『三体』アニメ公開。ハイテクな「宇宙エレベーター」は実現できるのか？

宇宙エレベーターは、『三体問題』をはじめとする多くの SF 作品で頻繁に取り上げられているテーマです。このプロジェクトの技術的な難しさは何ですか?未来が現実になるという希望は本当にあるのでしょうか?

記者ドゥアン・ラン執筆

グラフィックエディター/陳勇傑

ニューメディア編集者/呂冰鑫

▲宇宙エレベーターの概略図（画像提供：NASA）

劉慈欣の同名SF小説シリーズを原作としたアニメ「三体」がビリビリで上映されている。劇中で描かれた「宇宙エレベーター」は、多くの人に憧れを抱かせた。エレベーターに乗り、上ボタンを押して宇宙へ飛び立ちます。かっこいいと思いませんか？

11月18日から20日に開催された「2022年宇宙技術の平和利用に関する国際シンポジウム（健康）」において、国際宇宙エレベーターコンソーシアム会長で国際宇宙航行アカデミー会員のピーター・スワン氏は、将来的には宇宙エレベーターが恒久的な物流インフラとして宇宙に物資や人員を輸送し、宇宙に入るための新たな経路となることを提案した。

多くの場合、SFと科学の境界は非常に曖昧であるように思われます。 SF小説に描かれているように、人間は本当にエレベーターに乗って宇宙の向こう側へ簡単に到達できるのでしょうか？

科学者にインスピレーションを受けたSF作家

宇宙エレベーターは、多くのSF作家の間で常に話題となっており、さまざまな形で数多くのSF作品に登場しています。 1979年、イギリスの作家アーサー・クラーク卿は、SF小説『天国の泉』の中で、初めて宇宙空間をつなぐ巨大な施設である「宇宙エレベーター」について描写した。中国のSF作家、劉慈欣もまた、小説『三体』の中でかなりのスペースを割いて、「天国への梯子」と呼ばれる巨大な装置を詳細に描写した。しかし実際には、「宇宙のはしご」の探究となると、厳密さで知られる科学者たちは小説家よりはるかに先を行っている。

▲イギリスの作家アーサー・クラーク卿は、SF小説『天国の泉』の中で初めて「天国へのエレベーター」について描写した。

ロシアのロケット専門家で宇宙の先駆者でもあるツィオルコフスキーは、1895年にフランスのパリにあるエッフェル塔を訪れた際、鉄塔の建設に感銘を受け、地上に超高層の鉄塔を建設して静止軌道に到達させ、エレベーターを使って宇宙空間に進出することを提案しました。彼はまた、塔の詳細な設計を行い、その高さを35,786キロメートルと計算した。聖書のバベルの塔に似たツィオルコフスキーの設計は、「宇宙エレベーター」の原点となった。しかし、一連の計算を経て、彼はそのような超高鉄塔を建設することは不可能であると結論付けました。

1960年代に人類が初めて宇宙に進出すると、宇宙に行くための宇宙エレベーターを建造するというアイデアが科学者によって再び提案されました。ソ連の技術者ユーリ・アルチュタノフは、宇宙物流輸送を実現するために、空と地上を結ぶ「電車」を建造することを構想した。ツィオルコフスキーは、単に地上から鉄骨構造の高い塔を建てるというアイデアとは異なり、宇宙から地上まで建てる計画を提案した。つまり、まず静止衛星を打ち上げ、次に衛星から地上までロープを伸ばし、その一端を地上に固定して「電気列車」の走行線路を形成するというものである。

1970年、アメリカの科学者ジェローム・ピアソンが初めて「宇宙エレベーター」の概念を理論化し、関連する実証を『宇宙工学ジャーナル』に発表しました。ピアソンは、ソ連の「電気列車」計画と同様に、宇宙エレベーターの主要構造として、特殊な材料で作られた高張力のケーブル数本を宇宙の人工宇宙船から地上まで「垂らす」ことを構想し、この「凧揚げ」に似た方法を使ってエレベーターを空に運ぶことを想定した。ピアソンのアイデアは、基本的に、学術界における宇宙エレベーターのその後の発展の基礎を築きました。その後、ピアソンはこの概念を月まで拡張しました。学会では地球・月間宇宙エレベーターの構想を詳しく説明し、宇宙エレベーターの主要構造を「スペースワイヤー」という概念としてまとめた。ピアソン氏の構想では、将来の「宇宙ワイヤー」はケブラー繊維などの高強度素材で作られた、鉛筆の芯よりわずかに太い程度の細いケーブルになるという。

