宇宙エレベーター。主な問題点

レシピ 21.09.2019

レシピ

宇宙飛行士になることを夢見ていない少年はいるでしょうか？しかし、この夢を実現できるのは世界中でほんのわずかな人だけであり、民間宇宙飛行に行けるのは非常に裕福な人々だけです。しかし 2050 年には、ほぼ誰でも軌道に乗れるようになるでしょう。結局日本それまでに世界初の製品を発売することを約束する 宇宙へのエレベーター.

宇宙を探索するための多くの取り組みの中で、日本の建設会社である大林組による軌道エレベーターの開発への取り組みを別途に取り上げることができます。著者らによると、この車両は2050年までに登場するはずだという。これは人や貨物を宇宙に運ぶ最も安価な方法になることが期待されています。

エレベーターは、地表から遠く離れた軌道ステーションまでつながる超強力かつ超軽量のケーブルに沿って時速200キロメートルで移動します。そこには科学研究所だけでなく、宇宙旅行者向けのホテルも設置されます。このタイプの輸送手段の出現により、その数は現代の数百倍、さらには数千倍になるでしょう。

大林組の大胆な約束を可能にするのは、鋼鉄の100倍の強度を持つ繊維を生み出す新素材の開発です。そして、これらのテクノロジーは年が明けるたび、月が変わるごとに発展しています。

また、参加者が宇宙エレベーターの実現に向けたアイデアを競う国際技術コンテストも毎年開催されます。彼らは、軌道上に貨物を運ぶための新しい素材と革新的な技術を開発しています。同時に、アイデアは年々、より明確で有望なものになってきています。

上記の要因の組み合わせにより、大林組は 2050 年までに軌道エレベーターを打ち上げる可能性について驚くべき主張を行うことができます。

宇宙エレベーターを作るというアイデアは、1979 年にイギリスの作家アーサー・チャールズ・クラークの SF 作品の中で言及されました。彼は小説の中で、いつかそのようなエレベーターが建設されると絶対に確信していると書いています。

しかし、このような奇妙なアイデアを最初に思いついたのは、ロシアの技術者でありロシア宇宙飛行学の創設者であるコンスタンチン・エドゥアルドヴィチ・ツィオルコフスキーでした。エッフェル塔の建設に触発され、彼は高さ数千キロメートルのさらに高い塔の建設を提案した。ツィオルコフスキーは和解を提案した宇宙空間軌道ステーションを使用して、宇宙エレベーターやホバークラフトのアイデアを提案しました。

宇宙エレベーターってすごいですね。しかし、19 世紀の人々もまた、飛行機や航空機のような技術的成果の出現を信じることができなかったでしょう。宇宙船。日本の大林建設株式会社は、宇宙エレベーターの建設に備えて技術文書の作成をすでに進めています。プロジェクトの費用は120億ドルです。施設の建設は2050年に完了する予定です。

宇宙エレベーターを使用することで得られる潜在的なメリットは非常に大きいです。問題は、ジェット推進力の助けを借りて重力を克服することは非現実的であるということです。たとえば、シャトルを 1 回打ち上げるだけでも 5 億ドルを費やす必要があり、従来のロケットの打ち上げはもはや経済的に成り立ちません。

宇宙エレベーターは、ベース、ケーブル、カウンターウェイトという 3 つの主要な部分で構成されています。

エレベーターの基部を表す海中の巨大なプラットフォームには、炭素繊維ケーブルの一端が保持され、その端には釣り合いおもり、つまり衛星として機能する重い物体が地球の背後で回転し、保持されることになる。遠心力によって軌道上にいます。最大10万キロメートルの高さまで空に伸びるこのケーブルに沿って、貨物が宇宙に上がります。

ロケットを使って 1 キログラムの貨物を宇宙に運ぶには、最大 15,000 ドルの費用がかかります。日本人は、同じ重量の貨物を軌道に運ぶのにかかる費用を計算しました... 100ドル

宇宙エレベーターは、綿密に練り上げられたアイデアです。たとえば、ケーブルを鋼鉄で作ることはできないことが計算されています。それ自体の重みで簡単に破れてしまいます。この材料は鋼鉄の 90 倍の強度と 10 倍の軽さでなければなりません。

エンジニアらはカーボンナノチューブをケーブルとして使用するつもりだったが、そのような材料から長いケーブルを編むのは不可能であることが判明した。

つい最近、宇宙エレベーターのファンタジーをついに現実にするかもしれない発明が登場しました。ペンシルバニア大学のジョン・バディング率いる研究チームは、ナノチューブやポリマー繊維よりもはるかに強い極薄のナノスレッドを微細なダイヤモンドから作成した。

東京スカイツリーは墨田区にある世界一高いテレビ塔です。

大林組の研究部門責任者、石川洋治氏は、ペンシルバニア大学のノウハウが人類を本当に宇宙に近づけることができると信じている。彼はこう言います新しい素材もちろん、一連の強度テストを受ける必要がありますが、これはまさに彼と彼の同僚が長い間探していたもののようです。

大林組はすでに高さ約635メートルのテレビ塔用の高速エレベーターを建設している

NASAは現在、宇宙エレベーターの極秘開発にも緊密に取り組んでいます。将来的には、巨大な惑星間宇宙船の部品を軌道上に運び、宇宙で組み立てることが可能になるでしょう。このようなプロジェクトは宇宙リフトの助けがなければ実現できません。

