軌道エレベータ

NASAによる軌道エレベータ想像図

軌道エレベータ（きどうエレベータ）は、惑星などの表面から静止軌道以上まで伸びた軌道を持つエレベータのこと。または、その概念。軌道塔、宇宙エレベータ、同期エレベータ、静止軌道エレベータなどとも呼ぶ。旧ソ連での発案者ユーリ・アルツターノフの命名から「天のケーブルカー」、旧約聖書（創世記）におけるヤコブの話に因んで「ヤコブの梯子」、童話『ジャックと豆の木』から「豆の木」と呼ばれることもある。日本では芥川龍之介の蜘蛛の糸とも喩えられる事があり、吊り下げられている構造上も一番近い表現ではあるが、物語として切れる終わり方をするために、縁起が悪いと「蜘蛛の糸」と呼ばれることは嫌われる場合もある。

軌道エレベータは地上から静止軌道以上まで延びる構造物（塔、レール、ケーブル等）に沿って運搬機が上下することで宇宙と地球の間の物資の輸送を可能にするものである。電気を動力として用いることにより、ロケットよりも安全に、かつはるかに低コストで宇宙に物資を送ることができると期待されている。

当初は、軌道エレベータを建設するために必要な強度を持つ素材が存在しなかったため、軌道エレベータはSF作品などの中で描かれる概念的な存在でしかなかった。その後、理論的には必要な強度を持つものとしてグラファイト・ウィスカーなどが発見された。さらに、最近になってカーボンナノチューブが発見されたことにより、その早期の実現を目指した研究プロジェクトが発足している。しかし、極めて壮大な計画で建設や運用に困難が多いため、「机上の空論」と評されることもある。

概要

現在、地球上から宇宙空間へ人間や物資を運ぶ手段はスペースシャトルを含む化学ロケットしか存在しない。

ロケットを宇宙への物資運搬手段として考えた場合、地球の重力に抗して宇宙空間まで移動するのに莫大な燃料を消費する。ロケットは、原理的に本体の重量の大半（およそ90%以上）を燃料が占めるので効率が悪い。また、燃料として非対称ジメチルヒドラジンや塩素を含む固体燃料などを使用するものは、燃料そのものが有害物質であったり、燃焼時に有毒物質を発生したりして、環境を汚染している。爆音や有毒ガスの発生以外にも、信頼性や事故発生時の安全措置の面でも不安がある。

このため、将来恒常的に大量の物資・人員を輸送すること念頭に置いた場合、経済的で無公害の輸送手段が望まれる。現在、ロケットに代わるさまざまな輸送手段が検討されているが、軌道エレベータはその一つである。

概念としては、静止軌道上の人工衛星から地上に達するケーブルを垂らし、そのケーブルを伝って昇降することで、地上と宇宙空間を往復するのを想像すれば良い。その際、全体の遠心力が重力を上回るように、反対側にもケーブルを伸ばしたり、十分な質量を持つアンカー（いかり）を末端に設ける。エレベータという呼称が使われているが、ケーブルで籠を動かすのではなく籠が軌道を伝って上下に移動する。ケーブルは下に行くほど重力が強まり遠心力が弱まる一方、上に行くほど重力が弱まり遠心力が強まる。したがってケーブルのどの点においても張力がかかる。その大きさは、その点より上の構造物に働く重力と遠心力の絶対値の差である。一般に言われるように赤道上にしか建設できないわけではないが、赤道上であればケーブルにかかる張力を小さくできるので最適である。ケーブルにかかる張力が大きくなるという点だけを考えても、赤道から極端に離れた場所に建設するのは難易度が高くなる。比較的赤道に近い場合でも、安定性や建設方法など考慮すべき事は増える。赤道以外ではケーブルが地面に対して垂直にはならない。また地球の重力場は完全に均一ではないため、赤道上に作るなら西経90度（ガラパゴス諸島付近）および東経73度（モルディブ付近）が最も安定させやすい。しかし、技術的問題もさることながら、現在赤道近辺の国家は情勢が不安定なところが多く、仮に建設が出来る技術があるにせよその場所は必然的に絞られるという懸念もある（そのような技術を人類が手にする頃には世界情勢が大きく変化している可能性もあるが）。荷物を上げ下げする際にコリオリ力が発生するが、地球につなぎ止められているため全体が逆さの振り子のように働き、元の位置を自然に維持する。