▲老年のピアソン氏と宇宙エレベーターの構想（写真提供：ワシントンポスト）

ピアソン氏は、将来の宇宙エレベーターの実現可能性と、打ち上げロケットに比べて低コストであることを実証するために、かなり複雑な科学理論を使用しました。しかし、人類が宇宙時代に入って以来、ロケットは宇宙に到達するための技術的に実現可能な唯一の手段となっている。ピアソン氏の科学的議論は学界で広く注目を集めているが、宇宙エレベーターは時代をはるかに先取りした概念である。その結果、彼は同僚から「SFを書いたほうがいい」といった皮肉な言葉で嘲笑されてきた。興味深いことに、ピアソンのアイデアは実際に SF の世界に大きな影響を与えました。当時スリランカに住んでいた小説家クラークは、ピアソンの「空間線」に関するアイデアに触発され、「楽園の泉」の中で「天国へのエレベーター」を創作した。

克服できない技術的困難

宇宙開発競争の時代、人々はより効率的な宇宙輸送を実現するために、打ち上げロケットの推力と積載量を増やすためにあらゆる努力を惜しみませんでした。ロケットの建造・運用コストは宇宙エレベーターに比べて莫大ですが、ロケットの最大のメリットは「技術的な実現可能性」にあります。液体/固体燃料エンジンから空気力学的形状、ナビゲーション、通信まで、体系的なエンジニアリング プロジェクトとしてのロケットは、何十年にもわたって繰り返し実践されてきました。ピアソン氏と他の支持者たちは宇宙エレベーターの利便性と経済性を精力的に実証しましたが、当時は紙のデータをエンジニアリングの実践に移すには、まだ克服できない問題が多すぎるように思われました。

最大の課題は、やはりエレベーターの材質です。ツィオルコフスキーの超高鉄塔を起点として、地球の自転の影響を相殺し、宇宙エレベーターが地上施設に対して動かないようにするために、科学者たちは宇宙エレベーターの実証時に建設現場を静止軌道上に固定した。

ピアソン氏が構想する宇宙エレベーターによれば、一般的な鋼鉄ケーブルを主な材料として使用した場合、そのようなケーブルを静止軌道から地上に落下させると、ケーブルは9,000メートル未満の距離で自重により切断され、静止軌道は地上から30,000キロメートル以上離れている。ピアソンが「スペースライン」のコンセプトを主張していたとき、彼は宇宙エレベーターの主要構造として高強度材料を使用することを漠然と提案しただけだった。具体的にどのような繊維素材を使用するかは、当時のデモンストレーションの段階から克服できない問題でした。

第二に、静止軌道から地上に到達するには、高度1,000キロメートル以上の大気圏を通過する必要があります。対流圏の複雑な気候条件、高度の上昇に伴う成層圏の温度上昇など、さらに月と太陽からの重力の影響はすべて、直接的または間接的に宇宙エレベーターの安定性をテストします。さらに、エレベーターで宇宙に行くとき、乗客は地球の外層にある高強度放射線帯を通過することになります。乗客を影響から守る方法も、もう一つの技術的な課題です。

▲ピアソンの宇宙エレベーターの当初の構想（写真提供：STAR.INC）

さらに、宇宙エレベーターの一方の端は静止軌道に「つなぐ」必要があり、もう一方の端には地球の赤道付近に基地局を建設する必要があることを考えると、基地局の設置場所の選定にも困難が伴います。赤道付近の土地は熱帯雨林がほとんどなので、エレベーター基地局を建設するのは非常に難しく、輸送コストを考えると費用対効果は高くありません。したがって、浮体式基地局は公海上にのみ建設できます。ピアソン氏とその後継者も同様のアイデアを提案しているが、複雑な海況下でこれほど巨大なエレベーター基地局の安定した運用をいかに確保するかも課題となっている。

