『流転の地球2』の「天国への梯子」は本当に作れるのか？

映画『流転の地球2』は上映時間が3時間もあり、その巨大な容量は決して無駄ではない。雰囲気を盛り上げるために使われた最初の災害だけでも、それが別の場所で起こったとしても、映画全体を支えるのに十分でしょう。この最初の災害で不運なのは、さまざまなSF作品で不運になりやすい「宇宙のはしご」です。

いわゆる宇宙ラダーは、単に宇宙エレベーターと呼ばれることもあり、宇宙に入るための仮説上の手段です。通常の建物やはしごは圧縮強度が十分でなく、数千メートルの高さに積み上げられる前に倒壊してしまいます。おとぎ話のエンドウの蔓のように宇宙に直接上昇することはできません。しかし、多くの材料は圧縮よりも引張に対してはるかに耐性があります。人間が同期軌道上に非常に引張抵抗力のある材料で梯子を作り、それを地面の上に吊るすと、梯子を地面に対して比較的静止した状態に保ち、梯子に沿って宇宙に登ることができます。

『流浪地球2』では、人類がガボンの首都リーブルヴィルの近くに天国への梯子を建設したが、これは物理法則に則っている。リーブルヴィルはほぼ赤道上にあり、標準的なはしごは赤道上に建設する必要があります。これは宇宙ステーションが赤道より上にあるためです。赤道上にはしごを建てることで、上部と下部の位置が同期していることを保証でき、地球の赤道の遠心運動によって生成される加速度を利用して、はしごの力と地球の重力のバランスを維持することができます。他の緯度ではしごを建てる場合は、不均一な力によってはしごが壊れないようにするための追加の手段が必要になります。この映画では、宇宙飛行士候補者のグループが訓練のために宇宙エレベーターに乗って宇宙ステーションに向かいます。 9G（gは重力加速度、9Gは単純に自分と同じ体重の人が8人圧迫されていると解釈できる）の加速度で拷問されて死にそうになっているとき、エレベーターがテロリストに襲撃され、3人のテロリストがキャビン内に潜んでいる。そのため、主人公2人は窓の外でドローンと戦闘機の空中戦の花火ショーを見ながら、車の中でテロリストと死ぬまで戦うことしかできなかった。

そういえば、明らかにキャビンには数十人の宇宙飛行士が座っていました。彼らは臆病者ではなく、体力も十分でした。非武装のテロリスト3人と戦うのはなぜそれほど困難だったのでしょうか?高重力環境下で宇宙飛行士を保護するために、全員がジェットコースターのような安全装置の中にしっかりと閉じ込められていたことが判明した。ほとんどの人は車から降りることもできず、ただぼんやりと座席を見つめることしかできませんでした。偶然に安全装置を解除し、テロリストと戦うことができたのはほんの数人だけだった。

しかし、この旅を資格を持った航空宇宙エンジニアに任せれば、それほど難しいことではないだろう。宇宙エレベーターは実際にはそれほど高い重力状態を必要とせず、それほど複雑で厳格な安全装置も必要としないため、映画のように作ろうとすると、エレベーターの意味を完全に失ってしまいます。

はしごの意味は何ですか？

5階まで上がると想像してください。もし階段があったら、それは簡単です。一歩上って、一歩下がって、次の一歩を上るのです。一歩踏み出すのに必要なエネルギーはごくわずかで、支える力を短時間使って重力を克服し、体を数十センチ持ち上げます。たとえあなたがとても弱くても、それは問題ではありません。一歩踏み出すだけの力があれば、最終的には 5 階まで登ることができます。せいぜい、もう少し時間がかかるだけです。

しかし、階段がなければ難しいでしょう。足が地面から離れると、上向きの力は発揮できなくなるため、地面を蹴ってから数十分の1秒以内に、頂上に到達するために必要なエネルギーをすべて一息で放出しなければなりません。上昇中に空気抵抗を克服する必要があることを考慮すると、さらに多くのエネルギーが必要になります。スーパーマンは一跳びで5階までジャンプできますが、普通の人はそこまでの力を持つことはできません。どちらも1階から5階までですが、克服する必要がある重力位置エネルギーの総量は同じですが、一方は非常に簡単で、もう一方は空に登るのと同じくらい困難です。

