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静止衛星と軌道エレベータの拙いお話あれこれ
図8

いざ、宇宙へ!


↓クリックで続きを読む





こんにちわ。


前回、ガンダムの身長と体重・素材の関係について簡単な記事を書きました。


その時、軌道エレベータについて少しふれたのですが、この度そのあたりについて勉強する機会に恵まれたので簡単な記事にしてまとめてみたいと思います。


図は私が作ったものなので、厳密な物理学を勉強していらっしゃる方々から見れば極めて稚拙な出来栄えだとは思いますが (特に静止軌道の高さが異様に低く見えますよね・・・見やすさを重視したためにこうなりました) 宜しければ見てやってください。















静止軌道について


軌道エレベータについて語る上で、まず静止軌道や静止衛星についてのお話から入ろうと思います。


この辺りの概念が、同エレベータについて考える上でとても重要になってきます。














まずは宇宙空間に働く引力のお話から。


国際宇宙ステーション からの映像中継などをテレビで見た方ならお分かりの通り、宇宙空間は無重力になっています。





・・・宇宙空間だから無重力なのは当たり前と言えば当たり前です。



しかし、『宇宙には重力が無いから無重力』 というわけではありません。








実は、国際宇宙ステーションにも 地球からの引力はちゃんと作用している のです。





図3

上の図をご覧ください。


これは、地球から外宇宙に向かって観測点をどんどん遠ざけて行った時、その地点に働く地球からの重力 (すなわち引力) の影響を模式的に表したものです。


地球を赤道部で真っ二つに切り、それを北極上空から眺めていると考えてください。




地表での重力 1 に対し、地球から離れて行った点で観測される重力 2 や 3 は小さくなっていきます。


その理由は、引力の大きさは 距離に反比例して小さくなっていく ためです。



しかしながら、小さくなっていくとはいっても依然として地球から離れた地点にも地球からの引力というものは作用します。



極端な例を挙げれば、月は地球から38万キロも離れているのに地球に引っ張られていますよね。


もっともっと極端な事を言えば、太陽系の惑星の中で最も太陽から遠い地点を周る海王星 (2006年以降の定義) は、太陽から 4500000000km も離れているのに太陽からの引力の影響を明確に受けています。


そう言った例を考えれば、地球からわずか400km程度の高さに浮かぶ国際宇宙ステーションに重力が作用していないはずがありません (もちろん、地球からの重力だけでは無く太陽や月からの引力も作用しています)。









では何故宇宙ステーションの内部は無重力になっているのでしょうか?



と言うか、そもそもどうして宇宙ステーションは引力に引っ張られているのに地球に落ちてこないのでしょうか?















それは、宇宙ステーションが地球の周りを高速で周っているから です。



図2

こちらの図をご覧ください。


これは、地球の周りを周回する物体が受ける力と速度の関係を模式的に表したものです。


1 は地球の自転速度 (地球の中心を基準とした角速度) 。

2 は周っている物体の周回速度 (これも上と同様で角速度) 。

i は地球がこの物体を引っ張る引力。

o は物体の回転運動によって生じている遠心力。


となっております。


この時、i は地球からの高度が高くなるほど小さくなります。


同様に、o は物体の周回速度、すなわち 2 が大きくなるほど合わせて増加します。





つまり、物体がその高度に留まっているために必要な周回速度は、高度によって定まっていると言うことです。


(計算していけば分かるのですが、これは物体の質量に左右されません。厳密な計算式を載せたりすると文章がクドくなるので、ここでは割愛させて頂きます)








ここで、2 を 『 2 = 1 』 と固定してみましょう。


つまり、物体が地球の自転速度と全く同じ速度で周る場合です。

(この速度の定義は角速度であることに注意)


物体の周回速度は地球からの引力の大きさに左右されるので、高度を上手く調整してやれば 2 = 1 の状態で飛び続けられる高度が存在するということです。

(つまりこの高度では 2 = 1 , i = o)




この高度のことを、静止軌道 と呼びます。


(上の図では何となく静止軌道上を周っているように描かれていますが、静止軌道以外の高度では 2 ≠ 1 になると言うだけで浮かんでいること自体は可能です)