昇降には電気動力を使い、電力はケーブルを通じて供給するようにすると、ロケットのように燃料を運び上げる必要がないため、一度に宇宙空間に運び出す荷を大幅に増やすことができる。また、上るときに消費した電力は位置エネルギーとして保存されているので、降りで回生ブレーキを使って位置エネルギーを回収すれば、エネルギーの損失がほとんどなく、運転費用が非常に安くて済む。一つの試算によると現行ロケットの場合、1ポンドあたり4～5万ドルなのに対し、軌道エレベータの場合約100ドル（1kg当たり220ドル）となる[1]。また、衛星軌道上での太陽光発電エネルギーをマイクロ波ないしは遠赤外レーザーの形で衛星軌道上で受電、ふたたび電力に還元して地上までケーブルで送る「送電塔」としても活用できる（直接地上に送電照射するのは、大気中の減衰が大きい上に環境面への影響も懸念される上、軍事・テロに悪用される危険性もある）。

昇りのとき1Gで加速し、中間点からは1Gで減速すると約1時間で静止衛星軌道に到着する。加速時のGが低いので、利用者の肉体に対する負担が少なく、特別な訓練を受けた宇宙飛行士でなくとも宇宙に行くことができる。ただし、前記条件では中間地点での速度は時速64,000kmに達することになる。近未来においては、もう少し遅い速度で運用されると思われる。

地上から人工衛星までは、遠く時間が掛かる為、利用者にストレスを与えない為に、列車の様に、昇り（あくまでエレベータなので「上り」とは書かない）と降りの何台ものエレベータが運用されると思われる。その場合、エレベータの昇降機（ゴンドラ）は、エレベータの両端（地上側と人工衛星側）でUターンする事になる。

歴史

軌道エレベータの着想は、宇宙旅行の父コンスタンチン・E・ツィオルコフスキーが1895年に既に自著の中で記述している。1959年に刊行された同書の中でツィオルコフスキーは、赤道上から天に塔を建てていくと、次第に遠心力が強くなり、ある点（静止軌道半径）で遠心力と重力が釣り合うと述べた。同年、ユーリ・アルツターノフが逆に静止軌道上からその上下にケーブルを伸ばす前述のような軌道エレベータの構想（天のケーブルカー）を発表した。

軌道エレベータを構築する上で一番の問題は、静止軌道まで約36,000kmも伸ばしたケーブルが自重によって切れてしまうのを防ぐことである。

1975年ジェローム・ピアソンは、軌道エレベータの材料に関する研究を行った。その結果、上空に行くに従い重力が小さくなり、かつ遠心力が強くなることを考慮すると、引っ張り強さ/密度（破断長）が4,960kmほどの物質（すなわち一様な重力場で、一様な太さのケーブルを4,960km下に伸ばすまで切れない）が必要なことがわかった。この数値はすべて一様な太さの軌道エレベータを構築した場合で、特に引っ張り力のかかる部分を太くするテーパー構造（末細り型）にした場合、多少改善されるものの、現実の物質と比較してみると、鋼鉄が50km、ケブラー繊維が200km程とまったく足りない。

そのため、長い間、軌道エレベータはSFの素材や未来の工学として概念的なものとして扱われてきた。しかし、1982年に、破断長約1,000kmで、理論的にはテーパー構造の軌道エレベータを建造できる強度のグラファイト・ウィスカーが発見された。さらに近年、極めて高い強度を持つカーボンナノチューブの発見により、実用化可能と言われるようになった。

現在、2018年 4月12日の開通を目指し、1メートル幅のカーボンナノチューブでできたリボンを、赤道上の海上プラットフォーム上から10万キロ上空まで伸ばすプロジェクトが、全米宇宙協会などによりすすめられており注目されている[2]。1999年にNASAの二つのグループが初めて、続いて2000年に援助を受けた研究により元ロスアラモス国立研究所員のブラッド・エドワード博士がそれぞれ軌道エレベータの理論的な実現性に関して報告している。これらの研究報告に基づき、LiftPort社がアメリカ、ワシントン州シアトル郊外のブレマートンに設立され、NASAからの援助を受けて軌道エレベータの早期実現へ向けた研究開発を行っている[3]。

