) の 40 トンの貨物船は、大気圏通過の影響を受ける可能性があります。有効抗力係数が 0.09 の場合、山から発射された細長い発射体の最大減速は瞬間的に 20 gですが、最初の 4 秒以内に半分になり、残りの大気圏の大部分の上を素早く通過するにつれて減速が続きます。

発射管から出た直後、最適な先端形状での加熱率はよどみ点で約30kW/cm ²ですが、先端の大部分ではそれよりはるかに低く、数秒以内に10kW/cm ^{2以下に低下します。 [1]蒸散水冷却が計画されており、短時間で1秒あたり最大}約100リットル/m ²の水を 消費します。発射体の質量の数パーセントの水で十分であると計算されています。^[1]

Gen-1のトンネルチューブ自体には超伝導体はなく、極低温冷却の必要もなく、いずれも地元の地表より高い高度にはありません。電力貯蔵方法としてSMESが使用される可能性を除いて、超伝導磁石は移動中の宇宙船にのみあり、加速トンネルの壁にある比較的安価なアルミニウムループに電流を誘導して、宇宙船を10センチメートルのクリアランスで浮上させます。一方、壁にある2番目のアルミニウムループセットは、宇宙船を加速する交流電流を流します。これはリニア同期モーターです。^[1]

パウエルは、当時の低地球軌道へのロケット打ち上げ価格が1キログラムあたり1万ドルから2万5千ドルであったのに対し、1日に10回以上35トンのペイロードを打ち上げる場合、総費用（主にハードウェア費用）はペイロード1キログラムあたり43ドルになると予測している。 ^[14]低地球軌道の速度に到達するための電気エネルギーの推定コストは、ペイロード1キログラムあたり1ドル未満であり、現代の産業用電力コストは1キロワット時あたり6セント、毎秒8.78キロメートル（5.46マイル/秒）の打ち上げ運動エネルギーは1キログラムあたり38.5 MJ、ペイロードの質量の87.5%がこのリニア電気モーターによって高効率で加速される。^{[1] [15]}

スタートラムの第2世代は、再利用可能な有人カプセル用で、低重力加速度、発射管内での2～3Gの加速度、ピーク時の空気力学的減速が約1Gになるような高高度（22キロメートル（14マイル））での脱出を意図している。^{[1] NASAのテストパイロットは、その}重力加速度を複数回扱ったことがあるが、^[17]低加速度は、一般の人々にも広く利用できるようにすることを意図している。

このように比較的ゆっくりとした加速のため、Gen-2 システムは 1,000 ～ 1,500 キロメートル (620 ～ 930 マイル) の長さを必要とする。チューブの長さの非高架部分の大部分のコストは、1 キロメートルあたり数千万ドルと推定されており、これは以前の超伝導超大型加速器プロジェクト (当初は 20 億ドルで 72 キロメートル (45 マイル) の直径 5 メートル (16 フィート) の真空トンネルを掘削する予定だった) のトンネル部分、またはパウエルの Maglev 2000 システムが大幅なコスト削減のさらなる革新を主張している既存の磁気浮上鉄道路線の単位長さあたりの費用とほぼ同程度である。[ 1 ^]南極の海抜 3 キロメートル (9,800 フィート) の地域は、特に氷床をトンネルで通り抜けるのが比較的容易であると考えられているため、1 つの設置場所の選択肢である。^[18]

末端部分の高架化については、設計上、マスドライバーの発射管を高架化する他の方法（係留気球、^[19]圧縮または膨張した航空宇宙材料の巨大構造物）よりも磁気浮上が比較的安価であると考えられている。^[20] 地上ケーブルの280メガアンペアの電流は、海抜22キロメートル（72,000フィート）（場所の選択に応じて地元の地形よりいくらか低い）で30ガウスの磁場を生成する。一方、管の最終部分の高架化ケーブルは反対方向に14メガアンペアの電流を流し、1メートルあたり4トンの反発力を生み出す。これにより、1メートルあたり2トンの構造物が角度の付いた係留ロープを強く押し上げ、大規模な張力構造を維持するとされている。 ^[3] 2×105^アンペア/cm2の電流^を流すニオブチタン超伝導体の例では、銅安定器を含めると、浮上プラットフォームには7本のケーブルがあり、それぞれの導体断面積は23cm2（3.6平方インチ）になります^。 [ ^4]

代替案である Gen-1.5 では、海抜約 6000 メートルの山頂から、約3 gで加速する約270 キロメートル (170 マイル) のトンネルを経由して、毎秒 4 キロメートル (2.5 マイル/秒) で旅客宇宙船を打ち上げることになります。