図0

静止軌道は地球から約35786km付近の高さに存在し、この高度を地球表面の自転速度と同じ速度 (角速度) で周回すると、この物体に働く地球からの引力と遠心力とが釣り合ってその高度に留まっていることが出来ます。





何故この軌道が重要なのかといえば、実はこの軌道は 観測衛星や通信衛星を配置するのに絶好のポイント であるためです。


先ほど、静止軌道上での周回に必要な速度は地球表面の地球の自転速度と同じだとお話しましたが、ということは静止軌道を周る衛星 (静止衛星) は地表のある一点の上空に常に留まっていることが出来ると言うことです。







周回運動

イメージ的にはこんな感じです。


外側を周っている点が静止衛星、地表を周っている点が観測者だと思ってください。


観測者から見ればこの衛星は空のある一点に留まっているように見えます。



この軌道より内側を周る物体は作用する地球からの引力の影響が強いので、静止軌道を周る物体よりも高速で周回運動をしなければ地表に落下してしまいます。


同様に、静止軌道よりも外側を周る物体は静止軌道を周る物体よりも低速で周回運動をしなければ遠心力で宇宙の彼方に飛んで行ってしまいます。











周回運動2

これもまたイメージで表すとこんな感じです。


本当は速度差はこんなものでは済まないのですが、あくまでも模式的に表せばこのようになります。






図9

i > 2 > o


このときの速度差はこうなります。


(※繰り返しますがこのVは角速度であることに注意して下さい。

物体の接線方向の速度成分 (角速度では無い) は上の図とは逆に外側に行くにしたがって順に大きくなっていきます。

・・・何度も同じことを言って申し訳ありません;)










先ほど、静止軌道の高度は約35786kmだと説明しました。


一方、国際宇宙ステーションの高度は約400kmです。


と言うことは、国際宇宙ステーションは静止衛星よりも遥かに速い速度で地球の周りを周回していると言うことになります。



実際、国際宇宙ステーションは静止衛星の約16倍の速度 (角速度) で周回しています。


これよりも速度を落としてしまうと、同ステーションは高度を保つことが出来ません。

















図1

さて、先ほど観測衛星や通信衛星を配置するのに絶好のポイントだと書きましたが、一体どういった点が 『絶好』 なのでしょうか?


地表の自転速度と同じ速度で周回出来るとどんな利点があるのか。


続いてはそれについて考えてみましょう。















図4

通常、TVやラジオ、無線通信などの通信電波は基地局や中継アンテナを通して各受信場所まで送られます。


御存じの通り電波は光と同じ 『電磁波』 の一種なので、基本的には直進して到達します。


電波の回り込み効果の研究や伝達情報の圧縮システムなどの発達などによって、いま私たちは綺麗なテレビ映像を見ることが出来るのです。















図5

ところが、この通信基地と受信場所との間にビルや山などの建物が入ると電波がきちんと伝わらなくなってしまいます。


ビルなどの人工物はある程度電波が貫通したり回り込んだり出来るのでまだ良いのですが、山などはどう頑張っても貫通することが出来ません。


地上波においてはこればかりはどうしようもないです。






放送電波は可視光線とは違って不可視なのでイマイチ実感が湧きませんが、簡単に言えば日中の日が出ている時にビルや建物の影に入ってもある程度は明るいですよね。


これは、直接光が届いていなくても反射や回り込みで光がそこまで届いているからです。


ところが、太陽が山の影に入ると殆ど光が届かなくなってしまいます。


すなわち夜になるわけです。


電波と建物・山の関係も実はこれに近いです。








この電波遮断への対策としては、例えばテレビを例にとれば地域ごとに放送基地局を分け、放送地域を分担することによってこれを補っています。


これによって山の向こう側にまで電波を送らなければならない・・・といったことが起きないようにしているわけです。



(余談ですが、私の実家では東京との間に建物がいくつかあり、そのせいで 『TV東京』 などの電波を直接受信することは出来なかったのですが、高台にあった友人の家ではこれが受信出来、小学生の頃わざわざその友人の家まで行ってアニメを視聴していた・・・という記憶があります)
















