【宇宙開發民營化】(五) 2050年，乘“電梯”前往太空

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一條纜繩從海上設施一直延伸到空中，其上端可到達9.6萬公裡高空，這是地球與月球之間距離的約四分之一。如果乘坐沿著這條纜繩上下的電梯，任何人都能到達太空。日本大型建筑公司大林組於2012年2月在該公司的宣傳雜志上，公開了這種天方夜譚一般的“宇宙電梯”構想（圖1）。

圖1 大林組的宇宙電梯構想 2012年2月在該公司的宣傳雜志上公開。利用兩根多層碳納米管纜繩，連接地面基地和靜止軌道上的空間站，利用名為“爬行器”的電梯上下。

建筑公司的25年計劃

如果太空業務民營化順利發展，勢必會帶來用途的多樣化與太空結構體的大型化。能夠經濟地運載大量乘客和物資的技術也必不可少。但現在，唯一的運載工具隻有火箭，而火箭為了擺脫地球重力，必須裝載大量燃料，因此運載效率很難提高。發射時燃料在火箭總重量中所佔的比例高達90％。因此在目前，使用火箭運載時，運載每公斤重量需要花費100萬日元左右。如果宇宙電梯能夠實現，便可降至每公斤數萬日元。而宇宙電梯可解決這一問題，實現安全而高效的運載。

大林組設想的2030年宇宙電梯所需技術已完備，並在此基礎上，針對纜繩分析了地球重力、離心力、風力、溫差及其他外力所導致的伸縮等多種情況，制定了宇宙電梯施工計劃（圖2）。該公司打算從2025年開始在地面上建造用來固定纜繩的地面基地（Earth Port），經過25年的施工，於2050年竣工。

圖2 宇宙電梯的施工過程 用兩根纜繩連接設置於靜止軌道的建筑用途太空船和地面，以爬行器加固纜繩后，建造靜止軌道空間站等設施。

首先將於2030年向300公裡（近地軌道）的高空運送兩條20噸的纜繩和用於建筑的組裝太空船的部件及材料。用火箭發射合計約125噸的纜繩和材料。組裝太空船配備有可利用電磁力推進的Magneto Plasma Dynamic（MPD）發動機，在繞地球運行的同時上升至3.6萬公裡（靜止軌道）高空。發動機所需要的能量通過來自於地面的激光束提供。

太空船到達靜止軌道之后，會移動至建造宇宙電梯的預定位置。太空船在此處垂下兩條頂端裝有推進器的纜繩，同時繼續上升。推進器到達地面基地后，太空船將上升至9.6萬公裡高空。纜繩被固定在地面基地，太空船則變成在離心力作用下保持纜繩拉緊狀態的平衡錘。

之后，裝載有加固用纜繩的最大重量為880公斤的爬行器便會從地面基地出發。爬行器抓住兩條纜繩，在上升的同時為兩條纜繩粘合加固纜繩。爬行器以時速40公裡的速度上升，最多可使用8台爬行器、以懸吊在纜繩上的形式進行加固。推動爬行器前進的能量由地面和設置在靜止軌道的中繼衛星利用激光束提供。最前面的爬行器到達9.6萬公裡高空之后會像太空船一樣，起到平衡錘的作用。

發射火箭之后的第18年零5個月，多達510次的纜繩加固工程結束。隨后，將沿著纜繩向靜止軌道運載建筑材料，以建造利用太空環境的最新技術的研發基地 “靜止軌道空間站”、在具有與火星和月球相同重力的高度建設用於宇航員訓練等的“火星重力中心”和“月球重力中心”、用來向近地軌道投放人造衛星的“近地軌道衛星投放口”、前往火星的出發點“火星出發口”。建筑材料將使用最大重量為100噸的爬行器運載。該爬行器具備上下錯行機構，以200公裡的時速往返於太空和地面之間。

缺少可以制作纜繩的材料

如上所述，這一構想以所需技術全部完備為前提。但實際上，這一前提實現起來卻非常困難。

首先，最大問題在於纜繩使用的材料。從大林組的構想來看，纜繩使用“多層碳納米管”。碳納米管重量輕、抗拉強度大、彈性好，因此一直被業界認為是制作宇宙電梯纜繩的最佳材料。但是，大林組工程本部環境技術第二部首席工程師石川洋二指出：“在碳納米管的研究方面，利用該材料的高導熱性等將其作為功能材料的研究非常多，而將其作為結構材料的研究卻幾乎沒有進展。”

比如，使用多層碳納米管作為宇宙電梯的纜繩時，要求具備最大150GPa的拉伸強度。雖然理論上可以實現這一數值，但現在隻能達到60∼70GPa左右。而且，目前的現狀是，現有技術無法制作9.6萬公裡的多層碳納米管纜繩。要將多層碳納米管用作纜繩，至少也必須是沒有接頭的1公裡左右的單一分子，但目前，碳納米管的長度隻能達到數毫米左右。此外，用多層碳納米管纜繩來制作長纜繩的技術也沒有確立。

沿著纜繩升降的爬行器也需要很多革新性技術才能實現。比如，確保能在嚴酷的太空環境運行的可靠性的技術、抓住在風力等影響下搖動的纜繩上升的驅動機構及其控制技術、將驅動機構和纜繩之間產生的摩擦熱散發出去的機制等。 因太空為真空環境，所以無法象在大氣中那樣散熱。

此外，還有利用激光束向衛星及爬行器提供能量的技術、預測太空中超高速飛來的物質（垃圾）並盡可能躲避的技術，以及對劣化或損壞的纜繩進行維修的技術等，要解決的問題堆積如山。而且，除了技術之外，建設成本問題、超越國家界限來保証安全性的制度等多種問題都現實存在。

派生技術將催生新市場

但是，作為大林組這一構想的總指導的日本大學理工學院教授青木義男表示：“即便如此，宇宙電梯仍具有研究價值。”青木的專業是精密機械工程學，同時還是日本國土交通省“電梯等事故調查組”的委員。最近，還參與了迅達電梯公司（Schindler）的電梯事故調查，以及在東京地鐵公司的地鐵站發生的電梯墜落事故的調查。在開發用於宇宙極限環境中安全穩定運行的宇宙電梯的過程中，其開發成果便能不斷反饋到地面電梯中。懷著這種想法，青木從2008年前后開始研究宇宙電梯。目前，青木還是日本“宇宙電梯協會”的副會長，正在開發爬行器所需要的基礎技術。該協會的目的是進行宇宙電梯研究並提高宇宙電梯的社會認知度。 

圖3 研究宇宙電梯的日本大學理工學院青木研究室 青木義男教授的專業是精密機械工程學，同時還是日本政府設立的電梯等事故調查組的委員（a）。由研究室的學生開發的兩台爬行器。正以實現宇宙電梯為目標，研究用來升降的驅動機構等基礎技術（b）。

青木認為，“要實現宇宙電梯，需要將開發過程中誕生的技術獨立出來，不斷開拓新用途”，作為宇宙電梯的派生技術，他還在研究“平流層平台”技術。平流層平台是一個將搭載有通信設備及觀測傳感器的無人飛船發射至高20∼40公裡的平流層、用作廣播電視及通訊中轉站和觀測系統的構想。盡管從2000年前后就開始進行實用化研究，但目前存在的課題是如何固定飛船飄浮的場所。其原因是，雖然平流層與下面的對流層相比，氣流十分穩定，但仍有秒速為25米左右的風。因此，青木正在利用宇宙電梯的構思，研究通過芳綸纖維等制成的纜繩將飛船連接至地面來固定的技術。（日經技術在線！ 供稿）