しかし、最も重要なことは、最初に構築される国家です。宇宙エレベーター、何世紀にもわたって宇宙貨物輸送産業を独占しています。

キム・スタンリー・ロビンソンのSF小説「グリーン・マーズ」のイラスト
火星に設置された宇宙エレベーター。

惑星軌道上またはその先へ貨物を打ち上げるための宇宙工学構造のアイデア。
このようなアイデアは 1895 年にコンスタンチン・ツィオルコフスキーによって初めて表明され、このアイデアはユーリ・アルツタノフの作品で詳細に開発されました。仮説的な設計は、惑星の表面から GEO にある軌道ステーションまで張られたケーブルの使用に基づいています。
おそらく、この方法は将来的には打ち上げロケットを使用するよりも桁違いに安価になる可能性があります。ケーブルは、一端が惑星 (地球) の表面に保持され、もう一端は遠心力により静止軌道 (GSO) 上の惑星上の静止点に保持されます。ペイロードを積んだリフトがケーブルに沿って上昇します。上昇する際、地球の自転により荷重が加速され、十分に高い高度で地球の重力を超えて送られるようになります。ケーブルには、低密度と組み合わせて非常に高い引張強度が必要です。理論計算によれば、カーボンナノチューブが適した材料であると考えられる。ケーブルの製造に適していると仮定すると、宇宙エレベーターの作成は、高度な開発と別の種類の高額なコストが必要ではありますが、解決可能な工学的問題になります。エレベーターの建設費用は 70 億～120 億米ドルと推定されています。 NASAはすでにアメリカ研究所の対応する開発に資金を提供しています
科学研究
、ケーブルに沿って独立して移動できるリフトの開発が含まれます。
内容[削除]
1 デザイン
1.1 基礎
1.2 ケーブル
1.2.1 ケーブルを太くする
1.3 リフト
1.4 カウンターウェイト
1.5 角運動量、速度、傾き
1.6 宇宙への打ち上げ
2 建設
3 宇宙エレベーターの経済性
4 実績
5 文学
6 さまざまな作品における宇宙エレベーター
7 関連項目
8 ノート
9 リンク
9.1 組織

9.2 その他
デザイン
宇宙エレベーターの基部は、ケーブルが取り付けられ、荷物の吊り上げが開始される地表上の場所です。移動可能であり、外航船に設置することもできます。
可動基地の利点は、ハリケーンや嵐を回避するための機動を実行できることです。固定ベースの利点は、エネルギー源が安価で入手しやすいこと、およびケーブルの長さを短縮できることです。ケーブルの数キロメートルの差は比較的小さいですが、必要な中間部分の厚さと延長部分の長さを減らすのに役立ちます。静止用
軌道。
ケーブルケーブルは、引張強度と比重の比が非常に高い材料で作られている必要があります。グラファイトに匹敵する密度と約100gの強度を備えたケーブルを工業規模で手頃な価格で製造することができれば、宇宙エレベーターは経済的に正当化されるでしょう。
65 ～ 120 ギガパスカル。
ちなみに、ほとんどの種類の鋼の強度は約 1 GPa、最も強力な種類でも 5 GPa にすぎず、鋼は重いです。はるかに軽いケブラーの強度は 2.6 ～ 4.1 GPa の範囲であり、石英ファイバーの強度は最大 20 GPa 以上です。
ダイヤモンド繊維の理論的強度はわずかに高い可能性があります。理論によれば、カーボンナノチューブは、宇宙エレベーターに必要な伸縮性よりもはるかに高い伸縮性を備えているはずです。しかし、それらを工業用量で生産し、ケーブルに織り込む技術は開発され始めたばかりです。理論的には、その強度は 120 GPa 以上であるはずですが、実際には、単層ナノチューブの最高伸びは 52 GPa であり、平均して 30 ～ 50 GPa の範囲で破断します。ナノチューブから編まれた最も強力な糸は、その構成要素よりも弱くなります。チューブ材料の純度を向上させ、さまざまなタイプのチューブを作成するための研究が続けられています。ほとんどの宇宙エレベータープロジェクトでは単層ナノチューブが使用されています。多層は強度が高くなりますが、重くなり、強度対密度比が低くなります。

可能なオプション
南カリフォルニア大学 (米国) の科学者らによる実験では、単層カーボンナノチューブの比強度は鋼鉄の 117 倍、ケブラーの 30 倍であることが実証されました。 98.9 GPaの値に達することができ、ナノチューブの長さの最大値は195 μmでした。
このような繊維を織る技術はまだ初期段階にあります。
一部の科学者によれば、カーボンナノチューブであっても、宇宙エレベーターのケーブルを作るのに十分な強度は決して得られないそうです。
科学者の実験技術からシドニー大学はグラフェン紙の作成を可能にしました。サンプルテストでは有望な結果が得られました。材料の密度は鋼鉄の 5 ～ 6 分の 1 であり、引張強度は炭素鋼の 10 倍です。同時に、グラフェンは電流の良導体であるため、連絡バスとしてエレベーターに電力を伝送するために使用できます。
ケーブルを太くする

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宇宙エレベーターは少なくとも自重を支えなければなりませんが、その重量はケーブルの長さによってかなりの重量になります。厚くすると、一方ではケーブルの強度が高まり、他方では重量が増加するため、必要な強度が増加します。テザーにかかる負荷は場所によって異なります。テザーの一部が下のセグメントの重量を支えなければならない場合もあれば、テザーの上部を軌道上に保持する遠心力に耐えなければならない場合もあります。会うためにこの条件に合わせて各点でケーブルを最適化するために、その太さは変化します。
地球の重力と遠心力を考慮すると (ただし、月と太陽の小さな影響は考慮していません)、高さに応じたケーブルの断面積は次の式で表されることがわかります。