図6

しかし、これらの問題は先ほどの 『静止衛星』 の技術を使えば解決します。


前述の通り、静止衛星は地表から見て上空のある一点に常に静止しています (あくまでも見かけ上ですが)。


そこに向けて基地局から電波を飛ばすと、静止衛星に反射して地上の広い地域に上空から電波が届けられます。


後はこれを家に備え付けた衛星放送用アンテナで受信すれば、たとえ山の裏であろうと放送が観られると言うわけです。


これを使えば上記のような放送エリアの限定問題は解決しますし、わざわざ沢山の中継アンテナや中継基地を敷設する必要も無くなります。


さらに、通常は障害物や地球の丸みによる電波障害の影響で絶対に視聴出来ない海外の放送番組なども観ることが出来るようになります。



これが 衛星放送技術 であり、日本では BS放送CS放送 がポピュラーですね。






(ちなみに余談ですが、偵察衛星などの 『地球の広い範囲を見渡す必要がある衛星』 についてはその性質上地球の自転速度と衛星の周回速度との間に差があった方が良いため、その手の衛星は大概は静止軌道よりも内側を周っています。ただし、ここでいう速度差と言うのは地球の回転方向と同じ向きの速度成分の事。大概は赤道にそって
斜めに周回するように調整されています (逆に、あえてこれを同じ速度になるように調整している偵察衛星も沢山あります。アメリカの偵察衛星等。スパイ映画なんかではこの軌道をモニターしているシーン・・・ってのが良く出てきますよね)。また、わざわざ静止軌道という地球から非常に離れた地点にまで衛星を運ばなくて済むのでコストの削減にもなります)















しかしながら、この衛星放送技術は専用の静止衛星を所有していることが前提となるため、コストの面で非常に大きなハンデがあります。


放送用の静止衛星に限らずとも静止軌道を利用して地球の観察を行っている気象衛星や衛星電話などに使われる通信衛星なども同様の問題を抱えています。















ちょっと難しい話をすると、実は物体が静止軌道上で安定周回をしていても実は完全に安定しているわけではありません。


何故かといえば、太陽や月からの引力の影響が無視出来ないからです。


これによって、長く静止軌道上を周回していると段々とポジションがズレていきます。


通常、このズレは衛星内部に搭載された燃料を使って定期的に補正するのですが、燃料が有限である関係上いつかは補正が出来なくなり衛星を破棄せざるを得なくなってしまいます。


そうなれば新たな衛星を打ち上げざるしかなく、これが前述のコスト高に拍車をかけてしまっているのです。





そこで、いちいちロケットを使わなくても静止衛星などを宇宙空間に送り込む方法は無いのか? という研究が進められています。


そして、その中の一つが今日の題名にもあった 軌道エレベータ です。


















図7

軌道エレベータというのは静止軌道にプラットホームを設け、そこと地上とをつないでエレベータのように物資の運搬を可能にしよう! というコンセプトで作られた概念です。





具体的にはこれまた前述の静止軌道上に中継基地を作り、そこから地上と外側の両方に向かってエレベータのケーブルを延ばしていくという工法で作っていく・・・と構想されています。



地球の自転の関係上、静止軌道は赤道上に存在しているのですが、軌道エレベータもそれに従って赤道上に作られるため、自ずとその根元は赤道上の地点になります。


この時、中継基地は静止軌道上を地球の自転速度と同じ角速度で周っているので遠心力と地球からの引力とが釣り合っています。


地表に向かって伸ばしたケーブルは、中継基地から離れるほどに地球からの引力が遠心力を上回っていくので全体としてピンと張りつめます。


通常の材料では、やがて自重の合計がケーブルの根元の耐久強度を上回ってしまうため実現は不可能とされていましたが、近年はカーボンナノチューブをはじめとした軽くて引張強度に大変優れた材料が開発されてきているので、もしかしたら・・・とその実現が有望視されるようになってきました。




これとは逆に、中継基地から外側に向かって伸ばしたケーブルは地球からの引力よりも遠心力の影響の方が大きくなっていくので、全体として外側に向かってケーブルを引っ張り出そうとする力が働きます。


