月面宇宙エレベーター
月面宇宙エレベーターまたは月面スペースリフトは、月の表面（下部）と、数万キロメートル上空の宇宙空間に吊り下げられたドッキングポート（上部）の間に設置されたリボン状のケーブル上を機械式の登山車両を上下に移動させるための輸送システムとして提案されている。
これは、よりよく知られている地球ベースの宇宙エレベーターのアイデアと概念的に似ていますが、月の表面重力は地球よりもはるかに低いため、月面エレベーターシステムを構築するための工学的要件は、既存の材料と技術で満たすことができます。月面エレベーターでは、ケーブルまたはテザーは、地球ベースのシステムで使用されるものよりも、月面から宇宙空間へとかなり遠くまで伸びます。しかし、宇宙エレベーターシステムの主な機能はどちらの場合も同じです。どちらも、重力井戸の底にある基地局と宇宙空間のドッキングポートの間で、貨物、あるいは場合によっては人などのペイロードを輸送するための、再利用可能で制御可能な手段を提供します。
月面エレベーターは、月面への軟着陸装置のコストを大幅に削減し、信頼性を向上させる可能性があります。例えば、イオン推進装置など、質量効率が高く（高比推力）、推力の低い駆動装置の使用が可能になります。これらの駆動装置は、月面への着陸は不可能です。ドッキングポートは微小重力環境でケーブルに接続されるため、これらの駆動装置やその他の駆動装置は、地球から最小限の燃料で低地球軌道（LEO）からケーブルに到達できます。従来のロケットでは、LEOから月面に到達するために必要な燃料は着陸質量の数倍であるため、エレベーターは月面を目指すペイロードの打ち上げコストを同様の比率で削減できます。
位置
宇宙空間には、エレベーターのドッキングポートが月と同期した安定した位置を維持できる2つの点、地球-月ラグランジュ点 L 1とL 2があります。月の軌道離心率は0.055であるため、これらの点は月面に対して固定されていません。L 1は月の地球側（月の赤道）から56,315 km ± 3,183 km離れており、L 2は月の裏側の中心から反対方向に62,851 km ± 3,539 km離れています。これらの点では、月の重力の影響と、エレベーターシステムの同期した剛体回転によって生じる遠心力の影響が相殺されます。ラグランジュ点L 1とL 2は、重力の平衡が不安定な点です。つまり、そこに配置された物体が月の表面に対して静止した状態を保つためには、小さな慣性調整が必要になります。
地球から静止軌道までの距離 36,000 km と比較すると、これら 2 つの位置はどちらも（月から）かなり上にあります。さらに、月まで伸びるケーブル システムの末端の重量を、さらに上方に伸びるケーブルでバランスを取らなければなりませんが、月の自転が遅いことから、上部の末端は地球ベースのシステムよりもはるかに長くするか、その上にはるかに重いカウンターウェイトを設置する必要があります。1 kg のケーブルまたはペイロードを月の表面のすぐ上にL 1点の方向に吊るすには、 L 1のように地球に 26,000 km 近い軌道では、カウンターウェイトとして 1,000 kg の質量が必要になります。 （より長いケーブル上のより小さな質量、例えば地球まで半分以上の距離である 230,000 km で 100 kg の質量でも、同じバランス効果があります。） 1 kg のケーブルまたはペイロードを月の表面のすぐ上のL 2点の方向に吊るすには、月からおよそ 120,000 km の距離に 1,000 kg のカウンターバランスが必要になります（ L 2点としては月から 51,000 km 以上離れており、L 2点が月に最も近い場合はほぼ 59,000 km）。これらの 1,000 kg は、月と同じ公転周期で地球の周りを周回しますが、その平均軌道半径は月のほぼ 3 分の 1 大きく、そのような軌道に維持するための求心力は、月の表面での 1 kg の重さに等しくなります。
宇宙エレベーターのアンカーポイントは通常、赤道上と考えられています。しかし、月の極のいずれかに月面基地を設置する可能性もいくつかあります。例えば、恒久的に光が降り注ぐ山頂に基地を設置すれば、ほぼ常時太陽エネルギーを活用できます。また、クレーターの底には、恒久的に日陰になっているため、少量の水やその他の揮発性物質が閉じ込められている可能性があります。宇宙エレベーターは、月の極に直接設置する必要はありませんが、極の近くに設置することも可能です。ケーブルを極まで運ぶには、軌道を利用することができます。月の低重力環境下では、地球上よりもはるかに高い支持塔を建設し、支持塔間のスパンを広くすることができます。
製造
