マスドライバー
赤道直下のアフリカ大陸や南アメリカ大陸の西端から東に向けて内直径10mで長さ3,328kmの高気密性のチューブ軌道を水平に敷設し、この東にカーボンナノチューブ（略称：ＣＮＴ）の円管で上昇傾斜角30度,傾斜部の直線の長さ200km,東端の高さ100kmの塔を建設し,傾斜部にチューブ軌道を延長する。全長3,528kmのチューブ軌道の西端を密閉し、高度100kmにあるチューブ軌道の東端を射出口として開放すると、チューブ軌道内の全区間が高度100kmと同じ、海抜ゼロメートルの気圧の約100万分の1気圧になる。
チューブ軌道の西端から東に向けて、旅客や貨物を搭載した直径9mの射出体を超電導リニアモーター駆動で磁気浮上させ、 加速度２G（19.6m/s^2）で、10分間、加速し、高さ100kmのチューブ軌道の東端からマッハ33の第二宇宙速度で射出する。
高度100kmの宇宙にまで届く、宇宙に達する巨大な塔（宇宙塔）を構成する円管の表面に設置した膨大な枚数／面積の太陽電池パネルが発電した安価でクリーンな電力による、超電導リニアモーター駆動で、旅客や貨物を搭載した射出体を地球引力圏外に、 安全に安価に高速に大量に輸送する。これが「宇宙塔マスドライバー」である。
CNTの超極細で微小の繊維を紡いで糸を作る技術は、国立研究開発法人 産業技術総合研究所と古河電工から特許第5135620号と特許第5131571号として共同出願特許登録されている。長さ1.00125kmのCNTの縦糸を複数、CNTの横糸で捲いて束ね棒1を作り,複数の棒1を同様にCNTの横糸で捲いて束ねて棒2を作り、以下、同様に,複数の棒を横糸で捲いて束ねる方法で,より太い棒3、棒4、棒5・・・を作り、こうして作った棒を集成し,長さ1.00125km、外直径が10m,内直径が9.9m、管壁の厚さが5cmの円管（パイプ）を作る。
円管の両端と両端から250mと中央部の５箇所に 厚さ5cmで直径9.9mのCNTの板を円管の壁から垂直に設置し、円管が横に潰れるのを防ぐ。CNTの密度を0.037とすると、この円管(エレメント)１本の重量は約59トンになる。（ CNTの密度を1.4とした場合については後述する。）
対角線の長さが南北に10km,東西に10kmの矩形の敷地に南北に100m,東西に100m毎に10,201個の点P100を設定し、最北、最南、最西、最東のP100からは1本,これらを除く最外部のP100からは2本,その他のP100から各4本、この円管を立て、上部の高さ1kmの位置で各4つのP100の中心で4本の円管を束ねて四角錐を作る。
こうして作った10,000個の四角錐の頂点をP99とし、 4つのP99から円管を立ち上げ同様に束ね9,801個の四角錐の頂点P98を作る。以下,同様に、四角錐の頂点が上の四角錐を構成する円管を支える構造を100段(100層)重ね,高さ100kmの四角錐の宇宙塔を建設する。 同じ高さにある四角錐の頂点は、互いに隣り合う頂点と直径50cmのCNTの円管で接続する。
円管を立ち上げて1km上で束ねる作業は,全て自動でロボット化され,無人で行われる。円管をクレーンで持ち上げ/立ち上げ,束ねて四角錐を作る機能を持ったロボットが自ら宇宙塔を上下左右に昇り降りして宇宙塔を組み立てて行く。
宇宙塔の頂点P0は,P1から立ち上がった4本の円管で支えられ,4個のP1は9個のP2から, P2は16個のP3から立ち上がった円管で支えられる。P0からP1を第1層(円管4本)、P1からP2を第2層(円管16本),P2からP3を第3層(円管36本)・・P99からP100を第100層(円管40,000本)とする。この宇宙塔は1,353,400本の円管で構成され,総重量は,約79,327,023トンになる。円管1本の管壁の断面積は約62,753mm^2で、P100では円管が40,000本なので、79,327,023/(62,753x40,000)=0.0316トン/mm^2
1ミリ四方に31.6kgの圧縮負荷となる。圧縮強度は,純アルミニウム（Al>99.7mass%）が5.61kg/mm^2,ジェラルミンが54.08kg/mm^2なので,宇宙塔の最下部への圧縮負荷は,ジェラルミンの圧縮強度1ミリ四方に54.08kgより小さい。