はしごの原理はもちろん階段とは異なりますが、実際の効果はほぼ同じです。もしはしごがなかったら、人類は宇宙に行くのにロケットが必要になるでしょう。ロケットが離陸するためには、推力を発生させるためにガスを継続的に放出する必要があり、ロケットは推力の反力を利用して上昇します。適切に取り扱わなければ爆発してしまいます。逆に、はしごを使用すると、この膨大なエネルギーを多くの小さな部分に分割することができ、必要な電力が少なくなり、無駄が少なくなります。理論的には、宇宙につながる階段が本当にあれば、一歩ずつ上っていくことができます。人間による長距離階段登頂の世界記録は、12時間で13,145.65メートルの階段を登ることです。 1日12時間登って12時間休めば、宇宙に行くのに1週間ちょっとしかかかりません（海抜100キロメートルが大気圏と宇宙の境界です）。 (もちろん、そのためには階段に空気があり、数段ごとに食料と水が貯蔵されている必要があります。)

また、ロケットの製造が難しい重要な理由の 1 つは、ロケットが独自の燃料を搭載する必要があり、この燃料を道路上で運ぶためには、より多くの燃料が必要になることです。このサイクルは無限に続くわけではありませんが（途中で大量の燃料が燃焼し、全行程を運ぶ必要はありません）、1 トンの物体を宇宙に送り出すには、多くの場合 10 トン以上の燃料が必要になることも意味します。エレベーターにはそのような問題はありません。地上に発電機を設置し、移動中ずっと車のモーターに電力を供給するだけです。

そのため、実際の宇宙エレベーターは高速列車のようにゆっくりと空へ上がることができ、これが最大の利点です。宇宙飛行士の目的地のステーションが地上からどのくらい離れていたかは分からないが、それほど遠くには見えない。爆発後間もなく落下したからだ。この宇宙ステーションの高度が実際の国際宇宙ステーションと同程度、つまり約400キロメートルであれば、高速鉄道の速度を使えば到着まで1時間強しかかからないので、全く問題ありません。 9 g もの加速度を使用すると、非常に疲れます。実際、実際の有人ロケット打ち上げの加速度はわずか 3 ～ 4 g です。

さらに、たとえ医療保険に加入していない宇宙飛行士候補者たちを苦しめることが目的だとしても、少なくとも高重力に耐えられるよう設​​計された車を使うべきだ。映画に出てくる車にもいくつか問題があるようだ。

最初の問題は外観です。 9Gの加速度に耐える必要がある物体としては、車体の上部と下部は驚くほどフラットです。問題はここにあります。

ロケットがロケットの形に大きくなる理由は、主に空気抵抗を減らしてエネルギー効率を向上させるためです。空気抵抗は速度の二乗に比例するため、高速の場合のみ考慮する必要があります。通常のロケットは秒速数千～十数キロメートルという超高速に達しなければならず、巨大な空気抵抗に耐える必要があります。平らな箱型のロケットを作るのは明らかに費用対効果が良くありません。

宇宙エレベーターのキャビンには速度の要件はなく、ゆっくりと上昇することができます。その場合は平らな箱にすれば問題ありません。ただし、ボックスと高速の両方を実現することはできません。映像では、降下時に車両の底部が大気圏に接触して火災が発生する様子のみが映し出されているが、上昇時には無事であることが映し出されている。これはとても奇妙です。結局、視覚的には上昇と下降の間に明らかな速度の違いがないので、同じ巨大な抵抗と同じ火力があるはずです。

