講演内容

サイエンスカフェ in 静岡２０１５

宇宙エレベーター；
そのしくみと研究開発の現状
©大林組

静岡大学
工学研究科機械工学専攻

山極芳樹＊宇宙開発の意義は？
＊今の宇宙輸送システムは？
＊次世代の宇宙輸送システム（宇宙テザー）＊宇宙エレベーターとは？
＊宇宙エレベーターの技術課題と研究の現状＊宇宙エレベーターの技術実証

平成２７年３月２６日
1

化学ロケットの問題点（コスト高）

化学ロケットの問題点（環境破壊）
スペースシャトルレベル（ペイロード１００トン）で大量のロケット排出物（塩素酸化物、水など）の大気中への拡散

燃費が悪い（排出速度が遅い）推進剤（燃料）が重たい

2

１８００トン！

輸送コストが高くなるひとつの原因：
１ｋｇ運ぶのに約１００万円（低周回軌道）

ジャンボジェットの１０倍！

大量輸送時には環境破壊の危険性
4

3

宇宙テザー

燃料を使わない宇宙輸送システム

テザー: 細長いワイヤもしくは高張力合成繊維（直径数ｍｍ、長さ１０～１００ｋｍ）
推進剤のいらない輸送システム
・導電（エレクトロダイナミック）テザー（ＥＤＴ）
・回転（モーメンタム）テザー（ＭＯＴ）
宇宙テザー

宇宙テザー（宇宙エレベーターの要素）、ソーラーセイルなど
宇宙テザー

ダイニーマ
＜テザーサンプル＞©日経サイエンス©JAXA

ソーラーセイル（宇宙ヨット）5

テフロンチューブ

銅線

6©日経サイエンス1

回転テザー による輸送原理1＊Payload（ペイロード）：荷物＊ＬＥＯ（Low Earth Orbit)：
低周回軌道

回転テザー による輸送原理2＊Payload（ペイロード）：荷物＊ＬＥＯ（Low Earth Orbit)：
低周回軌道

ペイロード
ＬＥＯ

LEO
地球

テザーシステムの初期軌道

テザーシステムテザー初期軌道78

回転テザー による輸送原理3＊Payload（ペイロード）：荷物＊ＬＥＯ（Low Earth Orbit)：
低周回軌道

回転テザー による輸送原理4
テザー切り離し
LEO

LEO

地球

地球

捕獲後システム軌道

捕獲後システム軌道＊Payload（ペイロード）：荷物＊ＬＥＯ（Low Earth Orbit)：
低周回軌道

テザー＋ペイロードシステム

テザー初期軌道テザー初期軌道910

回転テザー による輸送原理5

導電テザーのしくみ＊ＧＥＯ（GeosynchronousEarth Orbit）：静止軌道＜テザーの推力＞
Geomagnetic
地球磁場field line

LEO

放出後テザー軌道

BH： 地球磁場

運動量保存則を利用

地球FT  B H  I  L

テザー
Tether

I： テザー電流
L：テザー長さ

BH

電子

電磁力を利用（フレミング左手の法則）

プラズマコンタクタ（陰極）テザーシステム
捕獲後システム軌道

ハンマー投げと同じ

Equator
赤道H

テザー初期軌道地球磁場
軌道速度方向ペイロード
GEO

ローレンツ力I

放出後ペイロード軌道

バラスト

FT

LEO

テザー電流

プラズマコンタクタ
(陽極)

速度増分
11

電子

母船122

宇宙エレベーターの歴史

宇宙エレベータはどこにつくるのか？

＜古代＞ 旧約聖書；ヤコブの梯子＜１９世紀＞イングランド民話集；ジャックと豆の木
１９１８年：芥川龍之介；小説「蜘蛛の糸」 軌道上のステーションと地上がずれてはいけない

・１８９５年：ツィオルコフスキー エッセイ「空と大地の間」にて宇宙エレベーターの構想記述
・１９６０年：アルツターノフ 「コムスモルスカヤ・プラウダ」誌に宇宙エレベーターの構想（電車で宇宙へ）発表
・１９７９年：アーサー・C・クラーク 小説「楽園の泉」発表
・１９９１年：飯島澄男（NEC, 現名城大学大学院教授）カーボン・ナノチューブ発見
・２００２年：ブラッドリー・エドワーズ（ロスアラモス研究所）：NASAの資金で宇宙エレベーターの概念研究を実施しレポート発表
・２００３年：Michael.J.Laine/TomasNugentなどにより米シアトルに宇宙エレベーター事業会社LiftPort社創設
・２００５年：NASAの支援によりSpaceward財団が2010年までの予定で毎年宇宙エレベーター競技会を開始
・２００７年：日本宇宙エレベーター協会設立
・２００９年～：宇宙エレベーター技術競技会（年１回）開催

宇宙エレベータの構成
アンカーステーション
エレベータケーブル(テザー)
遠心力
3 km/秒＜ケーブル＞＜基本要素＞
・ケーブル
・ステーション
・クライマ・地上側アンカー・エネルギー供給システム

 地球の回転（１日１回転）とあった軌道

静止軌道（GEO)：赤道面上高さ３６０００ｋｍ

宇宙エレベーター建設シナリオ

２．ケーブル展開＜クライマ＞

メインステーション

４．ケーブルに沿ってクライマを昇降させケーブルを増やす

地球引力
地球静止軌道
(GEO)