「宇宙に届く/達する建造物は,建造物の重みで材料が潰れるか砕け散るのでダイヤモンドのような強固な材料でも建設する事は不可能だ。」とする俗説がよく言われているが,これは誤りで大嘘である事が明確に理解できる。
エジプトにある世界最大のピラミッドの建築当初は高さ146.59m,総重量700万トン推定され、宇宙塔は、対角線の長さが南北10km、東西10kmの矩形の範囲に、この大ピラミッドが12個,建設されたのと同じ程度の負荷を地盤に掛ける事になる。
この高さ100kmの宇宙塔の西側に順次,より低い塔を建設し,上昇角30度,長さ200km,東端の高さ100kmのチューブ軌道を支える。 チューブ軌道の内直径は10m、射出体の直径は9mとし,射出体には,液体水素タンク、液体酸素タンク、これらを燃焼させるロケットエンジンを搭載する。射出時はロケットエンジンは動作させず、宇宙塔が発電した電力、電磁エネルギーだけで射出する。
宇宙塔の大部分は雲の上に出ているので、日中は天候に左右される事無く、安定して太陽電池で発電できる。東西に約200km、東端の南北の幅が10kmの広大な敷地に建設された, 宇宙塔を構成する円管の表面に設置された膨大な枚数／面積の太陽電池パネルが発電する安価でクリーンで膨大な電力はスマートグリッドで全世界に配電供給される。この電力の一部を使って、宇宙塔マスドライバーは稼働する。
射出後は,射出体は自身が搭載したロケットエンジンを作動させ,目的の宇宙ステーション、月、火星、小惑星帯などに向かう。液体水素タンク、液体酸素タンクのみを大量に射出して、地球高軌道やラグランジュ点などに係留して「宇宙ガソリンスタンド」の様なものを設置し、射出体を最小限の燃料のみ搭載して射出し、宇宙燃料スタンドに立ち寄って液体水素タンクと液体酸素タンクを必要なだけ買い求め,自身に装着し,目的地まで航行する事も考えられる。
これの応用として、曳舟ロケットエンジンと多数の核廃棄物コンテナを射出し、宇宙空間で買い求めた液体水素タンク、液体酸素タンクと共に曳舟輸送船を組み立て、多数の大量の核廃棄物コンテナを太陽投下軌道に押しだして投下廃棄し、廃棄後、身軽になった曳舟輸送船は次の廃棄物を受け取りに地球近辺に戻って来る事も考えられる。
加速度２Ｇ（19.6m/s^2）の加速を10分間、続けると3,528kmを走行し、秒速は、11.76km/sに達し、 地表/海抜ゼロメートルでの第２宇宙速度 秒速11.2km/sを超える。
加速度１Ｇ（9.8m/s^2）の加速を14分間,続けると約3,457kmを走行し、秒速は、約8.2km/sに達し、 地表/海抜ゼロメートルでの第１宇宙速度 秒速7.9km/sを超える。
地球引力圏を離脱せずに単に地球周回軌道に乗るだけなら、加速度1Gで14分間、加速するだけで良い。
次に安価に大量に人や物資を宇宙に輸送する手段として話題になる「宇宙エレベーター」「軌道エレベーター」について考察する。静止軌道からヤジロベイがバランスを取る様にケーブルを地球側とこの反対側に伸ばして行き,地球側に伸ばした（垂らした）ケーブルを赤道のどこかに係留し、このケーブルを昇降機/クライマーで昇り降りして人や物資を輸送するのが「軌道エレベーター(宇宙エレベーター)」である。
これを建設するには、 高度35,786kmの静止軌道から地球に垂らしてもケーブル自身の重みでケーブルが切れる事なく、昇降機の重量と走行に耐えられる超引張強度を持つ軽いケーブルが不可欠である。この条件を満たすケーブルが無い事には、軌道エレベーターの建設は不可能である。こんなケーブルは、どこにも存在しないし、誰もこんなケーブルを作る事は出来ない。従って、軌道エレベーターは,あくまでも,もし仮にそんなケーブルがあったらと言う「仮」の「仮定」の「夢」のお伽話なのである。
では何故、お伽話がこれほど話題になっているのか？ それは、CNTの「理論値」を早とちり/早合点して、 実現可能な引張強度と勘違いしてしまった事による悲劇なのである。
1991年にCNTを発見したノーベル賞候補と言われる飯島澄夫博士は,「あれは無理」と軌道エレベーターのケーブルをCNTで作る事につて語っていたという。何故、無理なのか?