もちろん、視覚的な判断は不正確であり、車が実際には非常に低速で動いている可能性もありますが、高Gの目的はできるだけ早く高速道路に到達することであり、9Gで0から100 km/hまで加速するのにわずか0.3秒しかかからないことを考えると、それはさらに奇妙です。高 G を使用しても高速でない場合は、多くの不利益が生じますが、メリットはありません。これは明らかに意味をなさない。

2番目の問題はより深刻で、さらに詳しく説明する価値がある。宇宙飛行士の座席が間違った方向を向いていたのだ。

今では、宇宙飛行士は宇宙に行く前に加速訓練を受けなければならないことは誰もが知っています。トレーニングをするとめまいや嘔吐、昏睡などの症状が軽減されるが、どれだけトレーニングしても、身体的、生理的な限界は必ず存在する。人間の体は1gの環境で進化しました。人体の各部の機械的強度は、この環境にのみ適応しており、最も脆弱な部分はおそらく血液です。 1 g でも血圧をコントロールできないと、毎年多くの人が亡くなり、高 g の場合はさらに困難になります。

上向きの加速に直面すると、血液は非常に「重くなり」、立っている人や座っている人の足の裏に向かって流れ、脳虚血を引き起こす可能性があります。一般的に言えば、普通の人は5Gの上向きの力に1〜2分以上耐えることができず、その後昏睡状態に陥ります。現代の戦闘機パイロットは短時間であれば最大約 9 G の衝撃に耐えることができますが、長期間の訓練に加えて、特殊な与圧服の助けも必要です。血液を加圧するために脚と腹部に多くのエアバッグが使用され、呼吸を補助するために胸部圧の調節が必要になることもあります。作中の登場人物の滑らかな戦闘姿勢から判断すると、与圧スーツを着用しているようには見えません（もちろん、20年後には与圧スーツが超進化したということもあるでしょう）。

これは最悪ではない。さらに恐ろしいのは、はしごが下りる際、地面に着く直前の減速運動によって生じる負の加速度によって、脳に血液が流れ込むことです。これによって脳血管が破裂してその場で死滅するわけではありません。人体は脳血圧の上昇に非常に敏感で、頸動脈洞は異常な血圧を感知するとすぐに停止しますが、加速はその命令に従わず、心拍数と動脈圧を継続的に低下させることしかできません。その結果、異常な血液は動脈と静脈の酸素含有量の差を維持できず、まず酸素不足により昏睡状態に陥ります。つまり、はしごを降りるときに人々が許容できる負の加速度はさらに低くなります。

パイロットが空中で操縦する必要がある場合は回避する方法はありませんが、宇宙飛行士の宇宙への旅は非常に簡単です。 9G の加速度に耐えることを強制することは不必要なだけでなく、故障が発生した場合の安全マージンもありません。エンジニアたちは絶対にこれに同意できないでしょう。さらに、この問題の解決策は実に驚くほど簡単です。その人をただ横たわらせて天国へ行かせればいいのです。

横になったりうつ伏せになったりすると、人間の脳と心臓は基本的に同じ高さになり、重い血液の影響は大幅に軽減されます。問題がないと言っているわけではありません。人間の呼吸器系は依然としてかなりの圧力を受け、血中酸素濃度は低下し、視力は著しく低下し、手足は自由に動かすことができなくなりますが、1～2分間、12Gの衝撃に耐えることには問題はありません。どちらかを選ばなければならない場合は、「横になった状態で加速し、うつ伏せになった状態で減速する」姿勢の方が網膜血管への圧力が最も少ないため、好ましいです。

もちろん、キャビン内で集団で横たわるのは見苦しいだけでなく、多くのスペースを占有します。通常の低重力エレベーターのキャビンがジェットコースターのような座席デザインを選択するのは理解できます。ただし、普通の車で9Gに乗ることを強制してはいけません。もしそれが違法かつ過負荷の状態で稼働していたら、たとえ誰かが故意に妨害しなくても、自然に崩壊してしまうだろう。

著者: ファン・ガン

レビュー｜北京交通大学物理学実験室 上級エンジニア 周小良