つまり、外側に向かってピンと張ります。



この内側と外側の力のバランスを取りながら建築を進めていくわけです。




最終的に内側のケーブルが地面に到達すれば、この軌道エレベータ全体にかかる力の合力はゼロになります。


しかし、力が完全に釣り合ったままでは地上で何か荷物を載せた途端に下方向に基地が引っ張り戻されてしまうので、外側のケーブルの先端に定質量のおもりをつけて、全体として外側に引っ張られ続けるように調整しておきます。


上の図で言えば 『m』 のおもりがそれにあたります。


このおもり部では、静止軌道よりも外側の周回軌道を地球の自転速度と同じ角速度で周回しているため遠心力が地球からの引力を上回り、結果として外側に向かう力が発生しています。






この一連の設計物が軌道エレベータであり、これがあれば静止軌道やその外側の周回軌道に向けてエレベータ式に簡単に荷物を運搬することが出来るようになるため、将来の宇宙開発に欠かせない構築物になると考えられています。


















図8

この軌道エレベータがあると以下2つの大きな利点が生まれます。



一つは 静止衛星を簡単に静止軌道に乗せられる という点。


打ち上げにかかるコストがいらなくなるので、その点でのコストダウンが大きな魅力なのはもちろんですが・・・




前述のように静止衛星は定期的に自分の位置を補正する必要があります。


大概は打ち上げの段階で燃料の殆どを使いきってしまうためこれに使える燃料は極々限られており、衛星の寿命の低下を招いています。


しかし、軌道エレベータで運べばこの燃料を大幅に節約することが出来ます。


それどころか、燃料が減ったら中継基地まで移動させて燃料補給をして元の位置に戻る・・・といったガソリンスタンドのような動きですら可能になるかもしれません。



いずれにせよ、軌道エレベータが完成すれば寿命が尽きた (燃料が尽きた) 静止衛星を宇宙空間に破棄する・・・といった時代は終わりになるでしょう。














二つ目の利点は 宇宙ロケットの燃料を節約できる という点です。


宇宙ロケットは静止衛星の時と同じく、打ち上げて大気圏を脱出する段階で殆どの燃料を使い切ってしまいます。


通常のロケットはそれでもなお大気圏を脱出できないため、部分部分を切り離しながら効率的に加速して何とか大気圏外まで向かいます。


それほどに宇宙ロケットの燃料問題というのはシビアなのです。




ところが、この問題も軌道エレベータが完成すれば解決します。








なにしろ、宇宙空間から発進することが出来るわけです。


大気圏離脱で無駄な燃料を消耗する心配がありません。












現在人類は月まで到達しましたが、続いて到達を目標にしているお隣の惑星 火星金星 への探査機での調査は殆ど進んでいません。


この原因は、この二つの惑星への距離が月までに比べて遥かに遠いためです。

(その上引力も遥かに大きく、大気まで存在している ←これらのせいで探査機は一度その星に降りてしまえば二度と戻ってこれない (調査星からの再離脱が出来ないため))




現状の宇宙ロケットは燃料の問題のため現地で鉱石や物質などを採集して地球に持ち帰る・・・といった段階まではまったく進めずにいます。


しかし、軌道エレベータからのロケットの発進が可能になれば前述の静止衛星の打ち上げと同様に燃料を大幅に節約できるので、本来打ち上げに使っていた燃料を現地での帰還用に取っておくことが出来るようになります。


そうすれば、火星や金星の地質研究や歴史研究などが大いに進むことでしょう。




そしてこれこそが、軌道エレベータに対して現在最も期待されている役割なのです。















その他にも、宇宙ステーションに物資や食糧などを運んだり、静止衛星上の中継基地そのものを宇宙空間での実験場として使えたり・・・といった利点もあります。


特に、現在はロケットと宇宙ステーションとの間で年単位の往復生活を余儀なくされている技術者や研究者たちをもっと短いスパンで往復させられるというメリットは大きいです。




同中継基地が完成すれば、一週間宇宙に滞在して、一週間地上に戻って、また一週間宇宙に・・・ といったことも可能になります。


これは技術者たちの負担軽減に大いに役に立つでしょう。


(人間は無重力下で生きていけるように設計されていないので、長期間無重力空間にいると体に様々な障害が出てしまうためです)