ここで、A ® は、地球の中心からの距離 r の関数としてのケーブルの断面積です。
この式では次の定数が使用されます。
A0 は、地表レベルでのケーブルの断面積です。
ρ はケーブル材料の密度です。
s はケーブル材料の引張強さです。
ω は地球の軸の周りの回転の円周波数で、7.292×10−5 ラジアン/秒です。
r0 は地球の中心とケーブルの根元の間の距離です。それはおよそ地球の半径6,378kmに相当します。
g0 はケーブルの根元での重力加速度、9.780 m/s² です。
この方程式は、テザーの厚さが最初に指数関数的に増加し、次に地球半径数個の高度でその成長が減速し、その後一定になり、最終的に静止軌道に到達することを表しています。この後、厚さは再び減少し始めます。
したがって、ケーブルの基部と GSO (r = 42,164 km) の断面積の比は次のようになります。
ここに鉄鋼の密度と強度、地表レベルでのケーブルの直径 1 cm を代入すると、GSO レベルでの直径は数百キロメートルになります。つまり、私たちに馴染みのある鉄鋼やその他の材料は、高層ビルの建設には適していないことを意味します。エレベーター。
したがって、GSO レベルでより適切なケーブルの太さを実現するには 4 つの方法があることがわかります。
密度の低い素材を使用してください。ほとんどの密度が高いため、固体は 1000 ～ 5000 kg/m3 の比較的狭い範囲にあるため、ここで何かが達成される可能性は低いです。
より耐久性のある素材を使用します。研究は主にこの方向に進んでいます。カーボンナノチューブは最高の鋼鉄よりも数十倍強く、GSO レベルでケーブルの厚さを大幅に削減します。
ケーブルの根元を高くします。方程式には指数関数が存在するため、底面をわずかに高くするだけでもケーブルの厚さは大幅に減少します。高さ 100 km までの塔が提案されており、これによりケーブルの節約に加えて、大気プロセスの影響も回避されます。
ケーブルの根元はできるだけ細くしてください。荷重がかかるリフトを支えるのに十分な厚さが必要であるため、ベースの最小厚さは材料の強度にも依存します。カーボンナノチューブで作られたケーブルは、根元の厚さがわずか 1 ミリメートルあれば十分です。
もう一つの方法は、エレベーターの基部を可動式にすることです。 100 m/s の速度で移動するだけでも、すでに円周速度が 20% 向上し、ケーブル長が 20 ～ 25% 減少し、50% 以上軽量化されます。ケーブルを「固定」すると超音速で[出典指定されていない 664 日] 飛行機や電車の場合、ケーブルの質量の増加はパーセンテージではなく、数十倍で測定されます (ただし、損失は考慮されていません) 抵抗のために空気）。
リフト

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雲を抜けて上昇する宇宙エレベーターの概念図
宇宙エレベーターは、ケーブルの太さが一定ではないため、通常のエレベーター（ケーブルが動く）のように動作することができません。ほとんどのプロジェクトでは、固定ケーブルを登るホイストが使用されていますが、主ケーブルに沿って走る小さなセグメント化された可動ケーブルも提案されています。
提供済みいろいろな方法でリフトのデザイン。フラットケーブルでは、摩擦によって保持されたローラーのペアを使用できます。他のオプションとしては、プレート上のフックを備えた可動スポーク、格納可能なフックを備えたローラー、磁気浮上（ケーブルに面倒な経路を接続する必要があるため、可能性は低い）などがあります。 [出典は特定されていません 661 日]
エレベーターの設計に関する深刻な問題はエネルギー源です [661 日、ソースは特定されていません]。エネルギー蓄積密度は、リフトがケーブル全体を登るのに十分なエネルギーを得るのに十分な高さになることはありそうにありません。考えられる外部エネルギー源は、レーザーまたはマイクロ波ビームです。他のオプションは、下降するリフトからの制動エネルギーを使用することです。対流圏温度の違い。電離層放電などメインオプション [発生源が特定されていない 661 日] (エネルギー線) には、関連する重大な問題があります
効率よくただし、将来の技術進歩を楽観的に見れば実現可能です。ケーブルへの負荷とその振動を最小限に抑えるために、リフトは最適な距離で相互に追従する必要があります。
そして最大化する
しかし、上記の障害を何とか取り除くことができれば、宇宙エレベーターは実現することができます。しかし、そのようなプロジェクトは非常に高価になるが、将来的には使い捨ておよび再利用可能な宇宙船と競合する可能性がある[出典は特定されていない 579日]。
カウンターウェイト

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カウンタウェイトは 2 つの方法で作成できます。1 つは重い物体 (小惑星など) を取り付ける方法です。静止を超えてかなりの距離にわたるテザー自体の軌道または継続固定ベースの利点は、エネルギー源が安価で入手しやすいこと、およびケーブルの長さを短縮できることです。ケーブルの数キロメートルの差は比較的小さいですが、必要な中間部分の厚さと延長部分の長さを減らすのに役立ちます。軌道。 2 番目のオプションは、実装が簡単であることに加え、地球に対してかなりの速度があるため、長いケーブルの端から他の惑星に負荷を送信するのが簡単であるため、最近ではより一般的になっています。
角運動量、速度、傾き

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エレベーターが上昇するとき、エレベーターは 1 度傾きます。上部エレベーターは底部よりも速く地球の周りを移動します (コリオリ効果)。スケールが保存されていません
ケーブルの各セクションの水平速度は、地球の中心までの距離に比例して高さとともに増加し、地球の中心に達します。静止状態について最初の脱出速度の軌道。したがって、荷物を持ち上げるときは、追加の角運動量 (水平速度) を得る必要があります。
角運動量は地球の自転によって得られます。最初は、リフトはケーブルよりもわずかに遅く移動します (コリオリ効果)。これにより、ケーブルが「減速」され、ケーブルがわずかに西に偏向されます。上昇速度が 200 km/h の場合、ケーブルは 1 度傾きます。張力の水平成分
非垂直で
貨物が GEO に到着するまでに、その角運動量 (水平速度) は貨物を軌道に打ち上げるのに十分な量になります。
負荷を下げると、逆のプロセスが発生し、ケーブルが東に傾きます。
宇宙へ打ち上げる
高度 144,000 km のケーブルの端では、速度の接線方向の成分は 10.93 km/s になります。これは、地球の重力場を離れて土星に向けて船を打ち上げるのに十分な速度です。物体がケーブルの上部に沿って自由にスライドできる場合、物体は逃げるのに十分な速度を持っています。太陽系
。これは、ケーブル (および地球) の総角運動量が発射された物体の速度に変化するために起こります。
さらに高速化するには、ケーブルを長くするか、電磁気を使用して負荷を加速します。

工事建設中です静止から駅。これだけです宇宙船が着陸できる場所。一方の端は重力によって引き伸ばされ、地表に下降します。もう一つ、バランスをとる、-反対方向に遠心力で引っ張られる側。これは、建設用のすべての資材を持ち上げる必要があることを意味します静止状態に遠心力で引っ張られる側。これは、建設用のすべての資材を持ち上げる必要があることを意味します貨物の目的地に関係なく、従来の方法で軌道を周回します。つまり、宇宙エレベーター全体を持ち上げるのにかかる費用です。
orbit - プロジェクトの最低価格。

