スタープロジェクターが来る？電磁ソリは希少資源を地球に飛ばす可能性がある

科学的な設備は数多くありますが、電磁そりのように「生まれた」瞬間から脳を開く運命にあるものもあります。

電磁そり、CCTVニュースのスクリーンショットからの画像。

2022年10月、中国山東省で世界初の電磁そり施設の稼働に成功した。中国科学院と山東省の間の重要な戦略協力プロジェクトであるこの電磁そりは、1トン以上の重さの物体を時速1,030キロメートルで推進することができる。

多くのSFファンは、電磁そりを初めて見たとき、SF作品によく登場する「質量プロジェクター」を思わずにいられません。

質量プロジェクターは質量加速器とも呼ばれ、電磁加速を使用するツールです。

技術的な詳細や名称には違いがあるものの、航空母艦の電磁そり、質量投射装置、電磁カタパルトは、基本的な原理においては実際には同じです。

質量投射装置が提案されてから 100 年以上経ちますが、現在最も広く知られている応用例は、おそらく航空母艦の電磁カタパルトでしょう。

大量プロジェクターの大規模かつ急速な開発を制限するものは何でしょうか?

答えは地球そのものです。

どうすれば解決できるでしょうか?惑星を変える。

01 地球からの制限

現在、電磁そりは1トン以上の重さの物体を時速1,030キロメートルで推進することができます。では、技術の向上と規模の大幅な拡大により、将来的には時速 2,000 キロメートル、さらには時速 3,000 キロメートルまで速度を上げることは可能でしょうか?

理論的には、これは可能であるはずです。しかし、それは非常に困難で費用もかかります。

電磁加速器をはるかに小さな質量の電子に置き換えると、私たちがよく知っている線形粒子加速器が得られます。例えば、米国スタンフォード大学の全長3.2キロメートルのSLAC線形粒子加速器は、50GeVのエネルギーで電子を光速の99.99999999%まで加速することができます。

SLAC 線形粒子加速器の航空写真、画像は Wikipedia より。

実際、電磁そりの規模を 5 倍、あるいは 10 倍に拡大することは、最大の困難ではありません。

最大の困難は地球の大気から生じます。

推進速度が速いほど、大気抵抗が大きくなることは間違いありません。抵抗が一定レベルに達すると、推進速度をさらに上げることが極めて困難になり、コストが法外なものになります。

ネットユーザーの中には、電磁加速は水平かつ真空のトンネル内で実行できると言う人もいるかもしれない。そうすれば大気の抵抗を避けられるのではないだろうか？

はい、可能です。今はコストや困難さについては考えないで、ただ一つだけ言っておきます。この真空トンネルで、重さ数トンの宇宙船を音速の 3 倍、あるいは 5 倍の速度で推進すると、その後どうなるでしょうか?クラッシュテストをするつもりですか?

質量プロジェクターの本来の目的は、低コストの宇宙船打ち上げを支援することであったことを忘れないでください。

ネットユーザーの中には、トンネルを非常に頑丈な大きな管に変えて、垂直に立てて空に届くようにしたらどうなるのかと言う人もいるかもしれません。そうなれば、宇宙船を空に打ち上げることも可能になるのではないでしょうか？

さて、この質問については、垂直の高さが 10 キロメートル以上で、しっかりと耐えられる大きなパイプを設計するまで待ちましょう。

あなたが何を考えても、NASA はすでにそれを考え出しています。画像提供: NASA。

地球はダメなので、他の惑星に移りましょう。

02 ムーンベース

何かがいつ起こるかを予測するのは極めて困難であり、ほとんどの場合、人間の制御の範囲を超えています。

しかし、何かが起こるかどうかを予測するのははるかに簡単です。

私たちがやりたいのは後者です。

今世紀でなくても、次の世紀、あるいはその次の世紀には、人類によって月面基地が建設されることは間違いない。つまり、それは必然的に確立されるでしょう。これは人間の執着心です。

提案された月面基地。画像提供: NASA、Kitmacher。

月面基地は遅かれ早かれ設立されるので、事前に想像力を働かせてみてはいかがでしょうか。

中国が将来月面基地を建設する場合、どのようにして超低コストの宇宙船を月に打ち上げることができるのでしょうか？

従来のロケット打ち上げには燃料が必要であり、月でも同じことが言えます。月面では、燃料源は2つしかありません。

一つの方法は地球から持ち込むことですが、これは非常にコストがかかります。これはアポロ月面着陸で採用されたアプローチです。

アポロ11号月着陸船。画像提供：NASA。

地球から月へ燃料を輸送することは時々は問題ないかもしれませんが、この方法で月面基地を維持したい場合、このモデルは月面基地の建設を望むほぼすべての国の意欲を削ぐことになります。