月面エレベーターは、重力が低く大気がないため、地球に係留されるケーブルよりもケーブル材料の引張強度に対する要件が緩やかです。地球ベースのエレベーターには、理論的には可能だが実用化されていない高強度・軽量の材料（例えば、カーボンナノチューブ）が必要です。しかし、月面エレベーターは、市販されている大量生産可能な高強度パラアラミド繊維（ケブラー繊維やM5繊維など）や超高分子量ポリエチレン繊維を用いて構築することが可能です。
地球の宇宙エレベーターと比較すると、地上接続の位置に関する地理的および政治的制約は少なくなります。月面エレベーターの接続点は、必ずしも重心の真下である必要はなく、極地付近に設置することも可能です。極地では、太陽光が届かない深いクレーターに凍った水が存在する可能性が示唆されています。もしそうであれば、これを収集してロケット燃料に変換できる可能性があります。
断面プロファイル
地球用の宇宙エレベーターの設計では、通常、均一な断面ではなく、均一な応力プロファイルを提供するテーパー状のテザーが採用されています。月面宇宙エレベーターの強度要件は地球宇宙エレベーターのそれよりもはるかに低いため、均一な断面が実現可能です。NASAの先端概念研究所のために行われた研究では、「現在の複合材は数百キロメートルの固有高度を持ち、火星では約6、月では約4、地球では約6000のテーパー比が必要になります。月の質量は十分に小さいため、テーパーを全く設けずに均一断面の月面宇宙エレベーターを建設することが可能です。」と述べています。[1]均一な断面であれば、月面宇宙エレベーターを二重テザー滑車構成で建設することが可能になります。この構成は、テーパー状のエレベーター構成と比較して、宇宙エレベーターの修理を大幅に簡素化します。しかし、滑車構成では、アップテザーとダウンテザーを分離し、絡まりを防ぐために、カウンターウェイトに数百キロメートルにも及ぶ支柱が必要になります。また、滑車構成であれば、テザーの回転に合わせてラグランジュ点に新しいテザー素材を縫い付けることで、システム容量を徐々に拡張することも可能になります。
歴史
宇宙エレベーターのアイデアは、ユーリ・アルツタノフがプラウダ紙日曜版の付録で、そのような構造物の建造方法と静止軌道の有用性について執筆した1960年から存在していた。しかし、彼の記事は西側諸国では知られていなかった。[要出典] その後1966年、スクリプス研究所のアメリカ海洋学者グループのリーダーであるジョン・アイザックスが、静止衛星から細いワイヤーを吊るすという構想についてサイエンス誌に記事を発表した。その構想では、ワイヤーは細くなるはずだった（細いワイヤー／テザーは微小隕石の影響を受けやすいことが現在では分かっている）。アルツタノフと同様に、アイザックスの記事も航空宇宙コミュニティではあまり知られていなかった。[要出典]
1972年、ジェームズ・クラインは月面エレベーターに似た「ムーンケーブル」のコンセプトを説明した論文をNASAに提出した。[2] NASAは技術的なリスクと資金不足を理由にこのアイデアに否定的な反応を示した。[3]
1975年、ジェローム・ピアソンは宇宙エレベーターの構想を独自に考案し、 Acta Astronautica誌に発表しました。これにより、航空宇宙コミュニティ全体が初めて宇宙エレベーターの存在を知ることとなりました。彼の論文は、アーサー・クラーク卿に小説『楽園の泉』（1979年、チャールズ・シェフィールドの同名小説『宇宙間の網』とほぼ同時期に出版）の執筆のきっかけを与えました。1978年、ピアソンは自身の理論を月まで拡張し、静止軌道ではなくラグランジュ点を用いるようになりました。[4]
1977年、ソ連の宇宙の先駆者フリードリヒ・ザンダーのいくつかの論文が死後に出版され、彼が1910年に月面宇宙塔を構想していたことが明らかになった。[5]
2005年、ジェローム・ピアソンはNASA先端概念研究所の研究を完了し、このコンセプトが既存の市販材料を使用して最先端の技術で実現可能であることを示しました。[6]
2011年10月、リフトポートのウェブサイトでマイケル・レインは、地上エレベーターの実現を目指す前の中間目標として月面宇宙エレベーターの実現を目指していると発表した。2011年の月探査分析グループ（LEAG）年次総会で、リフトポートのCTOであるマーシャル・ユーバンクスは、レインが共同執筆した月面エレベーターのプロトタイプに関する論文を発表した。[7] 2012年8月、リフトポートはプロジェクトが実際には2020年頃に開始される可能性があると発表した。[8] [9] [10] 2019年4月、リフトポートのCEOであるマイケル・レインは、月面エレベーター会社の概念設計以上の進展はないと報告した。[11]
材料
地球固定型の宇宙エレベーターとは異なり、月面宇宙エレベーターの材料にはそれほど強度は必要ありません。月面エレベーターは現在入手可能な材料で製造できます。構造物の構築にカーボンナノチューブは必要ありません。[1]十分な量のカーボンナノチューブ材料が利用可能になるまでには、まだ何年もかかるため、この方法であればエレベーターの建設ははるかに早く完了するでしょう。[12]