宇宙エレベーターの経済学
おそらく、宇宙エレベーターは宇宙に荷物を送るコストを大幅に削減すると考えられます。
宇宙エレベーターは建設費がかかりますが、運用コストは低いため、非常に大量の貨物を長期間にわたって使用するのに最適です。現在、打ち上げ荷物の市場はエレベーターの建設を正当化できるほど大きくないかもしれませんが、価格の劇的な低下により、荷物の種類はさらに増えるはずです。高速道路や鉄道などの他の交通インフラも同様に正当化されます。静止状態についてエレベーターの開発コストは、スペースシャトルの開発コストに匹敵します[出典は特定されていませんが、810日]。宇宙エレベーターが投資した資金を回収するのか、それともロケット技術のさらなる開発に投資したほうが得策なのかという疑問に対する答えはまだ出ていません。中継衛星の数には制限があることを忘れてはなりません
したがって、宇宙エレベーターは大量打ち上げには最低限適していません。遠心力で引っ張られる側。これは、建設用のすべての資材を持ち上げる必要があることを意味します周回軌道[情報源は特定されていないが554日]を持ち、特に宇宙や月の探査に最適です。
この状況は、非政府組織の主な財政的コストが集中しているため、このプロジェクトの実際の商業的失敗を説明しています。衛星を中継するため、静止軌道 (テレビ、通信) または低軌道 (全地球測位システム、天然資源観測など) のいずれかを占有します。
ただし、エレベーターはハイブリッドプロジェクトにすることができ、軌道上に貨物を運ぶ機能に加えて、輸送に関係のない他の研究や商業プログラムの拠点としても機能します。
業績

2005 年以来、NASA の支援を受けて Spaceward Foundation が主催する宇宙エレベーターゲームコンテストが米国で毎年開催されています。このコンテストには「最優秀ケーブル賞」と「最優秀ロボット（リフト）賞」の2部門があります。
リフト競技では、ロボットは垂直ケーブルを規定速度以上の速度で登り、一定の距離を乗り越えなければなりません。 (競技中 2007 年の規格は次のとおりでした: ケーブル長 - 100 m、最低速度 - 2 m/s)。
2007 年の最高の結果は、平均速度 1.8 m/s で 100 m の距離をカバーしたことでした。
2009 年の宇宙エレベーターゲームコンテストの賞金総額は 400 万ドルでした。ロープの強さの競争では、参加者には2メートルのリングが提供されなければなりません頑丈な材質で作られた
重さ 2 グラム以下の材料で、特別な設備で破裂テストが行われます。
スペースワード財団と NASA が主催する宇宙エレベーターゲームコンテストは、2009 年 11 月 4 日から 11 月 6 日まで、南カリフォルニアの有名なエドワーズ空軍基地の敷地内にあるドライデン飛行研究センターで開催されました。ケーブルの試験長は900メートルで、ケーブルはヘリコプターを使用して吊り上げられた。 LaserMotive が主導権を握り、要求速度に非常に近い 3.95 m/s の速度で揚力を実現しました。エレベーターは 3 分 49 秒でケーブル全長をカバーし、積載重量は 0.4 kg でした。
2010 年 8 月、LaserMotive はコロラド州デンバーで開催された AUVSI 無人システム会議で最新の発明をデモンストレーションしました。新しい外観レーザーは、エネルギーを長距離にわたってより経済的に伝送するのに役立ちます。レーザーの消費電力はわずか数ワットです。
文学

ユーリ・アルツタノフ「宇宙へ - 電気機関車に乗って」 1960年7月31日付の新聞「コムソモリスカヤ・プラウダ」。
アレクサンダー・ボロンキン「非ロケット宇宙打ち上げと飛行」、エルゼビア、2006 年、488 ページ。
http://www.scribd.com/doc/24056182

さまざまな作品に登場する宇宙エレベーターアーサー・C・クラークの有名な作品の1つである「楽園の泉」は、宇宙エレベーターのアイデアに基づいています。さらに宇宙エレベーターも登場し、決勝で
彼の有名な四部作『宇宙の旅』（3001年最後の旅）の一部。
バトルエンジェルにはサイクロプス型の宇宙エレベーターがあり、その一端には天空都市セイラム (市民用) と下層都市 (非市民用) があり、もう一方の端には宇宙都市イェルがあります。同様の構造が地球の反対側にもあります。シリーズでは「スタートレック
: ボイジャー』エピソード 3x19「上昇」では、宇宙エレベーターが乗組員を危険な雰囲気の惑星から脱出させるのに役立ちます。
シヴィライゼーション IV には宇宙エレベーターがあります。そこで彼は後の「偉大な奇跡」の一人です。でファンタジー小説
ティモシー・ザーンの「カイコ」（スピナレット、1985 年）には、スーパーファイバーを生産できる惑星について言及されています。地球に興味のある種族の 1 つは、特に宇宙エレベーターの建設のためにこのファイバーを入手したいと考えていました。セルゲイ・ルキャネンコの二部作『星は冷たいおもちゃ』では、地球外文明の一つが星間交易の過程で、宇宙エレベーターの建設に使用できる超強力な糸を地球に届けました。しかし、地球外文明は独占的に主張しました使用中
アニメ『機動戦士ガンダム00』では、3基の宇宙エレベーターにリング状のソーラーパネルが取り付けられており、宇宙エレベーターを発電に利用することができます。
アニメ『Z.O.E.』ドロレスには宇宙エレベーターが登場し、テロ攻撃が起こった場合に何が起こるかも示しています。
J. スカルツィの SF 小説「勝利への運命」 (英語: Scalzi、John. Old Man's War) では、宇宙エレベーターシステムは、地球、多数の地球上の植民地、および他の高度に発達した知的種族のいくつかの惑星で、宇宙との通信のために積極的に使用されています。星間船の寝台。
アレクサンダー・グロモフのSF小説「トゥモロー・ウィル・ビー・エターニティ」では、宇宙エレベーターの存在という事実を中心にプロットが構築されています。ソースとレシーバーという 2 つの装置があり、「エネルギービーム」を使用してエレベーターの「キャビン」を軌道上に上昇させることができます。
アラステア・レイノルズのファンタジー小説『アビス・シティ』では、詳しい説明建物そして機能している宇宙エレベーター、（テロ攻撃の結果として）破壊される過程が説明されています。
テリー・プラチェットの SF 小説『ストラタ』には、宇宙エレベーターとして使用される非常に長い人工分子、ラインが登場します。
グループZvuki Muの曲「天国へのエレベーター」で言及されている
宇宙エレベーターについてはアニメ『トリニティ・ブラッド』で言及されており、アーク宇宙船はカウンターウェイトとして機能します。
ソニックカラーズゲームの冒頭で、ソニックとテイルスが宇宙エレベーターに乗ってドクター・エッグマンのパークに行く様子が見られます。
こちらも参照

