軌道エレベータは往還以外でも低コストで使えますか

質問

軌道エレベータの輸送コストについて触れている文書では、
大抵、非常に低い、というようなことが書かれいます。

建設資材の持ち上げなど、上昇のみの需要も見込めるはずで
その総量が軌道エレベータの総重量に比べ十分小さいとは限らないでしょう。
軌道エレベータの減速を補う必要が出てくるはずです。
燃料を持ち上げる必要があるのはロケットと変わらず、
現行ロケット比でもそれなりのエネルギー消費になりませんか？

非常に高効率で低コストな増速方法が使えるということでしょうか。
それとも、往還以外に軌道エレベータを使う予定は無いのでしょうか。

専門家の方々は具体的にどうお考えなのでしょう。

回答No.6

kawasemi60 · ベストアンサー

往還の質量差が有る場合は静止衛星側で速度制御
が必要です。その為には燃料だけ補給すれば良い。
ロケットだと機体とエンジンまで要します。

考えの順番として最初は燃料輸送に価値が在る。
次が貨物や人員輸送。
質問のとおり地上から質量を上げれば増速が必要。

地上のエレベーターと勘違いしてはならない。
地上では建物との摩擦力で増速しているのですから。
それだけの剛性がどんな建物にも有る。

だからエレベーターの剛性により燃料の必要量が異なる。
充分な剛性とすれば燃料は要らない。
しかしこの大距離でどれほどの剛性が可能か？

今のところ引っ張り応力を高く設計し静止衛星軌道の
上下で対処し不足分を燃料で制御する考えが普通。
実際にはエレベーター軌道の途中に推力装置を備える。

私が思うにこんな物より電磁射出機の方が実用的と思う。
第一弾ロケット分の速度を射出するだけでも大成果。

お礼

ポイントを押さえた回答ありがとうございました。

回答No.11

kawasemi60

衛星とケーブルに分けて考えると判りずらいですねー
ここでは地上から建設する場合を考えましょう～
連タコというのがありますよね。

まず地上で必要な長さのケーブルをつくり適度な間隔
でエンジンを多数作り燃料パイプで地上から燃料を供給。
ケーブル最端エンジン始動して地上から伸ばして行く。

次のエンジンまで上昇したらエンジン点火を繰り返す。
連タコがエンジンで垂直に連なる感じです。
やがて静止衛星の高度を超えてさらに地球から遠ざかる。

ここまでくれば伸ばすほど遠心力が増えるのでケーブル
途中のエンジン出力を落とせます。さらに伸びると途中
の連タコエンジンを全て停止しても落下しません。

つり合いが取れている状態ですね。
さらに伸ばして遠心力でケーブルが宇宙に落ちて行く
状態にして地上の基礎で受け止めます。

多少の貨物質量ではびくともしません。
この後で静止衛星軌道の高度に施設を建設しましょう。
地上からの建設も当初から検討されています。

私に言わせれば衛星からケーブルを伸ばすのは不賛成。
その為に多数のロケットで質量を上げるなんて無駄。
地上に横たわるケーブルをするすると伸ばす方が実用的。

燃費の良いジェットエンジンを使えばロケットより経済的。

お礼

建設の始め方は一つではないのですね。
上から降ろす方式よりも素早い展開ができそうですね。

回答No.10

hg3

再度Wikipediaを読み直してみましょう。
”概念としては、静止軌道上の人工衛星を、重心を静止軌道上に留めたまま地上に達するまで縦長に引き伸ばし、そのケーブルを伝って昇降することで、地上と宇宙空間を往復する。”とあります。
また、”昇降機はケーブルとの摩擦のみで地球の重力に逆らって昇降を行う”との説明もあります。
つまり、Wikipediaで説明している軌道エレベーターの概念は、あくまでも静止衛星から地上にケーブルまたはレールを伸ばした普通のエレベーターと同じということです。
おそらく、No6,No7,No9の回答はこれとは違う概念のものを説明しているのではないでしょうか。

ただし、静止衛星から地上へケーブルを伸ばせば、ケーブルに重力が働くのでで、静止衛星は落下してしまいます。そこで、地上とは反対側つまり静止軌道の外側にも同じ長さだけケーブルを伸ばして重心が丁度静止軌道上に保たれるようにします。もちろん同じ長さのケーブルを伸ばすのでなく、重りをつけて重心を保っても同じことです。（Wikipediaの概念図の通り）
昇降機の重さは、ケーブルの重さに比べて無視できるほど小さいと考えれば、衛星は、ずっと静止軌道を周ったまま維持できます。そのための燃料は原理的には不要ということです。