大きな可能性を秘めた素材の一つがM5繊維です。これはケブラーやスペクトラよりも軽量な合成繊維です。[13]ピアソン、レビン、オールドソン、ワイクスの論文「月面宇宙エレベーター」によると、幅30mm、厚さ0.023mmのM5リボンは月面で2000kgを支えることができます（2005年）。また、エレベーターの長さに沿って均等に間隔をあけて、質量580kgの貨物車両100台を積載することもできます。[1]使用可能な他の素材としては、T1000Gカーボンファイバー、スペクトラ200、ダイニーマ（ YES2宇宙船で使用）、ザイロンなどがあります。これらの素材はすべて、 1gの荷重下で数百キロメートルの破断長を持ちます。[1]
| 材料 | 密度ρ kg/m 3 | 応力限界σ GPa | 破壊高度 （h = σ / ρg、km） |
|---|---|---|---|
| 単層カーボンナノチューブ（実験室測定） | 2266 | 50 | 2200 |
| 東レ炭素繊維（T1000G） | 1810 | 6.4 | 361 |
| アラミド株式会社 ポリベンゾオキサゾール繊維（ザイロンPBO） | 1560 | 5.8 | 379 |
| ハネウェル延長鎖ポリエチレン繊維（Spectra 2000） | 970 | 3.0 | 316 |
| マゼランハニカムポリマーM5（計画値付き） | 1700 | 5.7(9.5) | 342(570) |
| デュポンアラミド繊維（ケブラー49） | 1440 | 3.6 | 255 |
| ガラス繊維（比強度参照） | 2600 | 3.4 | 133 |
これらの材料は、 L1またはL2の平衡点から月面までを結ぶリボン状の係留ケーブルの製造に使用されます。完成したエレベーターシステムでは、これらのケーブルを移動するクライミングビークルはそれほど高速ではないため、貨物の輸送やシステムの構造的完全性の維持といった課題が軽減されます。しかし、係留ケーブルのように長期間宇宙空間に浮遊する小型物体は、微小隕石による損傷を受けやすいため、その生存性を向上させる一つの方法として、単一の係留ケーブルではなく「マルチリボン」システムを設計することが考えられます。[1]このようなシステムでは、一定の間隔で相互接続部が設けられ、リボンの一部が損傷した場合、切断されたリボンを交換するロボットビークルが到着するまで、平行した複数の部分が荷重を支えます。相互接続部は約100km間隔で配置され、これはロボットクライマーが交換用リボン100kmの質量を運ぶのに十分な大きさです。[1]
登山車両
月から軌道上に必要な物資を輸送する方法の一つとして、ロボットクライミングビークルの使用が挙げられます。[1]これらのビークルは、エレベーターのリボンに押し付ける2つの大きな車輪で構成され、十分な摩擦力で揚力を得ます。[1]クライマーは水平方向または垂直方向のリボンに設置できます。
車輪は電気モーターで駆動され、太陽エネルギーまたはビームエネルギーから電力を得る。リボン状の地形を登るのに必要な電力は月の重力場によって決まり、L 1までの距離の最初の数パーセントで電力は減少する。[1]登山者がリボン状の地形を横断するために必要な電力は、L 1地点に近づくにつれて減少する。体重540kgの登山者が秒速15メートルで移動した場合、L 1地点までの7パーセント地点に到達するまでに、必要な電力は地表での10キロワットに対して100ワット未満にまで低下する。
太陽光発電車両を使用する際の問題点の一つは、航行中に太陽光が不足することです。毎月の半分は、リボンの下部にある太陽電池パネルが日陰になります。[1]この問題を解決する一つの方法は、車両を一定の速度で基部から打ち上げ、軌道の頂点でリボンに取り付けることです。[1]
考えられる用途
地球からの物質は軌道上に送り込まれ、その後月まで送られ、月面基地や施設で使用される可能性があります。[1]
ジョージ・W・ブッシュ元米国大統領は、 宇宙探査ビジョンに関する演説の中で、月が将来の宇宙探査ミッションにおいて、費用対効果の高い建設、打ち上げ、燃料補給の拠点となる可能性を示唆しました。ブッシュ大統領が指摘したように[14] 、 「（月の）土壌には、採取・加工してロケット燃料や呼吸可能な空気にできる原材料が含まれている」のです。 例えば、提案されているアレスV大型ロケットシステムは、地球からドッキングステーション（月面エレベーターにカウンターウェイトとして接続）まで、費用対効果の高い方法で[15]原材料を輸送し、 [16]将来の宇宙船を建造・打ち上げることができます。一方、採掘された月資源は、エレベーターのアンカーポイント付近の月面基地から地球に輸送されます。もしエレベーターが月の北極付近に建設された月面基地に何らかの形で接続されれば、そこに存在することが知られている氷を採掘することもでき、エレベーターのドッキングステーションにいる乗組員にとって、容易に利用できる十分な水源となります。[17]また、月と火星間の移動に必要な総エネルギーは地球と火星間の移動に必要なエネルギーよりもかなり少ないため、このコンセプトは人類を火星に送る際の技術的な障害の一部を軽減する可能性があります。
