宇宙エレベーターは実現する？物理で見る3つの壁と時期

ケーブル1本で高度3万6000kmへ昇る宇宙エレベーターに、「生きているうちに乗れるのか」と期待したことはありませんか。

結論から言うと、宇宙エレベーターの実現はいつかという問いと課題の答えは、「物理の法則では可能、素材がまだ追いついていない」です。

理学部の物理学科で学んだ立場から計算すると、必要なケーブルの強さは鋼鉄の数十倍以上になるからです。

読み終わるころには、仕組みと3つの壁、2050年構想の現在地が一通りわかります。

ニュースやアニメに出てくる宇宙エレベーターを、自分の目で「どこまで本当か」判定できるようになります。

今回の記事の内容

• 宇宙エレベーターの仕組みと静止軌道の役割
• 実現を阻む3つの壁とカーボンナノチューブの現状
• 2050年構想の現在地とアニメ描写の科学的な線引き

宇宙エレベーターの仕組み｜静止軌道から地上へ吊るす構造

宇宙エレベーターは、地上から積み上げる塔ではなく、宇宙から地上へ垂らしたケーブルです。

よくある誤解が「とても高いタワーを建てる」というイメージで、実際の構想は下から押し上げるのではなく、上から吊るして張る構造です。

基準になるのは、赤道の上空およそ3万6000kmにある静止軌道です。

この高さを回る物体は、地球の自転と同じ約24時間で1周します。

そのため地上から見ると、空の一点に止まっているように見えます。

気象衛星「ひまわり」がいつも同じ方角の空にいるのも、この静止軌道を回っているからです。

外側に重りを置いてケーブルをピンと張る

ケーブルは、静止軌道より外側にも伸ばした重りの力で張った状態を保ちます。

静止軌道から地上側へ垂らすだけでは、ケーブルの重さで全体が地球へ引き寄せられてしまいます。

そこで反対側にもケーブルや重り（カウンターウェイト）を伸ばし、遠心力で外へ引っ張らせます。

水の入ったバケツを持って腕をぐるぐる回すと、腕が外へ引っ張られてピンと伸びる感覚に近いです。

回転で生まれる外向きの力については、パッセンジャーの人工重力の記事でも詳しく扱っています。

構想されている全長は約10万kmで、地球を2周半するほどの長さです。

クライマーでケーブルを登ると片道約1週間

人や荷物は、ケーブルをつかんで登る「クライマー」という昇降機で運ぶ構想です。

時速200kmで静止軌道まで登ると、3万6000km÷200km＝180時間で、およそ7.5日かかります。

新幹線並みの時速300kmに上げても、約5日の旅になります。

「途中で無重力になる」はよくある誤解

宇宙エレベーターで高度400kmに着いても、体はほぼ地上と同じ重さを感じます。

高度400kmでも、重力は地上の約9割が残っているからです。

同じ高さの国際宇宙ステーションが浮いて見えるのは、秒速約7.7kmで地球の周りを「落ち続けている」ためです。

ケーブルにつかまった乗り物の横向きの速さは、地球の自転に引きずられた秒速0.5km弱しかありません。

重さがほぼ消えるのは、静止軌道まで登り切ったときだけです。

静止軌道は地球の中心から約4万2000kmで、地球の半径の約6.6倍の距離にあります。

重力は距離の2乗に反比例するので、6.6×6.6≒44となり、地上の約44分の1まで弱まります。

その弱まった重力と遠心力がちょうど釣り合う高さが、静止軌道というわけです。

宇宙エレベーター実現を阻む3つの壁

実現を阻む壁は、ケーブルの素材、宇宙の環境、揺れと費用の3つです。

なかでも素材の壁が最も高く、これが越えられない限り残りの2つは議論の段階にとどまります。

壁1：カーボンナノチューブでも長さが足りない

最大の壁は、10万kmのケーブルが自分自身の重さに耐えられる素材がまだ無いことです。

一般的な高強度の鋼鉄は、上から垂らすと数十kmほどで自重に負けて切れる計算になります。

宇宙エレベーターに必要な「軽さのわりの強さ」は、鋼鉄の数十倍から100倍以上と見積もられています。

その有力候補が、1991年に飯島澄男博士が報告したカーボンナノチューブです。

炭素原子が筒状につながった物質で、1本単位なら条件を満たしうる強さを持つと考えられています。

問題は長さで、欠陥の少ない高品質なものはセンチメートル級までしか作れていないとされます。

短い繊維を束ねて糸にすると、繊維同士が滑り、強さは1本のときより大きく落ちてしまいます。

1本1本が強い髪の毛でも、三つ編みの強さは髪同士の摩擦で決まってしまうのと似た状況です。

壁2：宇宙ごみと放射線帯

2つ目の壁は、動けないケーブルが宇宙ごみと放射線にさらされ続けることです。

高度2000km以下の低軌道には、人工衛星や宇宙ごみが秒速7〜8kmの猛スピードで飛び交っています。