希望の光

1990年代以降、材料科学は一連の大きな進歩を遂げ、宇宙エレベーターの支持者たちに材料問題の解決への希望を与えてきた。 1993年にカーボンナノチューブが発明され、2年後には大量生産されました。この材料は強度が高く（ダイヤモンドに類似）、柔軟性に富み、繊維に加工することができます。ピアソンが提案する「スペースワイヤ」の作成に非常に適しています。カーボンナノチューブは、世界で最も強力な材料の 1 つとして知られ、最大 100 GPa (圧力の単位、ギガパスカル、1 GPa = 1000 000 000Pa) の固有引張強度を持ちます。これは、鋼鉄の単位質量あたりの引張強度の 276 倍に相当します。理論的には、「少しの努力で大きな成果が得られる」という効果が得られ、これは「空間の線は鉛筆の芯よりわずかに太いだけ」というピアソンの考えと一致しています。

もちろん、現在の人類のカーボンナノチューブ製造技術では、それを宇宙エレベーターの建設に利用できるようになるまでには、まだ長い道のりがあります。例えば、カーボンナノチューブを製造するために使用される触媒は高温環境では容易に活性を失うため、カーボンナノチューブの長さは大幅に制限されます。宇宙エレベーターに必要なケーブルの長さは3万キロメートル以上です。しかし、カーボンナノチューブの方向では、各国が懸命に研究に取り組んでおり、我が国は近年大きな進歩を遂げています。

▲元ソ連のエンジニア、ユーリ・アルチュタノフ氏が2010年の国家宇宙エレベーター会議で将来の宇宙エレベーターの設計を視察（写真提供：宇宙エレベーターブログ）

2013年、清華大学化学工学部の魏飛教授率いる研究チームは、超長カーボンナノチューブの成長メカニズム、構造制御製造、性能特性に関する広範な研究を行った後、世界初となる長さ50センチを超える単一カーボンナノチューブの製造に成功し、世界新記録を樹立しました。これにより、将来、宇宙エレベーターに必要なケーブルを建設できる可能性が生まれます。魏飛教授はかつてこう語った。「私たちが製造したカーボンナノチューブは、完璧な構造、優れた機械的特性、そしてマクロ的な長さを特徴としています。現在、私たちは1メートルを超える長さのカーボンナノチューブの製造に取り組んでいます。次のステップでは、数キロメートルを超える長さとマクロ的な密度のカーボンナノチューブを製造できるようになることを期待しています。これらの研究は、宇宙エレベーターの製造に希望の光をもたらすでしょう！」

近年、最先端技術が継続的に進歩したからこそ、もともとは科学とSFの狭間の単なる一閃だった宇宙エレベーターが、科学者たちの工学設計の青写真に組み込まれるようになったのだ。 1999年、アメリカ航空宇宙局（NASA）のマーシャル研究センターは、「宇宙エレベーター：先進的な宇宙インフラ」と題する報告書を発表し、公式な観点から宇宙エレベーターの実現可能性を詳述した。 「宇宙エレベーター」の構想が公式に認められたのはこれが初めてだった。

▲NASAが公開した将来の宇宙エレベーターのコンセプトマップ（画像提供：NASA）

それ以来、主要な航空宇宙公的機関から宇宙産業への投資に関心を持つ多くの企業までが、独自の宇宙エレベーター計画を立ち上げてきました。例えば、ロシアは欧州宇宙機関と協力して宇宙貨物エレベーターを建設する計画を立てている。アメリカは宇宙エレベーターの研究開発を専門とするリフトポートグループという会社を設立した。日本もエレベーターケーブルの設計計画を発表した。

もちろん、現在の宇宙エレベーターの設計には、依然として多くの技術的な困難が残っています。しかし、人類はすでにロケットの打ち上げ以外にも宇宙と地球を結ぶ別の手段を切り開いている。技術の継続的な反復と発展により、関連する困難は徐々に解決され、宇宙エレベーターは私たちから遠くないかもしれないと私は信じています。