2005年9月、米LiftPort Groupは同社が開発中の宇宙エレベータの上空での昇降テストを行った。今回のテストは、カーボンナノチューブではないケーブルを使用して気球に接続し、次第に気球の高度を上げていき、3回目では高度約1,000フィート（約304.8メートル）に達した。実験写真を見る限りでは、SFなどで登場する塔のようなものではなく、上空から垂らしたケーブルを箱が昇っていくというシンプルなものである。

建造方法

代表的な建造方法として、長大な吊り橋を建設する場合と同じ方法を採ることが提唱されている。まず静止軌道上に人工衛星を作り、地球側にケーブルを少しずつ下ろしていく。その際、重心が静止軌道からはずれないように、反対側にもケーブルを伸ばす。地球側に伸ばしたケーブルが地上に達すると、それをガイドにしてケーブルをさらに何本も張って太くし、構造物を構築する。ケーブルや構造物の建築材料は地上から運び上げずに、小惑星帯から適切な鉱物を含む小惑星を運搬してきて静止軌道に設置し、工場を建設して静止軌道上で製造する方法が最も安上がりになると考えられている。

SF作家のチャールズ・シェフィールドは、小説『星ぼしに架ける橋』の中で、宇宙空間で建造した全長数万kmの軌道エレベータを、回転させながら一端を大気圏に突入させ、地上に接地したところで山を丸ごと爆破した岩雪崩で強引に押さえつけて固定するという、小説ならでは（そしてアメリカ流ならでは）のスリルある豪快なアイデアを示している。上記吊り橋法を小説『楽園の泉』で提唱したアーサー・C・クラークはこれを「髪の毛が逆立つような方法。この部分だけは信じられない。許可が下りないのは確かである」と評した。

派生アイデア

軌道エレベータはあまりに巨大であるため建設費がかかりすぎる難点がある。それを補うため、さまざまなアイデアを追加した変種が提唱されている。

宇宙のネックレス: 赤道上に多数の軌道エレベータを建設し、それらを静止軌道よりも少し上の部分で互いにケーブルでつなぎ、力学的に安定させる方法。ケーブルは常に遠心力で円形に広がり各軌道エレベータを左右から引っ張るので、赤道上ならどこでも軌道エレベータを建設できる。1977年にソ連のG・ポリャーコフが提唱した。
スカイフック、テザー衛星: 静止軌道よりも低軌道の地球周回軌道を使用するためのアイデア。軌道エレベータを固定せず、重心を中心として回転させる。地球と接地する部分との相対速度が0となるように回転速度を調整することで、地上からの物資や旅客の乗り移りを可能にする。低軌道におくことができるのでサイズが小さくて済み、そのぶん建造コストが安くなる。赤道上でなくても接地できるので自由度が高い。空気抵抗による恒常的な回転速度の低下と、軌道の低下、接地部分が大気に突入したときの摩擦による発熱、衝撃波の発生をどのように防ぐかという問題がある。; 詳細はテザー推進を参照
極超音速スカイフック: 上記のスカイフックを改良したアイデアとして、1993年にロバート・ズブリンが提唱。ケーブルの下端が大気圏の上（高度100km付近）にあり、その地上との相対速度が極超音速（マッハ10～15）となる構造をしたもの。回転はせず、軌道エレベータの大気圏内部分を取り除いたような構造となる。スカイフックと比べ規模が小さく（静止トランスファ軌道 (GTO) に1.5tの打ち上げ能力を持たせた場合で、質量16.5t）、大気との摩擦による問題も軽減されるため、カーボンナノチューブのような新技術を用いずともケブラー繊維等で建設が可能といわれている。ケーブル下端にはロケットやスペースプレーンでアクセスし、ペイロードを積み替える。
ORS（軌道リング）: 1982年ポール・バーチは、スカイフックの欠点を受けて、オービタルリング（Orbital Ring Systems、ORS）という概念を発表した。これは、磁性流体などの流体を、地球を一周するチューブのようなものの中に封入して高速で移動させると、張力が発生して物をぶら下げることができるというもの。ここから地上に構造物を下ろすとそれが軌道エレベータになる。この場合、軌道エレベータの全長が、静止軌道を用いた場合よりもはるかに短くて済むという利点もある。