小さな破片でもこの速さなら大きな破壊力を持つことは、ゼログラビティの物理検証でも取り上げました。

赤道に固定された1本のケーブルはよけられないため、根元を動かして揺らす方法や補修の仕組みが検討されています。

さらに高度1000km付近から数万kmにかけて、ヴァン・アレン帯という放射線の強い領域が広がっています。

時速200kmのクライマーはこの領域を何日もかけて通るので、乗る人の被ばくをどう減らすかが課題になります。

壁3：ケーブルの揺れと建設費用

3つ目の壁は、クライマーが登るたびにケーブルが横に揺れることと、莫大な建設費用です。

回転する地球の上で上下に動くと、コリオリの力という横向きの力がはたらきます。

回っているメリーゴーラウンドの上で中心から外へ歩くと、体が横へ持っていかれる感覚と同じ原理です。

地上付近では雷や強風も受けるため、基地を赤道付近の海上に置く案がよく検討されています。

万一ケーブルが切れた場合の安全対策も欠かせず、費用の見積もりは構想ごとに大きく違って確定した数字はありません。

宇宙エレベーターはいつ実現する？2050年構想と研究の現在地

目標として最も知られているのは2050年ですが、素材の目処が立つまで時期は断定できません。

アイデア自体は100年以上前からあり、少しずつ形を変えて今の構想になりました。

日本では2012年、建設会社の大林組が2050年の完成を目指す構想を発表しています（概要は大林組の公式サイトで公開）。

2018年には静岡大学などのグループが、ケーブルでつないだ小型衛星を使い、宇宙空間で昇降機を動かす実験に取り組みました。

研究者や愛好家の団体である宇宙エレベーター協会も、昇降機の技術競技会などを通じて研究を後押ししています。

私の見立てでは、地球より先に重力が約6分の1の月で、小規模な昇降設備が試される流れのほうが現実的だと考えています。

月なら既存の高強度繊維でも検討の余地があるとする研究もあり、素材の壁が地球ほど高くないからです。

つまり「いつ」の答えは、長くて強いケーブルを作れた日から逆算して決まるということです。

アニメの軌道エレベーターはどこまで科学的か

アニメの宇宙エレベーターは、赤道に建てるという基本は物理に忠実で、素材が完成済みという前提が最大の創作部分です。

代表的な例が、テレビアニメ『機動戦士ガンダム00』で「軌道エレベーター」と呼ばれる巨大な設備です。

作中では、太陽光発電と結びついて社会のエネルギーを支える基盤として位置づけられています。

物理に忠実な点：赤道上に建つ

静止軌道は赤道の真上にしか存在しないので、宇宙エレベーターは赤道付近に建てるしかありません。

「静止軌道なら日本の真上にも置ける」と思われがちですが、これもよくある誤解です。

日本から見た静止衛星が南の空の低い位置に見えるのは、赤道上空にいるからです。

創作の点：10万km級の素材がすでにある

最大の創作は、自重に耐える10万km級のケーブルが当然のように存在している点です。

ここは物語を成り立たせるための約束事で、現実の研究が最も苦労している部分でもあります。

作品を観るときは、次の4点に注目すると、どこまでが科学でどこからが演出かを自分で見分けられます。

まとめ

宇宙エレベーターは物理の法則には反しておらず、実現の時期を決めるのはケーブルの素材です。

静止軌道から吊るし、外側の重りで張るという仕組みは、100年以上の議論を経てほぼ固まっています。

一方で、カーボンナノチューブを長く作る技術や、宇宙ごみ・放射線への対策はまだ研究の途中です。

2050年という目標は、こうした課題が順調に解けた場合の見通しとして受け止めるのがよいと考えています。

よくある質問

宇宙エレベーターはいつ完成する予定ですか？

確定した完成予定はありません。大林組が2050年の完成を目指す構想を2012年に発表していますが、自重に耐える長いケーブルの素材がまだ作れていないため、時期はその技術の進み方しだいと考えられています。

宇宙エレベーターのケーブルが切れたらどうなりますか？

切れた位置より下の部分は地球へ落ち、上の部分は遠心力で外側へ離れていくと考えられています。被害を小さくするため、落下時に燃え尽きやすい軽い素材にする案や、切断を防ぐ監視・補修の仕組みが研究テーマになっています。

カーボンナノチューブ以外に候補の素材はありますか？

炭素原子が平面状につながったグラフェンや、窒化ホウ素ナノチューブなども候補として研究されています。ただし、どれも宇宙エレベーターに必要な長さと強さを両立した段階には至っておらず、素材の壁は共通の課題と考えられています。

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