月面エレベーターは、月面から地球の軌道へ、あるいはその逆の物資や資材を輸送するためにも使用できる。ジェローム・ピアソンによれば、月の物質資源の多くは、地球の表面から打ち上げるよりも容易に採掘して地球の軌道に送り込むことができるという。[1]例えば、月の表土自体は、長期ミッション中の宇宙ステーションや有人宇宙船を太陽フレア、ヴァン・アレン放射線、その他の宇宙放射線から守るための巨大な資材として利用できる可能性がある。月に天然に存在する金属や鉱物は採掘して建設に利用できる可能性がある。特に、巨大な衛星太陽光発電所の太陽電池パネルの製造に利用できる可能性のある月のシリコン鉱床は有望視されている。[1]
月面エレベーターの欠点の一つは、登攀車両の速度が遅すぎて、人間の輸送システムとして効率的に機能しない可能性があることです。地球ベースのエレベーターとは異なり、ドッキングステーションから月面までの距離が長いため、「エレベーターカー」は目的地に到着するまでに数日、場合によっては数週間、乗組員を支えられる能力が必要になります。[12]
参照
参考文献
- ^ abcdefghijklmno ピアソン、ジェローム、ユージン・レビン、ジョン・オールドソン、ハリー・ワイクス (2005). 「地球月周回宇宙開発のための月面宇宙エレベーター フェーズI 最終技術報告書」(PDF) .
- ^ “ムーンケーブル：宇宙における重力電気サイフォン”. 2012年2月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年11月24日閲覧。
- ^ 1972年6月23日、 KBアメリカ航空宇宙局宛返信
- ^ ピアソン、J.、「月アンカー衛星テスト」、AIAA論文、78-1427、1978年8月
- ^ ツァンデル、フリドリフ・アルトゥロヴィッチ (1977).厳選された論文（ロシア語）。リガ: ジナットネ。
- ^ [1] ピアソン、J.、「地球周回軌道の宇宙開発のための月面宇宙エレベーター」、NASA NIACフェーズI最終技術報告書、NASA助成金#07605-003-034、2005年5月2日
- ^ LADDER: プロトタイプ月面宇宙エレベーターの開発 TM Eubanks と M. Laine、Liftport Luna
- ^ 「打ち上げ！月面の『宇宙エレベーター』はまもなくSFになるかも」RussiaToday、YouTube経由。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月1日閲覧。
- ^ 「月面宇宙エレベーターのインフラ」ElevatorToSpace（YouTube経由）。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月21日閲覧。
- ^ 「月面宇宙エレベーター構想、新たな命を吹き込まれる」ruvr.ru。2013年4月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年8月28日閲覧。
- ^ 「もし宇宙エレベーターが実現するなら、ニュージャージー州でスタートできたはずだ。失敗の経緯はこうだ」NJ.com、2019年3月28日。 2019年5月11日閲覧。
- ^ ケイン 2004
- ^ ベーコン 2005
- ^ 「ブッシュ大統領、宇宙探査計画の新たなビジョンを発表」NASA 2004年1月14日. 2009年6月17日閲覧。
- ^ 「NASA - Ares I 有人打ち上げロケット」NASA 2009年4月29日. 2009年5月13日閲覧。
- ^ 宇宙エレベーター#カウンターウェイトを参照してください。
- ^ Ghose, Tia (2010年3月1日). 「月の北極で数百万トンの水氷が発見される」. Wired .
外部リンク
- アーサー・C・クラークによるスカイフックのあらゆる装置に関する入門レビュー
- 月面宇宙エレベーターに関するUniverse Todayの記事
- ジェローム・ピアソンによるエレベーター提案
- LiftPortの企業ウェブサイトとフォーラム
- ジェローム・ピアソンの宇宙エレベーターに関する企業ウェブサイト
- spacetethers.comシミュレータのサンプル95と96における月面宇宙エレベーターのシミュレーション