香港理工大学のFeng Ding氏がCNTのシミュレーションを行い、ふたつの六角形を構成すべき炭素原子のひとつを移動させ,五角形と七角形にしたところ,「理想の強さ」100GPaが40GPaまで大幅に低下する事を見出した。 CNTの炭素原子が全て完璧に六角形の配列である場合の「理論値」が100GPaで、この引張強度なら軌道エレベーターのケーブルとして使用できる可能性があると言う事で話題になったのである。
しかし、これは「理想」の「理論上」の引張強度なのだ。現実には、全ての炭素原子が完璧に六角形の配列になるとは限らない。 どこかに歪みが生じ,五角形や七角形の配列になる可能性がある。そうなれば,引張強度は大幅に低下し,軌道エレベーターのケーブルには使用できなくなる。
また、仮に静止衛星高度35,786kmから地表まで全ての炭素原子が六角形の配列のCNTのケーブルがあったとして、宇宙空間には高いエネルギーを持って飛び交う「宇宙線」が存在する。この宇宙線がCNTの炭素原子に衝突し、炭素原子を弾き飛ばし、六角形の配列が崩れ五角形や七角形の配列になってしまう事は充分に有り得る。そうなれば、CNTケーブルの引張強度は大幅に低下し、ケーブルはケーブル自身の重みに耐え切れずに切断してしまう。切断箇所から下のケーブルと昇降機は地球に落下して甚大な被害を齎し,切断箇所から上のケーブルと静止軌道ステーションやアンカーなどは遠心力で地球から離れ飛んで行ってしまう。
私が話をした何人かの科学者は、ブレイクスルーがあって軌道エレベーターのケーブルが開発できたとしても,それは,ここ数十年間では無理で,今後、100年間は待つ事になるだろうと語っていた。
それでも,間もなく軌道エレベーターのケーブルは開発され,2050年には軌道エレベーターが完成し、誰もが格安に宇宙に行ける様になると信じる「軌道エレベーター推進派/信者」の方が大勢いる。大手ゼネコンの大林組は,2050年には軌道エレベーターが完成できると語り,「一般社団法人 宇宙エレベーター協会(JSEA)」は,ケーブルをローラーで挟んで昇降機が昇り降りする技術を競う,「宇宙エレベーターロボット技術競技会」を開催している。
さて、信者の皆さまの願いが実現して軌道エレベーターが完成したと仮定しよう。高度408kmを秒速7.8kmで国際宇宙ステーション(ＩＳＳ)が地球を90分で一周している。45分毎に赤道を北から南に,南から北に一日に32回も横切る。地球の自転とＩＳＳの周回周期は非同期なのでＩＳＳが赤道を横切る位置（経度）は、刻々と変化し東西方向に移動する。軌道エレベーターのケーブルは、赤道の何処かから高度35,786kmの静止衛星軌道ステーションまで垂直に立ち上がっている。つまり、いずれ、いつかは必ず、軌道エレベーターのケーブルの高度408kmの位置にＩＳＳがライフルの銃弾の約10倍もの猛スピードで激突する。
更に、高度780kmの全地球を網羅/カバーする多数の軌道に66機もの衛星電話のイリジウム衛星が周回しており、軌道エレベーターのケーブルは高度780kmの位置でこれらと激突する。
更に更に、高度20,200kmには,全地球を網羅/カバーする６つの軌道に各４機づつ,計24機の重さ1.5～2トンものGPS衛星が秒速3.8kmの猛スピードで周回している。 軌道エレベーターのケーブルは高度20,200kmの位置では、これらのGPS衛星と激突する。
これらは、一例であって、地球の周囲を現在、4,400機以上もの人工衛星が様々な高度を周回している。信者の皆さまは、ケーブルをクネクネと揺らせて、人工衛星との激突を回避すると言っているが、多数の人工衛星が様々な高度を周回している中で、いつまでも激突を回避し続ける事は不可能である。いずれ、いつかは必ず、軌道エレベーターのケーブルと人工衛星は激突してしまう。
人工衛星が自身が搭載した燃料を噴射して、自らの軌道を変えてケーブルとの激突を回避する方法もあるが、何回かこれを行って燃料を使い果たしてしまえば、もうこの方法では,激突は回避できなくなる。