建造可能性

軌道エレベータを実際に建設するために乗り越えなければならない技術的課題がある。

材料: 材料の強度の点では、これまでの最強クラスの素材であったピアノ線やケブラー繊維を用いても静止衛星軌道から垂らすには強度がまったく足りなかったが、カーボンナノチューブの発見により、少なくとも理論上は可能性が見えてきた、ということは先述した通りである。; しかしながら、カーボンナノチューブの発見は1991年で21世紀初頭の時点ではまだ研究の端緒にあり、試験管の中で半導体の性質を持ったチューブを作るなどの実験を繰り返しているという段階である。建造物の素材となりうる大きさのシートを作るべくチューブの太さや長さを自由に制御し、大量生産できる技術には到達していない。最近では新たな製造方法が開発されたが、未だに工業的大量製造にはほど遠い。; また、カーボンナノチューブを使って建造物を建てるための、構造計算や維持運用についてはまったくの白紙である。ノウハウの蓄積のためには、軌道エレベータ建造への応用の前に、まず十分な実験、試用の期間が必要だろう。
月面での建造: 上記のように、地球上での建設では材料が大きな課題となっている。そのため、地球以外の天体での建造可能性に目が向けられることがある。しかし、地球に最も近い天体である月に軌道エレベータを建造する場合、地球上で建造する場合と比べ、別種の問題が付きまとうことになる。; 月は地球に比べ重力が小さく、大気の影響も受けない。しかし、自転速度が遅く、公転と同期しているので、月と地球の引力の中心点（ラグランジュ点）にアンカーを置かなければならない。これは、建設地点・運用が大きく制限されることを意味する。また地表からラグランジュ点までの距離は最も近いL₁でも56,000 kmであり、地球－静止軌道間の36,000km以上である。さらに、月面に建造する場合地球から物資を輸送せねばならないわけで、そのためにかかる諸費用も莫大になることは言うまでもない。; そして、月のような低重力・真空の環境下では、SSTOやマスドライバーなど他の低コストな打ち上げ手段も現実的な選択肢となりえることを考慮しなくてはならない。
火星での建造: アーサー・C・クラークは軌道エレベータを題材にしたSF小説『楽園の泉』において、火星での建設可能性について言及している。ここでは地上駅を赤道直下にある巨峰パヴォニス山に、終端に衛星ダイモスを用いるとしており、月同様に低重力や大気の影響を受けないために地球の1/10ほどのコストで建造できるとしている。また材料についてもダイモスに無尽蔵に存在する炭素を用いて超炭素繊維を現地生産するとしている。ダイモスより内側を回っているもうひとつの衛星フォボスとの衝突回避の手段についても示されている。; むしろ問題は火星に建設する必要性の問題だが、これも同作では、火星のテラフォーミングのために地表を温める反射鏡を火星で製造して（既に火星には多くの人々が定住しており、鏡の材料が地上でしか入手できない設定）宇宙に持ち上げるために使用するとされている。

