宇宙エレベーターが壊れたらどうなるか

レット・アレイン

Apple TV の Foundation シリーズの最初のエピソードでは、銀河帝国が使用している宇宙エレベーターを破壊しようとするテロリストの姿が見られます。 これは、宇宙エレベーターの物理学について話し、宇宙エレベーターが爆発した場合に何が起こるかを考える絶好の機会のように思えます。 （ヒント：それは良くありません。）

人々は地球の大気圏外に何かを設置することを好みます。これにより、気象衛星、宇宙ステーション、GPS 衛星、さらにはジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡さえも実現できるようになります。 しかし現時点では、物体を宇宙に運ぶ唯一の選択肢は、私たちが通常「ロケット」と呼ぶ、制御された化学爆発に物体を縛り付けることだ。

誤解しないでください。ロケットはクールですが、高価で非効率でもあります。 1 キログラムの物体を地球低軌道 (LEO) に乗せるのに何が必要かを考えてみましょう。 ここは地球の表面から約 400 キロメートル、国際宇宙ステーションがある場所です。 この物体を軌道に乗せるには、2 つのことを達成する必要があります。 まず、400キロメートル持ち上げる必要があります。 しかし、物体の高度を上げるだけでは、長く宇宙に留まることはありません。 それは地球に戻ってくるだけです。 したがって、第二に、これを LEO に維持するには、非常に速く移動する必要があります。

エネルギーについて簡単におさらいします。私たちがシステムに投入するエネルギーの量 (これを仕事と呼びます) は、そのシステム内のエネルギーの変化に等しいことがわかります。 さまざまな種類のエネルギーを数学的にモデル化できます。 運動エネルギーは、物体がその速度によって持つエネルギーです。 したがって、物体の速度を上げると、運動エネルギーも増加します。 重力位置エネルギーは、物体と地球の間の距離に依存します。 これは、物体の高度が上昇すると、重力位置エネルギーが増加することを意味します。

したがって、ロケットを使用して、物体の重力位置エネルギーを増加させ (適切な高度まで上昇させるため)、運動エネルギーも増加させたいとします (速度を上げるため)。 軌道に乗るには高さよりも速度が重要です。 重力位置エネルギーに含まれるエネルギーはわずか 11 パーセントです。 残りは運動的なものになります。

ちょうど 1 キログラムの物体を軌道に乗せるための総エネルギーは約 3,300 万ジュールになります。 比較のために、床にある教科書を拾ってテーブルに置くと、約 10 ジュールがかかります。 軌道に乗るにはさらに多くのエネルギーが必要になります。

アンディ・グリーンバーグ

ゴフェン・ムプトゥブウェレ

ジュリアン・チョッカトゥ

キャシー・オルター

しかし、実際の問題はそれよりもさらに難しいのです。 化学ロケットの場合、1 キログラムの物体を軌道に乗せるためにエネルギーが必要なだけでなく、ロケットは LEO までの旅に必要な燃料も運ぶ必要があります。 この燃料が燃焼するまでは、本質的にはペイロードの余分な質量にすぎないため、さらに多くの燃料を投入して打ち上げる必要があることを意味します。 現実のロケットの多くでは、総質量の最大 85 パーセントが燃料になる可能性があります。 それは非常に非効率的です。

では、化学ロケットの頂上に打ち上げるのではなく、宇宙まで届くケーブルに物体を乗せることができたらどうなるでしょうか? 宇宙エレベーターでもそれが起こります。

高さ400キロメートルの巨大な塔を建てたとします。 エレベーターで頂上まで登れば、そこは宇宙です。 シンプルですよね？ いいえ、実際にはそうではありません。

まず、このような構造物を鋼鉄で簡単に構築することはできません。 重量により塔の下部が圧縮され、崩壊する可能性があります。 また、膨大な量の資材が必要となります。

しかし、それが最大の問題ではありません。速度の問題がまだあります。 (軌道に乗るには非常に速く移動する必要があることを覚えておいてください。) もしあなたが、地球の赤道のどこかに基部を持つ 400 キロメートルの塔の頂上に立っているとしたら、惑星は回転しているので、実際に移動していることになります。それはちょうど回転するメリーゴーランドの外側にいる人の動きに似ています。 地球は 1 日に約 1 回自転するため (恒星自転と共回自転には違いがあります)、角速度は 7.29 x 10-5 ラジアン/秒になります。