スペースエレベーター

宇宙エレベーターとは何ですか?

宇宙エレベータは、地面を軌道に接続し、移動することが可能な物理的構造である。 このコンセプトの多くのバージョンは、アーサー・C・クラークの小説「The Fountains of Paradise」のように、一般の人々に宇宙エレベーターを普及させたように、研究者やSF小説家によって想像されました。 宇宙エレベーターに関するNASAの研究報告が1999年に発表されました。

宇宙エレベーターが何であるかを理解するには、赤道と静止軌道の間に垂直に伸びたロープを想像してください。 この軌道を少し越えて、ロープは、例えばアステロイドのような大きな塊に取り付けられ、完全な構造の平衡点が正確に静止軌道になるようにする。 このシステムは理論的に安定であり、それ自体を維持するためにエネルギーを必要としない。 ビデオイラスト:

宇宙エレベーター、それは誰のためのものなのですか?

地上と静止軌道との間にこのような構造を構築できれば、地面と軌道の間に人や機器、エネルギーを運ぶことができるリフトをそこに移動できます。このタイプの構造を非常に魅力的にするのは、ロケットの使用に比べてエネルギーコストが非常に低いということです。これは、宇宙へのアクセスコストを1キログラムあたり約10ドルに引き下げることができる技術の一種です。

地上軌道と静止軌道との間の伝達機能に加えて、宇宙エレベータに関連する多くの機能を見つけることができる。例えば低軌道で停止する可能性があります。しかし、この高度で放置されたペイロードは、自ら公転するために毎秒数キロメートルの加速を提供するはずです。同様に、宇宙エレベータを静止軌道よりもさらに伸ばすことによって、地球の軌道の解放速度に達し、惑星間軌道上にペイロードを置くことが可能である。ちなみに、宇宙エレベータは、半球全体のニーズをカバーすることができる巨大な通信リレーとして機能することができる。

スペースエレベーターの可能性は、私たちがいつかそれを構築できるなら、巨大です。最も高い人工構造は、現在830メートルに上昇するドバイのブルジュハリファタワーです。理論的には、現在の材料と工法で数キロメートルの高さの作品を実現することが可能です。しかし、静止軌道は海面より約36,000キロメートル上にある。従って、宇宙エレベータは大きな工学的課題である。

宇宙エレベーターを構築するには?

そこに着くには、2つの可能性があります。圧縮構造、すなわち自重によって維持される塔に頼ることができる。これは、Constantin Tsiolkovskyが宇宙エレベーターを想像したときに想像したアプローチです。彼にインスピレーションを与えたのはエッフェル塔だった。あるいは、地上軌道を越えて配置された釣り合いおもりと地面との間の張力に依存する構造を想像することができます。これは、遠心効果のために緊張したロープのようです。最も最近の設計では、既知の最も耐性の高い材料が圧縮力よりもはるかに優れた引張力に対する抵抗力を有するという理由だけで、好ましい第2の解決策である。

今日最も耐性のある材料の例を挙げると、エポキシタワーを構築したい場合は、122キロメートルまでの圧縮で自重を支えることができます。逆に、炭素繊維強化プラスチック構造体を吊り下げると、最大373kmの張力で自重を支えることができます。どちらの場合も、私たちは常に必要な高さから離れています。 2つのアプローチを組み合わせることは、圧縮力に基づいて3000kmのタワーをエレベータの基部に設置することによって興味深いことがあります。張力のある構造の質量を150分の1に減らすことが可能になります。しかし、材料についてもまだ重要な進展があります。

理想的には、宇宙エレベータの中央構造は、自重によるストレスを制限するためにできるだけ軽くなければならないが、ここでは信じられないほどの力の下で破損しないほど十分に強くなければならない。例えば、構造が張力を受けている宇宙エレベータ一方の側の重力が引っ張られ、他方の遠心力が釣り合い錘に関連する場合、これは戦争のようなもので、各チームには10万人がいる。

カーボンナノチューブ

数年前、カーボンナノチューブの発見は、いくつかの材料が宇宙エレベータを支持するために必要な強度を有することを実証した。しかし、カーボンナノチューブの製造はまだ実験的であり、限られており、宇宙エレベータは膨大な量の材料を必要とする巨大な構造物である。同様に、宇宙エレベータの建造は作業の始まりに過ぎず、それを維持することができなければなりません。宇宙エレベータは、最下部の気象条件、最上部のマイクロ隕石や宇宙デブリにさらされます。最小の損害さえも構造全体の完全性を危険にさらす可能性があります。壊れた場合、宇宙エレベーターの下の地域での落下は壊滅的なものになります。

宇宙エレベーターの費用はいくらですか?

宇宙エレベーターの関心を決定づける重要な問題の1つは、経済的な収益性のままです。宇宙エレベータは、民間航空と同様の速度で宇宙へのアクセス価格を引き下げる可能性がある。しかし、製造と保守のコストを追加すれば、宇宙エレベーターは多くの国の経済的努力を伴う国際的なプロジェクトになるでしょう。必要な投資があれば、宇宙エレベーターを利益にするには長年の搾取が必要です。宇宙エレベータの役割は非常に特有であり、最も一般的な設計では、静止軌道のみが効率的に供給される。低軌道では、追加の加速が行われなければならず、赤道面は惑星間軌道に最適なものとはほど遠い。最後に、宇宙エレベータを構築するのに十分耐性のある材料を開発できれば、これらの材料を使って高性能で再利用可能なロケットを作ることができ、宇宙エレベータの関心をさらに下げることができます。

スペースエレベーター

月面宇宙エレベータははるかに現実的なプロジェクトです。月の減少した重力は、すでによくマスターされた材料、例えばケブラーを用いてエレベータを構築することを可能にする。月面と地球月システムのL1ラグランジュ点の間に立てられたエレベータは、例えば宇宙生息地の建設のための貴重な月の材料を抽出するための効果的な方法であろう。地上と軌道の間ではなく、異なる軌道間ではるかに単純な宇宙エレベータを想像することもできます。例えば、エレベータの低軌道部分に重心を置くことによって、高度150kmの大気の真上に吊り下げられます。したがって、シンプルなデザインのシングルステージロケットで参加することができます。このような宇宙エレベータが赤道面上にある必要はないため、ペイロードは低軌道または惑星間軌道上で解放される可能性があります。

宇宙エレベーターに入る

スペースエレベーターは、長い間SFのままになる可能性が高い。今後数十年間に必要な材料が開発されたとしても、特にロケットが最終的に宇宙へのアクセスコストを削減することを約束しているように見える場合には、経済的利益が企業や国家に押し上げることはまずありません。再使用が約束を守っていれば、宇宙エレベーターのコンセプトについてもう一度話す前に何世紀にもわたるでしょう。近い将来、宇宙エレベータに近い他のコンセプトを実装することができます。これは、例えば、低コストでペイロードの軌道を変更するために2本の長いケーブルを使用する捕捉推進の場合です。

ソース

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Credits :
Space elevator first image by NASA
Space Elevator In Clouds by Liftport [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], from Wikimedia Commons
Space elevator in motion viewed from above north pole, 13 May 2014 by Skyway
Nano carbon by German Wikipedia, original upload 29. Dez 2004 by APPER