宇宙エレベーターのしくみ

スペースシャトルコロンビアが1981年4月12日にフロリダ州ケネディ宇宙センターから離陸し、最初のスペースシャトルミッションを開始したとき、再利用可能な宇宙船の夢が実現しました。それ以来、NASAは100以上のミッションを開始しましたが、宇宙ミッションの値札はほとんど変わっていません。スペースシャトルであろうと再利用不可能なロシアの宇宙船であろうと、打ち上げの費用は1ポンドあたり約10,000ドル（1 kgあたり22,000ドル）です。

開発中の新しい宇宙輸送システムは、静止地球軌道（GEO）への旅行を毎日のイベントにし、世界経済を変革する可能性があります。

沖合の海のプラットフォームに固定されたカーボンナノチューブ複合リボンで作られた宇宙エレベーターは、宇宙に約62,000マイル（100,000 km）の小さな釣り合いおもりまで伸びます。次に、リボンに取り付けられた機械式リフターがリボンを登り、貨物と人間を宇宙に運びます。価格は1ポンドあたりわずか約100ドルから400ドル（1 kgあたり220ドルから880ドル）です。

この記事では、宇宙エレベーターのアイデアが空想科学小説から現実にどのように移行しているかを見ていきます。

コンテンツ

1. 宇宙エレベーターリボン
2. 宇宙エレベーターを上に乗せる
3. 宇宙エレベーターのメンテナンス
4. 宇宙エレベーターの影響

宇宙エレベーターの概念をよりよく理解するために、ロープが一方の端でポールに取り付けられ、もう一方の端でボールに取り付けられているゲームテザーボールを考えてみてください。この例えでは、ロープはカーボンナノチューブ複合リボン、ポールは地球、ボールはカウンターウェイトです。ここで、ボールがポールの周りで永続的に回転し、ロープをぴんと張った状態に保つほどの速さで配置されていると想像してください。これが宇宙エレベーターの一般的な考え方です。カウンターウェイトは地球の周りを回転し、ケーブルをまっすぐに保ち、ロボットリフターがリボンを上下に移動できるようにします。

LiftPortによって提案された設計では、宇宙エレベーターの高さは約62,000マイル（100,000 km）になります。 LiftPortは、宇宙エレベーターまたはそのコンポーネントの計画を策定しているいくつかの企業の1つです。2006年10月にニューメキシコ州ラスクルーセスで開催されたXプライズカップの宇宙エレベーターゲームで、世界中のチームが$ 400,000の一等賞を競う予定です。

エレベーターの目玉は、幅がわずか数センチで、紙とほぼ同じ薄さのカーボンナノチューブ複合リボンです。1991年に発見されたカーボンナノチューブは、科学者に宇宙エレベーターを建設できると信じさせるものです。SpacewardFoundationのDr.Bradley Edwardsによると、「以前は材料の課題が大きすぎました。しかし、今では、カーボンナノチューブの作成と、作成に必要な膨大な長さの材料を紡ぎ出すことができる機械の構築の進歩に近づいています。宇宙に伸びるリボン」[ ref ]。

カーボンナノチューブは、鋼の100倍の強度があり、プラスチックと同じくらい柔軟性があります。カーボンナノチューブの強さは、サッカーボールに似た独特の構造にあります。科学者がカーボンナノチューブから繊維を作ることができるようになると、宇宙エレベーターのリボンを形成する糸を作ることが可能になります。以前に入手可能な材料は、リボンを形成するには弱すぎるか柔軟性がなく、簡単に壊れていたでしょう。

リフトポートグループのリサーチディレクターであるトム・ニュージェントは、次のように述べています。

リボンは2つの方法で作成できます。

ナノチューブの長いリボンが作成されると、それは軌道に打ち上げられるスプールに巻かれます。スプールを運ぶ宇宙船が特定の高度、おそらく低軌道に達すると、スプールが解かれ始め、リボンが地球に戻ります。同時に、スプールはより高い高度に移動し続けます。リボンが地球の大気圏に降ろされると、リボンは捕らえられて降ろされ、海の可動プラットフォームに固定されます。