建造可能性以外の課題

以下の内容は著者独自の見解で根拠がないのではないかと言っていた人がいたようです。

現時点で議論の焦点は、実際それが技術的に建造可能か否かという点である。ひとたび建造可能性に目処が立った場合、続いて克服すべきいくつかの課題があるだろう。

建設費用・維持費: 軌道エレベータは非常に大きな建造物のために建設費も非常に大きな額となり、その調達法は大きな問題となるだろう。少なくとも一国でまかなえる額ではないので、国際的なプロジェクトになると考えられる。; また、宇宙空間は相当に過酷な環境であり、軌道エレベータのような長大な建造物も日光や宇宙線などにより材料の劣化にさらされる懸念がある。スペースデブリとの衝突による破損も考慮に入れなければならず、軌道エレベータのような長大な建造物を維持修繕していくには莫大な費用がかかるだろう。また、デブリという観点から見れば、仮に建設にこぎつけたとしても建設中に発生する破片や工具が新たなデブリとなってエレベータを襲う可能性も高い。建設費用と維持費用が、はたして軌道エレベータ建造が与える利便に見合うかどうかという問題がある。
安全上の問題点: 軌道エレベータに対する安全上の脅威がいくつか想定される。; 航空機やシャトル、人工衛星などとの衝突が起きた場合、軌道エレベータの本体は深刻な損傷を受ける。軌道エレベータのシャフト部分の一部でも損傷した場合、損傷箇所に極めて大きな応力がかかって、軌道エレベータ全体が崩壊する可能性がある。もしこのような事態になれば、大気圏外から落下する軌道エレベータの破片は、ちょうど数珠繋ぎの隕石のように地球に落下して、かなり広い帯状の地域がダメージを受けるだろう。規模にもよるが、「核の冬」のように塵が大気圏内に舞い起こって、植物の枯死、人類の大量死、生物の大絶滅に至る可能性がある。軌道エレベータの崩壊が地球環境に与える影響は非常に大きくなる可能性がある。全米宇宙協会などでの現在の案では、軌道エレベータはラップフィルム状の薄いもののみとし、落下時の空気抵抗を大きくし、輸送量を増やすには離して本数を増やす事で、影響が全体に及ばないようにする事が考えられている。; また、軌道エレベータは縦にきわめて長大な建造物であり、材質の強度と遠心力・重力等のバランスのもとに成り立っているため、テロリストによる破壊工作に弱いという指摘がある。衝突事故を防ぐためには、軌道エレベータの周囲の広範囲を飛行禁止区域として設定し、レーダーなどで常時監視することが必要だろう。; 軌道エレベータにスペースデブリが衝突する可能性がある。小さなものであれば軌道エレベータ自体への影響は軽微で済むが、軌道エレベータの昇降機や乗客・貨物への悪影響が考えられる。もしくは小さなものでも全損する前提で、多数の軌道エレベータを同時運用し、昇降機そのものに大気圏突入能力を持たせる事も考えられている。; 対策としては、定期的なスペースデブリの回収作業も並行して行う必要がある。まだ建造に至らない現在においても、スペースデブリはいずれ回収作業が必要な、現実の問題である。; 類似の問題として、軌道エレベータが存在する高度を飛ぶ人工衛星の衝突の可能性が挙げられる。赤道上に軌道エレベータを建造した場合、人工衛星は必ず赤道面を通る事から、いずれ軌道エレベータに衝突する可能性がある。特に低高度を飛ぶ偵察衛星等の軍事衛星は周回時間も短く、それだけ衝突の可能性が高い。その上この類の衛星は軍事機密上存在自体が秘匿される事もあり、想定範囲外の衝突が発生する恐れもある。これらが衝突を回避する様に全て制御するのは困難であるし、活動の妨げになる物の建造に異を唱える国家等もあり得る。; 軌道エレベータは長い弦とみなせるので、固有振動数に一致する振動が発生すると、減衰せずにエネルギーが蓄積されて振動し続け、応力限界を超えて破壊される恐れがある（タコマナローズ橋の崩落事故が有名）。これは荷物を適宜上げ下げして振動を打ち消すことで回避できる。; 熱による伸縮の問題もある。高さ300m程度の東京タワーやエッフェル塔でさえ、季節や昼夜の気温差によって数十cm伸縮する。全長が数万kmにもなる軌道エレベータにも同様の問題が起こり得るので、全体の膨張・伸縮に対して何らかの対策をする必要がある。; 軌道エレベータのケーブル下端は大気圏内にあるため、ジェット気流や台風などの風圧を受ける懸念もある。ただし赤道無風帯に建設すればこれらは避けられる。酸素と反応して劣化する可能性もある。これはカーボンナノチューブなど可燃性の物質の場合、特に危険である。
環境への影響: 軌道エレベータのような大規模構造物が環境にどのような影響を与えるかはまだわかっていない。ただし軌道エレベータのケーブルは極めて細いため、大気の擾乱や熱伝導による気温変化は小さいだろう。また建造に伴う廃棄物による公害などが考えられるが、本格的な研究にはまだ着手されておらず、定量的に示すことはできない。
政治的課題: 軌道エレベータを経済的に建設できる場所は赤道近辺だけであるため、軌道エレベータが建設されるような時代になってもまだ強力な国家や経済ブロックが残存していると、建設場所の領空の使用権、軌道エレベータの権利を巡って政治的な紛争が起こる可能性がある。