信者の中には,人工衛星を削減,廃棄,全廃すれば良いと言う方もいる。人工衛星は,地球規模の通信には不可欠で,金融取引/決済などのデータ通信に人工衛星は不可欠である。また,地表や海面の温度観測などでの天気予報,農林畜産水産漁業などの収穫漁獲予報予測や火山噴火/地震/津波/台風/洪水/水害などの状況把握/情報収集などにも不可欠である。
GPSに依る 全地球規模のトラック/バス/タクシー/マイカー等の無人運転と物流効率化にTOYOTA,GMなどの大手自動車メーカーと世界中の陸運/海運/航空輸送業界などが協力して動いている中で人工衛星は不可欠である。
スペースX社は今後,1万機以上もの人工衛星を打ち上げる計画だと発表しており,人工衛星は増加する事はあっても、削減や廃棄/全廃はありえない。
軌道エレベーターは,ケーブルが命である。このケーブルが人工衛星、スペースデブリ,隕石などと激突し損傷を受けるとそこに応力が集中し,ケーブルが切断する可能性がある。ケーブルの切断は,即、軌道エレベーター全体の崩壊となる。軌道エレベーターは,構造的に非常に脆弱な建造物なのである。
軌道エレベーターの昇降機/クライマーには、上昇でも、下降でも,速度に比例するコリオリの力（ちから）が東から西に向かって働く。時速200km以上だとコリオリの力が大きくなり過ぎて,軌道エレベーターのケーブルが耐えられなる。 従って,昇降機の上昇速度と下降速度は共に時速200kmが限度/上限となる。地表から静止衛星軌道まで片道35,786kmもあるので、時速200kmで走行すると約179時間、7.5日間、一週間と半日も掛かる。昇るのにも一週間と半日も掛かり,降りるのにも一週間と半日も必要なのである。地球引力圏を離脱するには,静止軌道ステーションから更に高軌道ステーションまで昇って,そこでロケットに乗り換え,ロケットを加速する必要があり、僅か10分間の2Gの加速だけで地球引力圏外に離脱できる「宇宙塔マスドライバー」と比較するとあまりに遅く,長い時間を必要とする。
まとめると、
第一は、軌道エレベーターはケーブルが無い／存在しない。ケーブルを誰も作れない。従って、軌道エレベーターの建設に不可欠で必須のケーブルが開発できないので、 軌道エレベーターの建設は不可能／無理。建設は絶望的。
第二に、仮に軌道エレベーターが建設されると人工衛星の周回の障害/邪魔になる。
第三に、軌道エレベーターは構造的に非常に脆弱で、ケーブルの切断は,即、軌道エレベーター全体の崩壊となり、切断箇所から下のケーブルと昇降機が地球に落下して来て甚大な被害を及ぼす恐れがあり極めて危険な建造物である。
宇宙塔マスドライバーは、強固な多数の円管で構成されるので、隕石などが激突して円管の数本が完全に破断したとしても,宇宙塔マスドライバーの全体が崩壊する事は無い。損傷した円管は、至急、ロボットにより予備の円管と交換するので、修復は容易である。
第四に、軌道エレベーターは、宇宙塔マスドライバーと比較すると極めて遅い、時間が掛かり過ぎる輸送手段である。片や僅か10分間の加速度2Gの加速を行うだけで地球引力圏を離脱できるのに、他方は、静止衛星軌道まで昇るのに一週間と半日を要し,更にそこから高軌道ステーションまで昇り、ロケットに乗り換え,ロケットを噴射して加速して、やっと,地球引力圏を離脱できるのである。静止衛星軌道から地表に降りるのにも一週間と半日も必要である。
非現実的なCNTの引張強度の「理想の値」「理論値」を拠り所とする軌道エレベーターに対し,宇宙塔マスドライバーは現実的なCNTの圧縮強度を根拠にしている。宇宙塔の円管に要求される圧縮強度は、1ミリ四方31.6kgとジェラルミンの圧縮強度1ミリ四方54.08kgより小さく開発は可能と考えられる。
人工衛星の殆どは,高度1,000km以上を周回する。恒久的でない短寿命のスポット的な人工衛星ですら高度は120～150kmである。従って,高さ100kmの宇宙塔マスドライバーは,人工衛星の周回の邪魔にはならない。