スペースガン
ループの開始
宇宙の噴水
注意事項

http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html 宇宙エレベーターそしてナノテクノロジー
エレベーターで宇宙へ！
// KP.RU 宇宙エレベーターの軌道社会政治的そして大衆科学
ロシア宇宙雑誌第 11 号、2008 年
カーボンナノチューブは鋼鉄よりも2桁強い
膜 | 世界のニュース | ナノチューブは宇宙エレベーターでは生き残れない
新しいグラフェン紙は鋼鉄よりも強いことが判明
レメシュコ・アンドレイ・ヴィクトロヴィッチ。宇宙エレベーターレメシュコ A.V./宇宙エレベーターレメシュコ A.V.
en:衛星テレビ#テクノロジー
空へのエレベーターが未来を見据えて記録を樹立
宇宙エレベーターに電力を供給できるレーザーが開発されました

http://innotechnews.com/innovations/721-kosmicheskij-lift-osnovnye-problemy?hitcount=0 と物理学者やSF作家と同様に、宇宙エレベーターのアイデアは宇宙飛行愛好家の心にしっかりと根付いています。人や貨物を軌道に直接運ぶ巨大なインフラがなければ、想像できる未来はほとんどありません。しかし、宇宙エレベーターは現実の将来に作られるのでしょうか？悲しいことですが、これには重大な疑問があります。

重さ 100 g 未満のマイクロ衛星、ナノ衛星、さらにはフェムト衛星を開発する現代の流行は、エレクトロニクスの小型化だけでなく、純粋に経済的な理由とも関連しています。宇宙技術の開発の数十年にわたって、地球低軌道に貨物を打ち上げるコストは一桁下がったという事実にもかかわらず、宇宙ミッションのコストのかなりの部分は依然として現場への輸送費です。この要因により、宇宙計画全体が大幅に遅れ、財政的に安全な組織のみの領域となり、多くの開発者や研究者が参加できる道が閉ざされてしまいます。

各ロケットと各上段は一体型の製品で、生産に数か月、場合によっては数年かかります。さらに、使い捨てです。最長 10 分間稼働すると寿命が来ます。アメリカ企業スペースXとロシアの技術者の両方が、少なくとも再利用可能な第1段、つまり打ち上げシステムの最も強力で高価なコンポーネントを作成するための選択肢を熱心に模索しているのには理由がないわけではない。このようなプロジェクトは、その名にちなんで名付けられた州立研究生産宇宙センターで開発されました。フルニチェフの「バイカル・アンガラ」、つまりスペースXのグラスホッパープロジェクトは、ファルコンファミリーロケットの「脚」に着陸する第一段階である。

しかし、これらはすべて対策の半分にすぎません。宇宙飛行のコストを一桁削減する必要があり、そのためには古いものを修正するのではなく、解決する方が適切です。そして、彼らの計画の最初のものは、もちろん、宇宙エレベーターになるでしょう。これは、シンプルであると同時に有望なアイデアです。

手間のかからない宇宙エレベーターのコンセプト

普通のロープを手に取り、自分の周りで素早く回転させます。これが宇宙エレベーターの概念全体です。地球に取り付けられた十分に長くて強力なケーブルは、地球低軌道に入りますが、遠心力により、あたかもそれ自身であるかのように垂直に垂れ下がります。あとは昇降プラットフォームを取り付けるだけで、宇宙に行くことができます。残念ながら、実際には、単純なアイデアの実装はそれほど単純ではありません。

おそらく最も有名で活発に開発中の宇宙エレベータープロジェクトは、アメリカ人によって実施されています。 リフトポートの起動。その名前からすでに、開発者の主な目標が単なる「宇宙」エレベーターではなく、地球と月の線に沿って中断のない通信を確立することを可能にする「月」エレベーターであることは明らかです。

同社の専門家の計算によれば、宇宙エレベーターの主要なインフラは、浮遊する海洋プラットフォームに結び付けられる必要があり、これによってシステムに必要なダイナミズムがもたらされることになります。そこから伸びるケーブルは約10万kmの高さに達します。高さ「わずか」約 35.5 千 km の短いケーブルでも問題ありません。重要なのは、ケーブルが静止軌道に到達し、垂直位置に留まることができることです。

どんなに最強の鋼鉄でもそのような荷重には耐えられないため、宇宙エレベーターのケーブルが自重で断線するのを防ぐために、軽量で驚異的な強度を誇るカーボンナノチューブでケーブルを作ることが提案されています。しかし、たとえ数センチメートルの長さのナノチューブの製造であっても、未解決の技術的問題が残されている。キロメートルについて何が言えるでしょうか?

そして、たとえ問題が解決されたとしても、グラフェンは役に立たない可能性があります。

提案された宇宙エレベーターの設計

ベース。可動式のものを使用すると、ケーブルサポートを脅かす自然災害を回避できます。エレベーターに安価なエネルギーを供給するという点では、据え置き型の方が便利です。

ケーブル。少なくとも自重、関連インフラの重量、遠心力を支えることができなければなりません。計算によると、その厚さは高さとともに急速に増加し、定常レベルに達するはずです。

カウンターウェイト。これは大規模な「端末局」、またはケーブルにつながれた小惑星である可能性があります。しかし、テザーが静止軌道を越えると、テザーは自重で保持されるため、端から長距離宇宙探査機を発射して飛行することが可能になる。