建造コストは Gen-2 バージョンよりも低くなるが、Gen-1.5 は他の StarTram バリアントとは異なり、ロケット推進などの他の手段で 4 km/s 以上を提供する必要がある。しかし、ロケット方程式の非線形性により、このような車両のペイロード率は、電磁打ち上げの支援を受けない従来のロケットよりも大幅に大きくなり、利用可能な重量マージンと安全係数が高い車両は、現在の 8 キロメートル/秒 (5.0 マイル/秒) のロケットよりも安価に大量生産したり、迅速なターンアラウンドで再利用したりすることがはるかに容易になる。パウエル博士は、現在の打ち上げ車両は「非常に限られた冗長性で、故障点近くで動作する多くの複雑なシステムを備えている」と述べ、重量に対するハードウェア性能の極端さが費用の最大の要因となっている (燃料自体は、現在の軌道投入コストの 1%程度である)。^{[21] [22]}

あるいは、Gen-1.5は、HASTOLコンセプトに似た運動量交換テザーのようなロケット以外の宇宙打ち上げシステムと組み合わせることもできる。HASTOLコンセプトは、秒速4キロメートル（2.5マイル/秒）の宇宙船を軌道に乗せることを目的としていた。テザーは非常に指数関数的にスケーリングされるため、現在の技術を使用してそのようなテザーを構築する方が、単独で完全な軌道速度を提供するものよりもはるかに簡単である。^[23]

この提案における発射トンネルの長さは、乗客にかかる力の大きさに応じて短縮できる。長さ約50～80キロメートル（31～50マイル）のトンネルでは、約10～15gの力が発生するが、体力に優れたテストパイロットは遠心分離機テストでこの力に耐えることができた。しかし、加速を緩めてトンネルを長くすれば、乗客の負担が軽減され、ピーク時の電力消費が減り、その結果、電力調整費用も削減できる。^{[1] [17] [24]}

スタートラム地上施設のコンセプトは、本質的には大型のリニア同期電動モーターであるため、打ち上げのたびに大規模なメンテナンスなしで再利用できると言われています。これにより、「軌道に到達するための要件」のほとんどが堅牢な地上インフラストラクチャに移行しますが、重量要件に比べて高性能になることはなく、スペースシャトルの飛行可能な乾燥重量1キログラムあたり25,000ドルのコストもかかりません。^[8]設計者は、第1世代の建設コストを190億ドルと見積もっており、乗客を乗せることができる第2世代では670億ドルになります。^[1]

代替となる第1.5世代の設計では、打ち上げ速度が毎秒4キロメートル（2.5マイル）とされており、これは速度の点では第1世代の毎秒8.8キロメートル（5.5マイル）とマグリフターの設計（50トンの車両の場合、毎秒0.3キロメートル（0.19マイル）の打ち上げアシストに2億ドルの費用がかかると推定されている）の中間となる。 ^{[1] [25]}

第2世代の目標は1人当たり13,000ドルである。推定通りであれば、第2世代施設1つあたり10年で最大400万人を軌道上に送ることができる。^[1]

研究者らは、Gen-1の最大の課題は、十分に手頃な価格のストレージ、迅速な配送、および電力要件の処理であると考えている。^[18]

必要な電気エネルギー貯蔵（平均約 50 ギガワット、ピーク約 100 ギガワットで 30 秒間放電）の場合、このような異例の規模でのSMES のコストパフォーマンスは、キロジュールあたり約 1 ドル、kW ピークあたり 20 ドルと予想されます。^[1]これは規模的には目新しいものですが、計画されているコストパフォーマンスは、他のより小さなパルス電力エネルギー貯蔵システム（1998 年から 2006 年の間にコストが 151 ドル/kJ から 2.85 ドル/kJ に低下し、後に 1 ドル/kJ に達すると予測されている最新の急速放電スーパーキャパシタ、^[26]数秒間 kW ピークあたり 10 ドルになる鉛蓄電池、または実験的なレールガンコンパルセータ電源など）で得られるものとそれほど変わりません。この研究では、パルスMHD 発電機が代替手段になる可能性があると指摘しています。 ^[1]

マグリフターの場合、ゼネラルエレクトリックは1997年から2000年にかけて、水力フライホイールパルス発電機一式を1kJあたり5.40ドル、kWピークあたり27ドルのコストで製造できると見積もった。^[6]スタートラムの場合、SMES設計の選択はパルス発電機よりも優れた（より安価な）アプローチであるとパウエルは述べている。^[1]

Gen-1の予測される最大の資本コストは、最初のDC放電からAC電流波までの電力調整であり、最大100ギガワットの非常に高い電力を数秒間処理し、コストはkWピークあたり100ドルと見積もられています。^{[1]しかし、パルス電力スイッチングデバイスに対する要件が比較的高い}コイルガンランチャーの他の潜在的な実装（1977年のNASAエイムズ研究で地上打ち上げから大気圏通過を乗り切る方法を決定した後の7.8キロメートル（4.8マイル）の長さの脱出速度設計など）と比較すると、必ずしも半導体ベースではありませんが、^{[27] Gen} -1の130キロメートルの加速管の長さは、エネルギー入力要件をより長い加速期間に分散させます。これにより、ピーク入力電力処理要件は、車両1トンあたり約2GW以下になります。トンネル自体の費用が大きくなるというトレードオフが発生しますが、トンネルは1立方メートルあたり1500ドルの掘削を含めて約44億ドルと見積もられており、システム全体のコストのわずかな部分です。^[1]