また、エレベーターの下端、ケーブル、静止衛星、上端の重りはすべて同じ角速度で回転しているので、
＞西にいくほど高度が下がり角速度が上がる関係になっている
というような、東西方向の移動を考える必要はありません。

＞自然に、あるいは能動的に質量を上下する為に重心を静止軌道よりも上に置いている。
というのも違います。

＞下げるときは張力が使えるが、上げるときは遠心力を使う
というのも少々違います。

地上から静止軌道まで物を持ち上げる時は、自転による遠心力より重力の方が大きいため、重力に逆らって物を持ち上げるためのエネルギーが必要です。
一方、静止軌道より外側では、自転による遠心力の方が重力より大きいので、燃料なしでも地球周回軌道から脱することが可能となります。
また、静止軌道から地上へ物を下ろすのは、重力に従って落下するだけなので、エネルギーは不要。しかし自由落下では、安全に物を地上へ下ろせません。そこで、ブレーキをかける必要があるわけですが、動力にモーターを使えば回生ブレーキを使って位置エネルギーを回収できるので、原理的には昇降機の上げ下げ自体にはエネルギーをほとんど必要としないことになります。

以上はあくまでも原理の話、実際には材料の剛性とか、ケーブルの振動や熱による伸縮、気象条件の変動、低軌道の人工衛星や大きなスペースデブリとの衝突等々に対応するための様々な仕組みが必要になるでしょう。

補足

> 東西方向の移動を考える必要はありません。
結論としてはそうなるのでしょうが、どうしてそう言えるのか？
（外乱を受けたときどのように修正されるか）
という観点で回答をいただけるとありがたく思います。

回答No.9

kawasemi60

エレベーター衛星の高度は静止衛星より高い軌道です。
理由はケーブル重量が１万トンを超えるかも知れないので。
静止衛星より低い位置のケーブルに遠心力と重力の差

の重量がかかります。この重量を相殺する遠心力が必要。
そこで通常の静止衛星より高い高度が必要です。
衛星本体ではなく宇宙側にケーブルを伸ばした先の質量

を利用する案もあります。私は衛星自体で対応に賛成。
エレベーター全体に対する貨物質量はかなり小さいと思う。
ならイオンエンジンなどで高度維持や姿勢制御がお勧め。

衛星の角速度を一定にしたい訳で回転速度を直接上げる
のでは無くて高度を維持する噴射により円軌道を維持。
衛星の円軌道は重力により衛星が直進軌道から連続した

落下として説明されます。つまり重力による加速運動です。
この加速力が大きければ円軌道半径は小さくなり続けやがて
墜落。小さければ宇宙に飛んで行く。

放物線の様な軌道から速度制御により重力と遠心力が釣り
合う感じの静止衛星軌道にします。衛星から地球に向けて
噴射すると放物線みたいな軌道半径が大きくなります。

飛行速度を上げるのも地球に噴射も目的は重力加速作用を減らす
為。衛星と地上の速度差による衛星速度減少と質量移動に
よる高度の低下つまり位置エネルギー低下が予想されます。

遠心力との釣り合いが崩れれば重力により落下軌道となる。
静止軌道でも姿勢制御エンジンは必要ですからエンジンに
よる移動質量の補正がお勧めです。

お礼

回答ありがとうございました。

回答No.8

Mokuzo100nenn

ケーブルカーを考えてみましょう。

ケーブルカーでは、通常、二つの箱がケーブルで連結されており、一つの箱が上昇するときに、他の箱が下降するので、箱自体の重量を持ち上げる必要が無く、箱に搭載している貨物・人物の重量だけを持ち上げることに近似されます。

このケーブルカーを垂直にして、地球重力圏の外側まで延長したモデルが軌道エレベーターです。
シャフトが風雨の影響を回避するためのエネルギーは必要になるかもしませんが、それ以外は貨物・人物を重力圏外に持ち出すためのエネルギーが必要なだけ（と近似されます）。

それに対して、宇宙ロケットやスペースシャトルは乗り物自体を重力県外に射出することになるため、重量効率が悪い（＝ペイロード比率が低い）ので、効率が悪いのです。

回答No.7

kawasemi60

言い忘れましたが静止衛星の上下に衛星より高高度
に質量を剛性高く置き、下方に移動すれば増速する
事を含みます。縦長の衛星を想像してください。

その中の質量を上下させれば速度制御が出来ます。

補足

回答有難うございます。高度の変化が重要なのですね。
以下のような理解でよろしいでしょうか？
1)東西方向の位置が「自然に維持される」のは、
　西にいくほど高度が下がり角速度が上がる関係になっているから。
2)上記のようにならない為地上の固定地点より東では「自然に維持」されない。
3)自然に、あるいは能動的に質量を上下する為に重心を静止軌道よりも
　上に置いている。下げるときは張力が使えるが、上げるときは遠心力を使うから。
4)静止＞質量を上下して東西方向に移動＞静止という操作をしたときのエネルギー収支はゼロ。