問題その1 - 宇宙エレベーターの材料

実際、カーボンナノチューブは、現在、おそらく人類に知られている材料の中で最も機械的に強い材料です。一次元のコイル状結晶格子内の炭素原子間の無数の sp2 結合の強度は、信じられないほど強力です。しかし、これだけでは十分ではありません。有名な専門家で未来学者のハワード・キース・ヘンソン氏によると、最も楽観的な計算でも、そのようなケーブルの強度は必要な値の約 3 分の 2 にしかならないそうです。

ヘンソン氏は、ナノチューブの難しさは技術そのものではなく、ナノチューブの構造そのものにあると考えている。長いナノチューブだけでなく、「純度」も劣らない理想的なナノチューブを製造する方法を学ぶ必要がある。宝石。そうしないと、グラフェンの 6 つの炭素原子を接続する sp2 結合そのものが安定した配置を失い、欠陥の代わりに 5 つまたは 7 つの原子を覆い始め、強度が急激に低下します。

エンジニアはこれを女性のストッキングのフックに例えています。たった 1 つの違反が構造全体の「クリーピング」につながる可能性があります。そして、センチメートル程度の大きな欠陥のない結晶の製造さえもまだ未解決の問題であるとすれば、数キロメートルのナノチューブに関しては解決されるのでしょうか？もしそうなったとしても、それは予見可能な将来ではないでしょう、とキース・ヘンソンは言います。宇宙エレベーターのケーブルは最大 100 MN/(kg/m) に耐える必要があり、たとえカーボンナノチューブがそのレベルに達したとしても、欠陥が 1 つも含まれていてはなりません。そうでないと、宇宙に打ち上げようとする前にケーブルがバラバラになってしまいます。。

いくつかの推定によれば、宇宙エレベーターのケーブルの強度は 130 GPa 以上であるはずです。比較のために、ケブラーは 4 GPa のレベルに達しますが、鋼の中で最も強度が高いのはわずか 5 GPa です。理論的には、カーボンナノチューブは必要な強度 (最大 300 GPa) を得ることができますが、実際には約 50 GPa しか達成されていません (ある実験では 99 GPa)。同時に、長いナノチューブを製造する技術、さらにはナノチューブからケーブルを編む技術はまだ初期段階にある。

宇宙エレベーターの最大の愛好家の一人で、このテーマに関連するいくつかのプロジェクトを主導する物理学者デイビッド・アペルですら、かつてこう認めました。「いつか、10万キロメートルのナノチューブから構造物を作ることが可能になると確信できるでしょうか？」 ? 残念ながら、この質問にはまだ誰も答えられません。」

問題 2: ためらい

たとえば、画期的な進歩を遂げて、必要な長さのカーボンナノチューブを作成し、欠陥のない構造を実現し、それからエレベーターケーブルを編み、必要な高さまで引き上げたとしましょう。次は何でしょうか？そして、危険な要素がたくさんある日常生活。結局のところ、そのような構造は必然的にさまざまな影響を受けることになり、その多くは複雑な構造全体を破壊する恐れがあります。

このような計算はチェコの天体物理学者ルボス・ペレクによって行われ、地球と月からの重力の作用、太陽風の粒子の圧力など、いくつかの要因の組み合わせが影響していることを示しました。 - 宇宙エレベーターのケーブルに予期せぬ影響を与える可能性があります。ペレックは、これらの力の作用により、巨大な構造全体が揺れ、振動し、ねじれる可能性があることを発見しました。

解決策としては、ケーブルの重要な部分に特殊なモーターを配置し、インテリジェントコンピューターシステムによって制御され、予測できない環境の影響を補償することが考えられます。しかし、「概念の純粋性」はすでに侵害されており、それによって宇宙エレベーターの利点の多くが疑問視されることになります。エンジンには燃料、定期的なメンテナンス、修理、さらには交換が必要です。ケーブルに沿って移動するのが困難になるだけでなく、明らかにエレベーターの運用コストも大幅に増加します。

しかし、これはほんの小さなことです。なぜなら、他の引き伸ばされた糸と同様に、宇宙エレベーターのケーブルも内部振動の独自の共振周波数を持っているからです。学校の物理教師全員が伝統的に共鳴に関する授業で語っている話を覚えていますか。橋を渡って行進中の兵士の分遣隊が偶然その共振周波数に「到達」し、橋全体を破壊した経緯です。同じことが宇宙エレベーターを脅かしています。

この脅威に備えるには、ケーブルの多くのセクションに、危険な振動を減衰するユニットを取り付ける必要があります。

そして、これは再び設計のさらなる複雑化、新たな技術的問題、および財務コストです...そして、すべてがこれに限定されている場合、実際には、ケーブルにはさらに多くの問題が発生するでしょう。

ケーブルのサイズを縮小し、ケーブルの過度の肥厚と大気の下層の危険性を取り除くために、エレベーターの基部を高層タワー（最大100 km）に設置することができます。 2015 年 8 月、カナダの企業 Thoth Technology Inc. 同様のプロジェクトの特許も取得しました

カナダ人が建設を計画しているトートXタワーは、適度な高さ（「わずか」20km）に達する必要があり、その底部と頂上の圧力差から生じる風力エネルギーを利用する予定です。技術者の計算によると、ロケットの発射台としても使用でき、従来の宇宙打ち上げのコストを大幅に削減できるという。このタワーには問題が 1 つだけあります。それは、このプロジェクトが技術的に実現不可能であるということです。

問題３：宇宙エレベーターの乗客

特別な困難は、荷物を積んだ宇宙エレベーターがケーブルに沿って移動することによって引き起こされる可能性があります。回転する地球上を回転軸に対してある角度で移動するものと同様に、負荷はコリオリ力の影響を受けます。上昇するにつれて、エレベーターは地球の自転と逆の方向にずれます。この効果も物理学者によってすでに計算されています。

この研究を行ったカナダの科学者アルン・ミスラ氏によると、この影響によりエレベーターは不安定な倒立振子のように揺れるという。その結果、人や貨物が到着する軌道上の「目的地」は、正確には目的地ではない可能性があります。これは、車両を軌道に打ち上げる場合にはまったく容認できません。

さらに、ケーブルに沿って伝わる振動は「船室」の不均一な動きを引き起こし、波に「動かされて」ある部分では減速し、他の部分では加速します。もちろん、この効果を補償するために多くのメカニズムを提案できます。たとえば、アルン・ミスラ氏は数週間かかると見積もっているが、非常にゆっくりと慎重に、制御された登山を行うことが役立つ可能性がある。