リボンは、宇宙への一種の鉄道の線路として機能します。次に、機械式リフターを使用してリボンを宇宙に登ります。

宇宙エレベーターの測定方法

リボンを作成すると、現代世界の驚異を表し、これまでに作成された中で最も高い構造になります。2005年に世界で最も高い自立型タワーがCNタワーであると考えてください。これは、カナダのトロントから1,815フィート5インチ（553.34メートル）の高さにあります。宇宙エレベーターはCNタワーの180,720倍の高さになります！

62,000マイル（100,000 km）の長さの宇宙エレベーターは、スペースシャトルの平均軌道高（115-400マイル/ 185-643 km）をはるかに上回ります。実際、それは月までの距離のほぼ4分の1に等しく、月は237,674マイル（382,500 km）で地球を周回します。

リボンはまだ概念的なコンポーネントですが、宇宙エレベーターの他のすべての部品は、ロボットリフター、アンカーステーション、パワービームシステムなど、既知の技術を使用して構築できます。リボンが作成されるまでに、他のコンポーネントは2018年頃に発売の準備がほぼ整います。

リフター

ロボットリフターはリボンを使用して、その上昇を宇宙に導きます。リフターのトラクショントレッドローラーがリボンを固定し、リボンを引っ張って、リフターがエレベータを登ることができるようにします。

アンカーステーション

宇宙エレベーターは、赤道太平洋のモバイルプラットフォームから始まり、リボンを地球に固定します。

カウンターウェイト

リボンの上部には、重いカウンターウェイトがあります。宇宙エレベーターの初期の計画では、小惑星を捕獲してカウンターウェイトとして使用する必要がありました。ただし、LiftPortやInstitute for Scientific Research（ISR）のような最近の計画には、人工のカウンターウェイトの使用が含まれています。実際、カウンターウェイトは、リボンを発射するために使用される宇宙船を含む、リボンを構築するために使用される機器から組み立てられる可能性があります。

パワービーム

リフターは、アンカーステーションまたはその近くにある自由電子レーザーシステムによって駆動されます。ISRによると、レーザーは2.4メガワットのエネルギーを、おそらくリフターに取り付けられたガリウム砒素（GaAs）でできた太陽電池にビームし、そのエネルギーを電気に変換して、従来のニオブ磁石DC電気モーターで使用します。。

運用が開始されると、リフターはほぼ毎日宇宙エレベーターに登ることができます。リフターのサイズは、最初は5トンから20トンまでさまざまです。20トンのリフターは13トンものペイロードを運ぶことができ、900立方メートルのスペースがあります。リフターは、衛星から太陽電池パネルに至るまでの貨物を運び、最終的には時速約118マイル（190 km /時）の速度で人間がリボンを持ち上げます。

62,000マイル（100,000 km）の長さで、宇宙エレベーターは、天候、スペースデブリ、テロリストなど、多くの危険に対して脆弱になります。宇宙エレベーターの設計が進むにつれて、開発者はこれらのリスクとそれらを克服する方法を検討しています。実際、運用可能な宇宙エレベーターが常に存在することを確認するために、開発者は複数の宇宙エレベーターを建設することを計画しています。それぞれが前のものよりも安くなります。最初の宇宙エレベーターは、追加の宇宙エレベーターを構築するためのプラットフォームとして機能します。そうすることで、開発者は、1つの宇宙エレベーターで問題が発生した場合でも、他の宇宙エレベーターがペイロードを宇宙に持ち上げ続けることができるようにしています。

スペースデブリの回避

同様宇宙ステーションやスペースシャトル、宇宙エレベーターは、破片など、軌道のオブジェクトを避けるための能力が必要になります衛星。アンカープラットフォームは、そのような物体から宇宙エレベーターを保護するために積極的な回避を採用します。現在、北米航空宇宙防衛司令部（NORAD）は、10 cm（3.9インチ）を超える物体を追跡しています。宇宙エレベーターを保護するには、サイズが約1 cm（.39インチ）の物体を検出できる軌道デブリ追跡システムが必要になります。この技術は現在、他の宇宙プロジェクトのために開発中です。