現在の地上速度記録である秒速 2.9 km は、主にヘリウムガスで満たされたトンネル内の 5 km の線路をそりで走行し、2,000 万ドルのプロジェクトで達成されました。^{[29]山の表面から秒速 4 km で旅客用}RLV を 打ち上げる StarTram の Gen-1.5 バージョンは、はるかに大きな車両で、速度が大幅に向上します。ただし、空気やガスの抵抗のない長い真空トンネルで加速し、浮上によりレールの超高速接触を防ぎ、予想される資金は 3桁高くなります。初期資本コストが高いなど、多くの課題は Gen-1 と重複しますが、Gen-2 のような浮上発射管はありません。^[1]

Gen-2では、発射管が高架化されており、車両と発射管の一部が浮上するため、特に課題が増す（車両のみを浮上させるGen-1とGen-1.5とは異なる）。2010年現在、稼働中の磁気浮上システムでは、列車を約15ミリメートル（0.59インチ）浮上させている。^{[31] [32]} StarTramのGen-2バージョンでは、最大22キロメートル（72,000フィート）にわたって線路を浮上させる必要があり、これは150万倍もの距離である。

2 本の導電線の間に働く力は、（アンペールの力の法則）で表されます。ここで、F は力、透磁率、電流、線の長さと距離です。空中（≈ 1）で 20 キロメートル（12マイル）の距離にわたって 4,000 kg/m（8,100 lb/yd）を及ぼすには、地上で≈ 280 x 10 ⁶ A、浮遊している場合は≈ 14 x 10 ⁶ Aが必要です。比較すると、雷の場合、最大電流は約 10 ^{5 A です（}雷の特性を参照）。ただし、導体を流れる電流に伴う抵抗による電力消費は電圧降下と比例し、空中での雷放電では数百万ボルトと高くなりますが、抵抗ゼロの超伝導体では理想的にはゼロになります。 ${\displaystyle F=(\mu I_{1}I_{2}l)/(2\pi r)}$${\displaystyle \mu =\mu _{0}\mu _{r}}$${\displaystyle I_{1},I_{2}}$${\displaystyle l}$${\displaystyle r}$${\displaystyle \mu_{r}}$${\displaystyle I_{1}}$${\displaystyle I_{2}}$

ニオブチタン超伝導体の性能は技術的には十分である（浮上プラットフォームの関連磁場条件下での臨界電流密度は 5 x 10 ⁵ A/cm ^{2 、安全係数を加算すると実際の値の 40%）が、 [4]}経済性に関する不確実性には、Gen-1 で想定されている 1 kA メートルあたり 2 ドルと比較して、Gen-2 では 1 kA メートルあたり 0.2 ドルというはるかに楽観的な想定が含まれる（Gen-1 では打ち上げ管のいずれも浮上させず、大型SMESと打ち上げられた磁気浮上機内に超伝導ケーブルを使用する）。^[1] NbTi は、冷却に利用可能な規模の経済性に基づいて設計されたもので、現在 1 kA メートルあたり 1 ドルのコストであるのに対し、高温超伝導体は、導体自体のコストがこれまでのところ 1 kA メートルあたりまだはるかに高い。^[33]

最大10gの加速度（アポロ16号の再突入加速度よりも高い）の設計を考慮すると^[34]、Gen-2システムの旅客バージョンでは、トラック全体の長さは少なくとも326キロメートル（203マイル）である必要があります。この長さであれば、無限線の近似を使用して力を計算することができます。前述では、トラックの最後の部分のみが浮上していることを無視していますが、より複雑な計算でも、トラックの単位長さあたりの力の結果は10〜20％（f _gl = 1ではなく0.8〜0.9）しか変わりません。^[4]

研究者自身は、発揮される力の点では浮上が機能するかどうか（アンペールの力の法則の結果）に疑問の余地はないと考えているが、主な課題はチューブの組み立てに関する実際的な工学的複雑さであると考えている。 ^[18]一方、工学分析の大部分は、風による曲がりの処理に重点が置かれている。^[4]アクティブ構造は、高高度の非常に薄い空気中で風を受けると、1キロメートルあたり数分の1メートル曲がると計算されており、わずかな曲率は理論的には誘導ループによって処理され、構造重量を超える正味の浮上力は風の力を200倍以上上回り、テザーをぴんと張った状態に保ち、コンピューター制御の制御テザーの助けを借りている。^[4]

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