もう 1 つのオプションは、多くのキャビンの動きを同時に非常に正確に調整し、ケーブルに対する互いの影響を相互に補償することです。しかし、これによりインフラストラクチャ全体の複雑さとコストが再び増加します。宇宙エレベーターというアイデアは、もはやそれほど魅力的に見えなくなったようですか？しかし、待ってください。まだ終わっていません。

問題 4: スペースデブリ

少し前に、別のスペースデブリとの衝突を避けるために、国際宇宙ステーションの軌道が再び調整されました。これは、サイクロプス型エレベーターの設計では機能しません。移動させることはほとんど不可能です。一方、地球の低軌道を通過して静止軌道に到達すると、数十の稼働中の衛星や、すでに故障した装置、ロケット段、上段の破片数千個による「攻撃にさらされる」ことになる。隕石に遭遇する危険性を忘れないようにしましょう！

これがまったく回避される可能性は低いため、宇宙エレベーターは最初から定期的で危険な衝突を想定して設計されていなければなりません。これをどのように達成するのかもまだ不明である。スペースデブリの破片はそれほど大きくないかもしれないが、詩人の言葉を借りれば「砂粒が弾丸の力を獲得する」ほどの猛スピードで移動する。すでによく知られているハワード・キース・ヘンソン氏は、そのような衝撃のエネルギーは簡単にケーブルの数メートルを蒸発させる恐れのあるレベルに達すると計算しました。

軌道がエレベーターのケーブルと交差する恐れがあるすべての宇宙船に能動的回避システムを装備することは、それほど難しいことではありません。しかし、すでに運用されている衛星はどうなるでしょうか? スペースデブリについてはどうですか？入手可能な推定によると、軌道上のその量は数千トンに達します。そして、スーパーリフトにメガケーブルを配備し始める前に、スペースを片付ける必要があります。
保護オプションの 1 つとして、エレベーターの重要なエリアに強力なレーザーシステムを設置し、「対空防御」として動作し、衝突の恐れのある破片を破壊することが提案されています。しかし、これが正しいのです！ - 私たちの素晴らしいプロジェクトの新たな複雑さとコストの増加を意味します。

問題 5 と 6: 宇宙エレベーターの磨耗と放射線

宇宙エレベーターの 4 つの主要な問題だけでは十分ではない場合は、さらにいくつか触れてみましょう。これらはそれほど重要ではありませんが、注意が必要であり、解決策は必須です。

摩耗と腐食。大気中の過酷な要因や過酷な宇宙環境の影響により、エレベーターのケーブルとその部品の劣化は避けられません。材料の修復、構造全体の定期的な修理、メンテナンスのオプションを提供する必要があります。

放射線。宇宙エレベーターの航路は大気圏だけでなく、大気圏をはるかに超えたところでも行われます。また、地球の放射線帯（西洋の文献ではヴァン・アレン帯と呼ばれています）、つまり地球の磁気圏に捕らえられた膨大な数の荷電粒子や高エネルギー粒子、主に陽子や電子が保持されている領域も見逃すことはありません。内側の放射線帯は高度約 4,000 km、外側の放射線帯は高度 17,000 km に位置しており、これらの地域を人々が移動することは非常に深刻な危険を伴います。したがって、宇宙エレベーターの乗客には放射線防護対策を講じる必要があります。

しかし、それだけではありません。たとえエレベーターのキャビンに高エネルギー粒子の流れを遮断する強力なスクリーンを設置したとしても、技術的な問題ではなく、さまざまな問題に直面することになるでしょう。

問題 7: 社会

国際協力と人類の最高の頭脳が、声に上がったすべての困難を解決し、宇宙エレベーターが過酷な重力を踏みにじって誇らしげに地球上に上昇するとしましょう。もちろん、この巨大な建造物は、西洋の科学志向文明の進歩、成功、繁栄の重要なシンボルの 1 つとなるでしょう。これは、彼女がすべての対戦相手にとって魅力的な対象になることを意味します。

テロ攻撃による宇宙エレベーターの破壊は、その規模と影響の両面で、2001 年 9 月 11 日のニューヨークとその後に起こったすべてを覆す出来事となる可能性があります。この巨像の死は、経済的にも文字通りの意味でも深刻な打撃となるでしょう。数万キロメートルの長さのケーブルと、その上にすべての要素が取り付けられた数トンの質量が制御されずに落下することを想像してみてください...エレベータが陸空からのあらゆる攻撃から完全に保護されなければならないことは驚くべきことではありません。

ところで、これらの考慮事項は、宇宙エレベーターの地上インフラを、アマチュアテロリストから防御するのがはるかに容易な海上プラットフォーム上に構築することが提案されている重要な理由の1つとなっています。しかし、ここでも予期せぬ結果が予想されます - 今回は環境活動家側によるものです。

彼らの懸念は理解できます。多くの地球擁護者が指摘しているように、エレベーターのケーブルに沿った大規模な貨物輸送は、地球にしっかりと結びついた追加の質量の出現を伴います。基本的な計算によると、ケーブルの長さが膨大になると、惑星の自転速度に影響を及ぼし、速度が低下する可能性さえあります。このような影響の結果は本当に予測不可能になる可能性があります。そして、たとえ地球の速度を数ナノ秒遅らせたとしても、たとえば「地球の角運動量を守ろう！」などのスローガンのもと、「緑の人々」からの最も暴力的な抗議が予想される。

問題ありません: 月上で

宇宙エレベーターの問題は数え切れないほどあり、現実的には解決できないようです。しかし、プロジェクトのコンセプトを次のように変えたらどうでしょうか？文字通りこのような提案は、アメリカの技術者で宇宙技術開発者のジェローム・ピアソンによって少し前に行われました。「このような計画は地球ではほとんど意味がないようですが、月の場合は全く別の問題です。」と彼は書いています。