回答No.5

hg3

やはり根本的に勘違いしているようです。
もう1回Wikipediaを読み直しましょう。
「地上から静止軌道以上まで延びる塔、レール、ケーブルなどの構造物に沿って運搬機が上下する」と
書いてありますよね。まさに、普通のエレベーターを単に静止軌道まで高くしたと考えれば良いのです。

＞地上側はただ海に浮いているだけではないのですね。
いいえ、単なるエレベーターなのですから、海（陸上でも構わないが）のある地点に固定されています。
そこから、真上の静止衛星まで、軌道を伸ばしているのです。
静止衛星は、地球の自転速度と同じく24時間で1周しますから、常に地上(赤道上）のある地点の真上にあるということは理解していますよね。
だから、その静止衛星と地上を軌道（レールやケーブルなど）でつなげば良いだけです。

＞地上から東に引っ張るという理解でよろしいでしょうか。
違います。
エレベーターなんだから真上に伸びた軌道に沿って上るだけ。
もっと簡単に考えるなら、その軌道をはしごと考えれば良い。はしごを上ったり下りたりして宇宙と行き来できる。これが軌道エレベーターの根本的な考え方。
そう考えれば「秒速3km程度まで物を加速する必要」は無いことも理解できますよね。
はしごをのぼるのだから、「宙に浮いている」わけでもないし、「何かを噴射する」必要も無い。

実際は、はしごを人間が上るわけにはいかないので、軌道（レールやケーブルなど）を車輪で挟み車輪をモーターで動かして上下する方法が現実的でしょう。問題はモーターを動かすための電力をどうやって供給するかということになるが、軌道があるのだから、軌道を介して電力を供給することもできるし、前出の回答のように、マイクロ波などを使って無線で電力を供給することもできる。つまり、重たい電池や燃料を積む必要が無いという事です。

> 荷物を上げ下げする際にコリオリ力が発生するが、地球につなぎ止められているため全体が逆さの振り子のように働き、元の位置を自然に維持する。この部分ですね。
今回の質問に関して、この部分は、あまり関係ありません。
そんな難しい話を考える以前の問題です。

お礼

お付き合いいただき有難うございます。
昇降のやり方自体についてはおっしゃる通りだと思います。特に疑問点は無く質問でも触れなかったのですが、質問文が良くなかったと思います。また、いくつもの誤りになかなか気付きませんでした。いろいろと済みません。

回答No.4

gomadare75

軌道エレベータってのは、地上から静止軌道まで延びた塔、あるいは静止軌道から地上へぶらさがったケーブルってイメージです。
そうした事を考えてWikipediaたりで調べてみたら良いと思います。

お礼

Wikipediaを読み直してきました。
> 荷物を上げ下げする際にコリオリ力が発生するが、地球につなぎ止められているため全体が逆さの振り子のように働き、元の位置を自然に維持する。
この部分ですね。地上側はただ海に浮いているだけではないのですね。
質問に書いたようなケースでは、地上から東に引っ張るという理解でよろしいでしょうか。

回答No.2

CC_T

基本的にロケット噴射では荷物以外に燃料も一緒に持ち上げねばならないわけですが、軌道エレベーターなら本体にモーターさえ備えておけば外部からマイクロ波やレーザーなどで電力を供給してやることが可能ですから、燃料を持ち上げる必要はないですよ？

お礼

荷物の昇降のお話だったのですね？
この質問に直接関係するのは軌道エレベータ全体の位置と姿勢が制御される原理とそのコストの方です。質問文が良くありませんでした。済みません。

補足

宙に浮いている（ような）ものの姿勢制御というと何かを噴射するくらいしか思いつかなかったもので。電気的に可能なのですか。もう少し具体的に原理を説明していただけませんか。

回答No.1

jusimatsu

質問者さんは、軌道エレベーターをいったいなんだと思っているのでしょうか。
なんだか、ものすごく基本的なところでとんでもない勘違いをしているような気がします。

お礼

おっしゃる通りでした。
次のような重大な誤解をしていました
・軌道エレベータの地上端には垂直方向にも水平方向にも
　力がかかっていない状態で運用される
　→つまり、静止衛星が浮いているのと同じ状態のまま。
・本体が水平方向に動けば地上端も海上を自由に移動する。

補足

例えば静止軌道まで物を持ち上げるには秒速3km程度まで物を加速する必要がありますね。物を加速すればその分エレベータは減速するのではありませんか？