「私たちの計画は、リボンを海のモバイルプラットフォームに固定することです」とLiftPortのTomNugentは述べています。「実際にアンカーを動かして、衛星の邪魔にならないようにリボンを引っ張ることができます。」

反発攻撃

宇宙エレベーターの隔離された場所は、テロ攻撃のリスクを下げる最大の要因になります。たとえば、LiftPortによると、最初のアンカーは赤道太平洋に配置され、航空路または航路から404マイル（650 km）離れています。宇宙エレベーターのごく一部のみが攻撃の範囲内にあります。これは、9.3マイル（15 km）以下の範囲です。さらに、宇宙エレベーターは貴重な世界的資源であり、米国や他の外国の軍隊によって保護される可能性があります。

宇宙エレベーターの潜在的な世界的な影響は、別の大きな輸送成果である米国の大陸横断鉄道との比較を描いています。 1869年にユタ州プロモントリーで完成した大陸横断鉄道は、この国の東海岸と西海岸を初めて結び、アメリカ西部の開拓を加速させました。クロスカントリー旅行は数ヶ月から数日に短縮されました。また、新しい市場を開拓し、まったく新しい産業を生み出しました。 1893年までに、米国には5つの大陸横断鉄道がありました。

宇宙エレベーターのアイデアは、大陸横断鉄道と同じ要素の多くを共有しています。宇宙エレベーターは、決して閉じない恒久的な地球と宇宙の接続を作成します。それは宇宙への旅行をより速くすることはありませんが、それは宇宙への旅行をより頻繁にし、開発の新しい時代への宇宙を開くでしょう。おそらく、宇宙エレベーターのアイデアを推進する最大の要因は、貨物を宇宙に投入するコストを大幅に削減することです。化学的に推進されるスペースシャトルよりも低速ですが、リフターは打ち上げコストを1ポンドあたり10,000ドルから20,000ドルに、1ポンドあたり約400ドルに削減します。

「宇宙エレベーター、NIACフェーズII最終報告書」の著者であるブラッドリー・エドワーズによれば、現在の見積もりでは、宇宙エレベーターの建設費用は60億ドル、法規制費用は40億ドルとされています。（エドワーズは、カーボンデザインの社長兼創設者であるブラッドリーカールエドワーズ博士でもあります。）比較すると、スペースシャトルプログラムの費用は1971年に52億ドルと予測されましたが、最終的には195億ドルになりました。さらに、スペースシャトルの各フライトの費用は5億ドルで、当初の見積もりの​​50倍以上になります。

宇宙エレベーターは、スペースシャトルを主要な宇宙船として置き換えることができ、衛星の配備、防衛、観光、およびさらなる探査に使用できます。後者のポイントまで、宇宙船はエレベータのリボンを登り、宇宙に着いたら主なターゲットに向かって発射します。このタイプの打ち上げは、地球の大気圏から抜け出すために通常必要とされるよりも少ない燃料を必要とします。一部の設計者は、宇宙エレベーターは火星を含む他の惑星に建設できると信じています。

NASAはエドワーズ博士の研究に3年間資金を提供しました。しかし、2005年には、宇宙エレベーターを研究している企業に2800万ドルしか与えられませんでした。それでもこのプロジェクトには非常に興味がありますが、今のところは腰を落ち着けて、より具体的な開発を待つことを好みます。

宇宙エレベーターと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

テクノロジーのテスト

2006年2月、LiftPort Groupは、高高度気球を使用したプラットフォームの立ち上げに成功したと発表しました。これらの気球は、プラットフォームを6時間空中に1マイル保ちました。

LiftPortは、HALE（High Altitude Long Endurance）という名前のプラットフォームを、防犯カメラ、携帯電話、ラジオの送信局として販売する予定です。[参照]。

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