もちろん、重力の影響下で、月は軸の周りを回転せず、片側だけを私たちの方向に向けたままになります。しかし、ジェローム・ピアソンはこれに利点さえ見出しており、遠心力ではなく地球の重力によって、衛星の表面から始まる宇宙エレベーターのケーブルを「固定」することを提案しています。遠端に適切な質量を加えるだけで十分です。ピアソンの計算によれば、重量が約 10 万トンで、このような設計により、年間 3 ～ 4 倍の貨物を月に運ぶことが可能になります。

この考えには意味がないわけではないようだ。理論的には、「月エレベーター」は、テロ攻撃からの驚くべき、ほぼ理想的な保護は言うまでもなく、超強力な材料さえも必要としません。このアイデアはキース・ヘンソン氏も支持しており、彼は、1000トンの貨物を持ち上げるには、このシステムは中規模の発電所（わずか15MW）の稼働を必要とし、同時にそれらを100トンで配送できると計算した。地球へのトランスファー軌道までの距離は最大19万kmです。

人類が本気で月資源の開発に乗り出せば、おそらくこのプロジェクトは非常に役立つものになるだろう。それまでのところ、地球上で宇宙エレベーターを建設することは技術的な理由からほとんど不可能です。単に月からそれほど大量に輸送するものがないだけです。エレベーターが遅れているようです。

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日本の大林組は宇宙用のコンセプトカーを発表した。

これは地球から軌道に向かう宇宙エレベーターになります。このエレベーターは 2050 年までに稼働する予定です。

そして約50年前、人々は21世紀初頭には誰でも何度も宇宙飛行ができるようになるだろうと考えていました。残念ながらそうではありません。

このエレベーターは地球から高度36,000キロメートルにある宇宙ステーションにつながります。

しかし、ケーブルの長さは96,000キロメートルになります。これは軌道上のカウンターウェイトを作成するために必要です。

将来的には、エレベーターのルートを拡張するために使用できます。

エレベーターは時速200キロで移動でき、一度に最大30人を乗せることができる。

したがって、この最終目標を達成するには車両約8日かかります。

宇宙ステーションには研究室や居住区も設置される予定だ。

いいですね。しかし、そのような設計の非実用性については疑問があります。

1. ケーブルに十分な強度の材料がない

ケーブルにかかる荷重は 100,000 kg/m を超える場合があるため、ケーブルを製造する材料には、伸びに耐える非常に高い強度が必要であると同時に、非常に低い密度が必要です。そのような材料は存在しませんが、現在地球上で最も耐久性があり弾性のある材料と考えられているカーボンナノチューブでさえも適していません。残念ながら、それらを製造する技術は開発され始めたばかりです。これまでのところ、小さな材料片を入手することが可能であり、これまでに作成された最長のナノチューブは長さが数センチメートル、幅が数ナノメートルである。これから十分な長さのケーブルを作ることが可能かどうかはまだ不明です。

2. 危険な振動に対する感受性

ケーブルは太陽風の予測できない突風に影響されやすく、その影響下でケーブルが曲がり、エレベーターの安定性に悪影響を及ぼします。マイクロモーターをスタビライザーとしてケーブルに取り付けることもできますが、この方法では、次のような問題が発生します。メンテナンス構造物。さらに、これにより、特別なキャビン、いわゆる「クライマー」がケーブルに沿って移動することが困難になります。ケーブルがそれらと共振する可能性が高くなります。

3. コリオリ力

ケーブルと「クライマー」は地表に対して静止しています。しかし、地球の中心に対して、物体は地表では時速 1,700 km、軌道では時速 10,000 km の速度で移動します。したがって、「クライマー」には発進時にこの速度が与えられなければなりません。「クライマー」はケーブルに対して垂直な方向に加速するため、ケーブルは振り子のように揺れます。同時に、ケーブルを地球から引き剥がそうとする力が発生します。力はケーブルのたわみに反比例し、荷重とその質量を持ち上げる速度に正比例します。したがって、コリオリの力は、静止軌道への荷物の急速な持ち上げを妨げます。コリオリの力は、地球と軌道から同時に 2 つの「クライマー」を発射するだけで対抗できますが、その場合、2 つの荷重間の力によってケーブルがさらに伸びることになります。もう一つの選択肢は、キャタピラの履いた道を苦痛にゆっくりと登ることです。

4. 人工衛星と宇宙ゴミ

過去50年にわたり、人類は役立つものもあれば、あまり役に立たないものも含め、数多くの物体を宇宙に打ち上げてきました。エレベーターの建設者は、これらすべてを見つけて取り除くか（有用な衛星や軌道望遠鏡の数を考えると不可能です）、物体を衝突から保護するシステムを提供する必要があります。理論的にはケーブルは動かないので、地球の周りを回転する物体は遅かれ早かれケーブルに衝突します。また、衝突速度は本体の回転速度とほぼ等しいため、ケーブルに大きなダメージを与えます。ケーブルは取り回しが悪く、長いため衝突が頻繁に起こります。これにどう対処するかはまだ明らかではありません。科学者たちは、ゴミを燃やすための軌道上宇宙レーザーの構築について話しているが、これは完全にSFの領域を超えている。

5. 社会的および環境的リスク

宇宙エレベーターがテロ攻撃の標的になる可能性は十分にあります。解体作業が成功すると甚大な被害が発生し、プロジェクト全体が埋もれてしまう可能性もあるため、エレベーターと同時にその周囲に24時間体制の防御を構築する必要があります。環境活動家たちは、逆説的に言えば、ケーブルが地軸を変える可能性があると信じている。ケーブルは軌道上にしっかりと固定され、上部でのケーブルの動きが地球に反映されます。ところで、突然壊れたらどうなるか想像できますか？したがって、このようなプロジェクトを地球上で実行することは非常に困難です。さて朗報です。それは月でも使えるでしょう。衛星にかかる重力ははるかに小さく、実質的に大気は存在しません。地球の重力場にアンカーを作成でき、月からのケーブルがラグランジュ点を通過します。これにより、惑星とその自然衛星の間に通信チャネルが得られます。好条件があれば、このようなケーブルは1日あたり約1000トンの貨物を地球軌道に輸送できるだろう。もちろん、素材は超強力である必要がありますが、根本的に新しいものを発明する必要はありません。確かに、ゴマノフ軌道と呼ばれる効果により、「月」エレベーターの長さは約19万kmになるはずです。