もう一つのモデルは、月面で鉱物を分解し、燃料を合成するというものです。現在の技術レベルでは、このモデルの難しさや実現可能性はまったく不明です。将来的に実現可能になったとしても、地球から運ぶよりもコストが高くなる可能性がある。

また、月で物質を合成できるのであれば、実は最も合成すべきは燃料ではなく、生命の源である水です。

したがって、月面の有利な資源を最大限に活用するためには、月面に宇宙船を頻繁に打ち上げることが最善です。問題は、月にある有利な資源は何なのかということです。

答えは太陽エネルギーです。

月の昼は地球の14日間続き、太陽光が直接当たる場所では気温が150度にも達することがあります。太陽エネルギーがこれほど豊富であれば、太陽光発電であっても太陽熱発電であっても大きな問題はありません。

このように、同じ面積で、地球よりも何倍も豊富な太陽エネルギー資源が、必然的に月にほぼ無尽蔵の電力供給をもたらすことになる。電磁そりは電気だけを使用するので、月面に宇宙船を打ち上げるのに電磁そりを使用するのは自然なことです。

03 月面電磁そりの利点

最初の利点は、もちろん、月面の真空環境です。アポロ宇宙船が月面に着陸した際、測定された月の真空度は10のマイナス10乗パスカルと低く、これは月が超高真空レベルに入ったことを意味します。一般的な高エネルギー粒子加速器と比較すると、その加速チャネル内の真空度も超高真空レベルにあります。

生命にとって、真空は問題です。しかし、電磁そりにとっては、真空は楽園です。

大気の抵抗がない場合、宇宙船を推進させる速度は主に次の 2 つの要因によって決まります。

1つは電磁そりのサイズ、もう1つは電源です。

電磁そりが大きくなればなるほど、占有する土地も大きくなりますが、幸いなことに、月面の土地は現在空いています。

マスプロジェクター。画像提供: NASA。

電源に関しては、先ほども述べたように、心配する必要はありません。十分な太陽光資源があれば十分な電力を供給できます。

最も重要なのは、この電気はフライホイールを使用して蓄えることができることです。フライホイールエネルギー貯蔵装置にとって最も適した環境は真空です。真空度が高ければ高いほど、フライホイールはより長い時間エネルギーを蓄えることができます。

2番目に大きな利点は、月面の低重力環境です。

月の質量は地球の質量の0.0123であり、月の重力は地球の6分の1にすぎません。したがって、月面での脱出速度は秒速2.38キロメートルに過ぎません。速度が秒速1.32キロメートルに達すると、月を周回する衛星になることができます。

秒速1.32キロメートル、この速度は本当に達成不可能なのでしょうか？実際にはそうではありません。

地球上のいくつかの運動エネルギー徹甲弾の砲口速度は、最大毎秒 1.74 キロメートルに達します。つまり、この徹甲弾を真空環境で発射できれば、月に向けて砲弾を発射すれば、月を衛星にすることができるのです。

単位換算、画像はウェブページで計算後のスクリーンショットです。

月の重力が低いため、脱出速度と月の周回速度は低くなります。電磁そりが宇宙船をマッハ3.88まで推進できれば月衛星になることができ、マッハ7まで推進できれば月から脱出できる。

この時点で、一部のネットユーザーは、月面基地にこのような大規模な電磁ソリカタパルトを建設することが適切であるかどうか疑問に思うかもしれない。

適しています。なぜなら、ここは月全体で唯一の宇宙発射基地かもしれないからです。完成すれば、他国の月面着陸プロジェクトでも有料で利用できるようになる。

最後に、基地が設立された後、地球上の極めて希少だが極めて貴重な鉱物を月で採掘する際に、電磁そりを使用して、梱包された希少資源を地球の砂漠や無限の草原に直接打ち上げることもできます。

つまり、電磁そりが将来地球上でどのように使用されるかを予測するのは難しいようです。

しかし、月に関しては、私たちは事前にそれについて考えてきました。

著者：科学技術省の「国家優秀科学普及作品賞」受賞者であり、人気科学ライターのハンム・ディアオメン氏

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社