宇宙に行くためのエレベーターを建設したい場合、それを自転する地球にどのように固定すればよいでしょうか?修正する必要はありません

宇宙エレベーターはSFのような概念だが、我々が生きている間に現実になる可能性は十分にある。日本の科学者の中には、人類が2050年にも最初の真の宇宙エレベーターを建設すると予測する人もいます。これは可能でしょうか?なぜ私がこう言うのかと聞かれれば、それは本当にあり得ることです。なぜなら、それはツィオルコフスキーの口から出た言葉だからです。

ツィオルコフスキーは1857年にロシアで生まれました。彼は数学と物理学の教師でした。彼には科学界から認められたもう一つの称号、「宇宙飛行の父」もありました。ツィオルコフスキーについて何も知らないと、このタイトルに戸惑うでしょう。 19 世紀に生きたロシア人がどうして宇宙飛行の父と呼ばれることができたのでしょうか?ライト兄弟が飛行機を発明し、最初の試験飛行を完了したのは 1903 年 12 月 17 日のことだったことを知っておく必要があります。言い換えれば、ツィオルコフスキーは飛行機を見たことがなかったのだ。

ツィオルコフスキーは飛行機を見たことがなかっただけでなく、生まれつき耳が聞こえず、数学と物理学も独学で学んだ。しかし、彼は、人類がいつの日か地球を離れて宇宙を旅することができるようになると大胆に想像し、信じていました。

人類が地球を離れることができると信じられていたので、方法を見つけなければなりません。そうでなければ、それはナンセンスです。そこでツィオルコフスキーはジェットロケットのアイデアを提案し、後に液体ロケット燃料と多段ロケットのアイデアを提案しました。今では、ツィオルコフスキーの先進的なアイデアがすべて現実のものとなったことは誰もが知っており、ツィオルコフスキーは当然のように「宇宙の父」の称号を獲得しました。ツィオルコフスキーはロケットに加えて、宇宙へ移動する別の方法、つまり宇宙エレベーターも構想しました。

ロケットと比較すると、宇宙エレベーターの概念ははるかに神秘的なものに思えます。地球は静止した球体ではありません。常に回転しています。赤道では、地球の自転の線速度は時速 1,670 キロメートルに達することがあります。どうしてこんなに高速回転する球体の上に薄いエレベーターが立つのでしょうか？不可能に思えますが、実際には可能です。

質量を持つすべての物体には重力があり、質量が大きいほど重力も大きくなります。地球は質量が5.965x10∧24kgの球体なので、重力はかなり強いです。第一宇宙速度に達して低地球軌道に入ったとしても、地球の重力の影響を受けます。地球を周回する物体は、重力の影響を受けるだけでなく、重力と反対方向の仮想的な力、つまり慣性遠心力の影響も受けます。

物体にかかる重力は距離の二乗に反比例します。つまり、地球から遠いほど、受ける重力は小さくなります。ただし、物体にかかる慣性遠心力は距離に正比例します。距離が遠くなるほど、慣性遠心力は大きくなります。そのため、地球の表面から一定の高さでは、重力と慣性遠心力の大きさが一定になり、バランスが取れるようになります。この位置は、私たちによって「静止軌道」と呼ばれています。

静止軌道上の物体は地球の自転と同期して移動するため、地球から見るとこの軌道上の物体は静止しているように見えます。そのため、この軌道は宇宙エレベーターの終着駅を配置するのに使用できます。端末ができたので、次の問題は、地上の出発点と宇宙の端末をどのように接続するかです。

静止軌道は地球の表面から 36,000 キロメートル上空にあります。しかし、エレベーターを建設する場合、長さ 36,000 キロメートルしか建設できません。

静止軌道下のエレベーター本体にかかる重力は慣性遠心力よりも大きいため、その速度は地球の自転速度と一致しず、直立することができません。この問題を解決するには、エレベーターを長く建造する必要があり、それはエレベーター本体の全高が静止軌道の高さよりもはるかに高くなければならないことを意味します。このように、静止軌道上のエレベーター本体にかかる慣性遠心力は地球の重力よりも大きくなり、静止軌道下のエレベーター本体にかかる地球の重力は慣性遠心力よりも大きくなります。その結果、体の2つの部分が互いに引っ張られることになります。 2 つの部分に作用する力が等しい場合、バランスが達成されます。エレベーター全体はいかなるサポートも必要とせず、重力と慣性遠心力のバランスのとれた作用によって地面より上に立つことができます。

理論的な観点から見ると、宇宙エレベーターのコンセプトは事実と完全に一致しています。現在の人間の技術レベルでも、基本的には建設条件を満たすことができます。何かが欠けているとすれば、それは建築資材です。

宇宙エレベーターの建設は、エレベーターの主要部分に作用する重力と慣性遠心力のバランスに依存します。このバランスは「引っ張る」効果に頼って達成されるため、宇宙エレベーターの建造に必要な材料は十分な強度を備えている必要があります。現在、宇宙エレベーターの建造要件を満たすことが知られている唯一の材料はカーボンナノチューブです。ただし、この素材をまだ長くすることはできません。現在世界で作られている最長のカーボンナノチューブ素材はわずか50センチだが、これは清華大学の研究者によって完成された。そのため、数万キロメートルの宇宙エレベーターを建設するには、ある程度の時間がかかることになります。

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