また、射出は、全ての人工衛星の位置を把握した上で、どの人工衛星とも激突しないタイミングを精密に計算して行うので、人工衛星の周回の障害にはならない。
宇宙塔マスドラバーは,赤道直下に建設/敷設するのが理想的であるが、北アメリカ大陸の西海岸から東海岸に向けて建設しても良いし、ロシアのモスクワからシベリアに向けて建設しても良い。中国本土のゴビ砂漠から東に向けて建設しても良い。日本は国土が狭いので,あえて建設するなら与那国島から南鳥島に向けて,EEZと一部は公海の海底にチューブ軌道を敷設し、南鳥島に上昇角30度、長さ200km,東端の高さ100kmの宇宙塔を建設し（宇宙塔は南鳥島を食み出す!!島の周囲の埋め立て/メガフロートを考慮する必要がある）射出するしかない。
CNTの密度は、1.4として計算すべきとの指摘があったので、1.4として計算すると、円管１本の重量は2,218トン,底辺の対角線の長さが南北に10km、東西に10km、高さが100kmの宇宙塔の重量は約30億トン,この宇宙塔の最下部への圧縮負荷は、11.5GPaとなる。 住友電工の資料では,ダイヤモンド（結晶）の圧縮強度は 9～17GPaとの事なので、CNTの密度を1.4とした場合は、宇宙塔の最下部の円管はダイヤモンドと同程度の圧縮強度が必要となる。
「さとうひろし」は、「宇宙塔・自立塔型 宇宙エレベーター」の著者です。その内容は高さ300kmの宇宙塔を建設する話です。
そのホームページは
です。内容の一部が無料で読めますので是非,ご覧下さい。宇宙塔の構造概略図もご覧戴けます。
この作品はamazonでのみ取り扱っています。
https://www.amazon.co.jp/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%A1%94-%EF%BD%9E%E8%87%AA%E7%AB%8B%E5%A1%94%E5%9E%8B%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%82%A8%E3%83%AC%E3%83%99%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC%EF%BD%9E-%E3%81%95%E3%81%A8%E3%81%86%E3%81%B2%E3%82%8D%E3%81%97-ebook/dp/B01NGUIU9K/ref=tmm_kin_swatch_0?_encoding=UTF8&qid=1571718916&sr=8-9https://www.amazon.co.jp/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%A1%94-%EF%BD%9E%E8%87%AA%E7%AB%8B%E5%A1%94%E5%9E%8B%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%82%A8%E3%83%AC%E3%83%99%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC%EF%BD%9E-%E3%81%95%E3%81%A8%E3%81%86%E3%81%B2%E3%82%8D%E3%81%97-ebook/dp/B01NGUIU9K/ref=tmm_kin_swatch_0?_encoding=UTF8&qid=1571718916&sr=8-9
Kindle Unlimited登録の方は無料で,他は税込250円で電子書籍版が読めます。紙に印刷し,製本した紙の書籍版は税込1,222円です。 CNTの引張強度シミュレーションの結果、引張強度が40GPaしか無い事の詳細は、
https://www.gizmodo.jp/2016/06/xx_2.html
を御覧下さい。
質問やお問い合わせなどは、
satouhiroshi4649@gmail.com
へ送信して下さい。宜しく御願い申し上げます。
以上。