また、現在よりも遥かに大きな研究材料を持っていけるので、例えば キリンは無重力空間ではどうなるのか? といった研究も出来るようになるでしょう (これはほんの一例に過ぎません)。


(ちょっと動物が可哀想な気がしますが、将来人類が宇宙進出するにあたって動植物を一緒に連れていくのは至極当然なことであり、この辺りの研究は必須なのです)













その他としては・・・


現在の国際宇宙ステーションにおいて最も怖いのは物資の窮乏よりも 機械の故障 です。


例えば空調設備や与圧システムが故障すれば凍えたり酸欠に陥って死んでしまいますし、発電システムやソーラーシステムが故障すれば電気が使えなくなってこれまた死に直結してしまいます。




地上だったら、故障すれば買い直しに行ったり修理業者を呼べば済みますが、宇宙空間ではそれらはもちろん不可能です。



宇宙飛行士の方々は、こうした恐怖と日々闘っているのです。












そして、この問題についても軌道エレベータが解決案になってくれます。





『宇宙空間に定期的かつ確実に物資を運搬出来る』


このたった一つのことが宇宙開発を根本的に変えてくれるのです。



もちろん、技術的にはまだまだ難しい部分も多く、特に建設にかかる物資や人員をどうやって宇宙空間に運ぶのか? という点が最大のネックだと思われます。



この問題の対策に関しては マスドライバー のようなカタパルト式ロケット射出装置や、反重力 などの物資輸送手段がフィクションの世界では考案されています。


(もちろん、軌道エレベータ自体もまだまだフィクションの世界の存在と言わざるを得ませんが)








しかし、そもそもマスドライバーや反重力ロケットなどで簡単に宇宙に物資を運搬出来るようになれば軌道エレベータ自体が必要なくなるわけで・・・



この辺りの問題は相互的に作用しており、『不可能な技術を補うために不可能な技術を使う』 と言った具合で矛盾が矛盾を呼ぶ・・・といった状態です。











ただこれは21世紀初頭の現在の技術では・・・という前提です。


あと50年、100年と経てば革新的な技術がいくつも開発・運用されるでしょうし、それにともなって宇宙開発も飛躍的に進歩することでしょう。




・・・問題は、それまで私たちが生きていられるかは分からないという事ですが。


こればかりはどうしようもありませんね。












いずれにせよ、宇宙開発を進めるにあたって軌道エレベータかそれに準ずる施設の存在は必須となることだけは間違いないので、この分野の研究はこれからも続けられるでしょう。


(反重力とかは流石に荒唐無稽過ぎてしばらくは誰も真面目に研究しないでしょうけど・・・)

















最後に少し私的な余談でも・・・



アニメやゲームなどの世界では、この発展形の国際巨大宇宙ステーションというものが良く登場します。


私がそれらの概念に初めて出会ったのはプレイステーションソフト 『スターオーシャン2』 をプレイした時でした。


『宇宙』 や 『異星人との出逢い』 などの概念に当時小学生だった私は非常にワクワクしたものでした。


いつか自分も宇宙に飛び出し、どこか遠くの別の惑星にいる人間型の宇宙人と大冒険をするんだ! と本気で信じていました。


その後、前述のソフトの続編や 『銀河英雄伝説シリーズ』 、『アーマードコアシリーズ』 などなど・・・


『星』 や 『宇宙』 を舞台にした冒険ゲームや箱庭ゲーム、ストーリー・・・etcetc


そういったものに私が魅かれていったのは言うまでもありません。






やがて大人になって、そういう世界は現実には無かったんだ・・・という事に気が付いたわけですが (少なくとも私が生きている時代の限りでは) こうした研究を私たちが進めて、未来を担う子供たちの時代には実現させてあげたいものですね。









・・・さて、突然ですがこの駄文をもって本日の記事を締めたいと思います。


非常に拙い内容でしたが、最後までお読み下さり本当にありがとうございました!

2012.06.10(Sun) | 未分類 | cm(0) | tb(0) |

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