５．クライマモジュールを接続

静止軌道

クライマ＜地上アンカー＞＜エネルギー供給＞

１．ロケットで初期モジュールを軌道に打ち上げ

36,000km完成

３．ケーブルを地上に接続

地球宇宙エレベータの規模

初期宇宙エレベータ（NASA提案）
全質量50トン

宇宙エレベータの利点（最終1200トン）
アンカーステーション
50,000~100,000km

エレベータケーブル(テザー)

ケーブル：20トン

アンカーステーション（最終質量：600トン）

クライマ： 900kg（ペイロード300kg）

50,000~100,000km（最終的クライマ：20トン
ペイロード12トン）

メインステーション

メインステーション
地球静止軌道
(GEO)

必要電力：800kW（クライマ：100kW）

地球静止軌道（最終的送電量：2.4MW）

クライマ

エレベータケーブル(テザー)

クライマ

(GEO)

宇宙へのアクセス性が飛躍的に向上

クライマ速度：200km/時
36,000km
地球

建造期間：１５年 新東名：
２．６兆円
開発費：１～３兆円
大林組:開発費10兆円（エドワーズ見積もり）

・何度も輸送できる
輸送コスト小（ロケットの約1/100）
・輸送に大きな加速がいらない
子供やお年寄りでも宇宙に行ける・排気ガスが出ない
環境への影響小

36,000km
地球

人類活動圏の飛躍的拡大が可能

3

宇宙エレベータによる地球圏外輸送
静止軌道より上空ではエレベー
タ上での速度は、その高度を飛行するのに必要な速度より大きくなる（エネルギー大）→荷物を切り離すと遠くへ輸送できる＜例＞
高度46000km:
エレベータ上の速度；3.81km/s
必要な軌道上速度；2.76km/s
その軌道を維持するのに必要な速度より約1km/s大きい

宇宙エレベータの課題
今は研究段階。実現はまだまだ先

アンカーステーション

3.81km/s
46000km

エレベータケーブル(テザー)
メインステーション

地球静止軌道
クライマ

36,000km
地球

軽量強強度テザーの開発
テザーの動的安定摩耗の少ない昇降機（クライマ）の開発
クライマの安定制御
エネルギー供給方法
地上へのアンカー方法
強風対策
宇宙ゴミ（宇宙デブリ）対策
放射線対策
雷・雨対策

アンカーステーション

3.81km/s
46000kmテザー（ケーブル）材の研究（CNT）
宇宙エレベーターケーブル要求引張強度：50～60GPa

メインステーション

地球静止軌道

各種技術は宇宙実証必要

月への輸送に必要な速度

エレベータケーブル
(テザー)

クライマ

36,000km
地球

テザー（ケーブル）ダイナミックス

CNT理論強度120GPa

上昇（単独）CVD(化学気相堆積法)技術：0.1mm/minで2mm以上のCNT 成長

クライマ昇降時のケーブルダイナミックス解析
静岡大学：井上研究室

乾式紡績（ドライスピニング）

宇宙でのテザー（ケーブル）伸展の様子
40000 km35000

静止軌道ステーション
静止軌道

静岡大学／大林組グループ

東西

宇宙エレベーターの競技会
地上でのクライマ技術開発・実証

30000
25000
20000
15000
10000
5000

第4回宇宙エレベータ技術競技会（2012年）のようす（静大クライマ）

0‐250‐200‐150‐100

東‐50

0 km 50

静岡大学／大林組グループ解析結果

２０１４年宇宙エレベータチャレンジ
開催日：８月６日～９日
場 所：静岡県富士宮市大沢扇状地

世界記録！

2011年競技会
チームアクエリアスのクライマ（高度600mの昇降で速度14m／秒達成）

2014年競技会
チーム奥山のクライマ高度1100m
24の昇降

4

宇宙エレベータークライマ設計

STARS-C(Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-Cube)
テザー伸展に焦点を絞った軌道上実験
CubeSat（10cm×10cm×20cm）による100mテザー伸展技術目的

体制目的

宇宙テザーの展開・制御技術の検証
宇宙でのテザー挙動のデータ取得
宇宙環境の把握（将来テザー衛星の地上試験）

研究室（複数参加）での衛星開発技術の習得
大学内の技術発掘・連携体制
地元企業、提携企業との連携強化

2014年9月，国際宇宙ステーション「きぼう」日本実験棟から放出衛星選定，2016年打ち上げ予定STARS-Cイメージ図

26

テザー部の構造と伸展機構

成層圏エレベータ構想 宇宙へアクセス（回転テザー、リニア等）

テザー

子機

親子分離

スプール
（テザー巻き棒）・スプール式収納・バネ力による分離・リールによる張力制御

親機

リール

試作したスプールにテザーを巻きつけた状態

親子結合方法：垂直方向
はテグス、水平方向はフレーム噛み合わせ＜成層圏プラットフォームと地上を結ぶエレベータの構築＞
・軌道エレベータ技術の実証（現在の技術・材料で比較的低コストで構築可能）・高電波強度・広範囲の通信・放送サービス、観測・監視システムの提供
・プラットフォームのメンテナンスが容易
・宇宙への低コストアクセスの中継基地
・宇宙への入口の展望台の提供（観光）

テザー展開方式イメージ図

軌道上でのエレベータ昇降の検証

衛星開発

静岡大学

成層圏プラットフォーム

高度20～30km

テザー

クライマ
（エレベータ）

地上

28

まとめ
宇宙エレベーターは技術の発展により空想の世界から現実のものになりつつある
宇宙エレベーター実現には，まだ，多くの技術課題の克服が必要
宇宙エレベーター技術は宇宙で実証する必要があり
30

5