【宇宙开发民营化】(五) 2050年，乘“电梯”前往太空

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一条缆绳从海上设施一直延伸到空中，其上端可到达9.6万公里高空，这是地球与月球之间距离的约四分之一。如果乘坐沿着这条缆绳上下的电梯，任何人都能到达太空。日本大型建筑公司大林组于2012年2月在该公司的宣传杂志上，公开了这种天方夜谭一般的“宇宙电梯”构想（图1）。

图1 大林组的宇宙电梯构想 2012年2月在该公司的宣传杂志上公开。利用两根多层碳纳米管缆绳，连接地面基地和静止轨道上的空间站，利用名为“爬行器”的电梯上下。

建筑公司的25年计划

如果太空业务民营化顺利发展，势必会带来用途的多样化与太空结构体的大型化。能够经济地运载大量乘客和物资的技术也必不可少。但现在，唯一的运载工具只有火箭，而火箭为了摆脱地球重力，必须装载大量燃料，因此运载效率很难提高。发射时燃料在火箭总重量中所占的比例高达90％。因此在目前，使用火箭运载时，运载每公斤重量需要花费100万日元左右。如果宇宙电梯能够实现，便可降至每公斤数万日元。而宇宙电梯可解决这一问题，实现安全而高效的运载。

大林组设想的2030年宇宙电梯所需技术已完备，并在此基础上，针对缆绳分析了地球重力、离心力、风力、温差及其他外力所导致的伸缩等多种情况，制定了宇宙电梯施工计划（图2）。该公司打算从2025年开始在地面上建造用来固定缆绳的地面基地（Earth Port），经过25年的施工，于2050年竣工。

图2 宇宙电梯的施工过程 用两根缆绳连接设置于静止轨道的建筑用途太空船和地面，以爬行器加固缆绳后，建造静止轨道空间站等设施。

首先将于2030年向300公里（近地轨道）的高空运送两条20吨的缆绳和用于建筑的组装太空船的部件及材料。用火箭发射合计约125吨的缆绳和材料。组装太空船配备有可利用电磁力推进的Magneto Plasma Dynamic（MPD）发动机，在绕地球运行的同时上升至3.6万公里（静止轨道）高空。发动机所需要的能量通过来自于地面的激光束提供。

太空船到达静止轨道之后，会移动至建造宇宙电梯的预定位置。太空船在此处垂下两条顶端装有推进器的缆绳，同时继续上升。推进器到达地面基地后，太空船将上升至9.6万公里高空。缆绳被固定在地面基地，太空船则变成在离心力作用下保持缆绳拉紧状态的平衡锤。

之后，装载有加固用缆绳的最大重量为880公斤的爬行器便会从地面基地出发。爬行器抓住两条缆绳，在上升的同时为两条缆绳粘合加固缆绳。爬行器以时速40公里的速度上升，最多可使用8台爬行器、以悬吊在缆绳上的形式进行加固。推动爬行器前进的能量由地面和设置在静止轨道的中继卫星利用激光束提供。最前面的爬行器到达9.6万公里高空之后会像太空船一样，起到平衡锤的作用。

发射火箭之后的第18年零5个月，多达510次的缆绳加固工程结束。随后，将沿着缆绳向静止轨道运载建筑材料，以建造利用太空环境的最新技术的研发基地 “静止轨道空间站”、在具有与火星和月球相同重力的高度建设用于宇航员训练等的“火星重力中心”和“月球重力中心”、用来向近地轨道投放人造卫星的“近地轨道卫星投放口”、前往火星的出发点“火星出发口”。建筑材料将使用最大重量为100吨的爬行器运载。该爬行器具备上下错行机构，以200公里的时速往返于太空和地面之间。

缺少可以制作缆绳的材料

如上所述，这一构想以所需技术全部完备为前提。但实际上，这一前提实现起来却非常困难。

首先，最大问题在于缆绳使用的材料。从大林组的构想来看，缆绳使用“多层碳纳米管”。碳纳米管重量轻、抗拉强度大、弹性好，因此一直被业界认为是制作宇宙电梯缆绳的最佳材料。但是，大林组工程本部环境技术第二部首席工程师石川洋二指出：“在碳纳米管的研究方面，利用该材料的高导热性等将其作为功能材料的研究非常多，而将其作为结构材料的研究却几乎没有进展。”

比如，使用多层碳纳米管作为宇宙电梯的缆绳时，要求具备最大150GPa的拉伸强度。虽然理论上可以实现这一数值，但现在只能达到60～70GPa左右。而且，目前的现状是，现有技术无法制作9.6万公里的多层碳纳米管缆绳。要将多层碳纳米管用作缆绳，至少也必须是没有接头的1公里左右的单一分子，但目前，碳纳米管的长度只能达到数毫米左右。此外，用多层碳纳米管缆绳来制作长缆绳的技术也没有确立。

沿着缆绳升降的爬行器也需要很多革新性技术才能实现。比如，确保能在严酷的太空环境运行的可靠性的技术、抓住在风力等影响下摇动的缆绳上升的驱动机构及其控制技术、将驱动机构和缆绳之间产生的摩擦热散发出去的机制等。 因太空为真空环境，所以无法象在大气中那样散热。

此外，还有利用激光束向卫星及爬行器提供能量的技术、预测太空中超高速飞来的物质（垃圾）并尽可能躲避的技术，以及对劣化或损坏的缆绳进行维修的技术等，要解决的问题堆积如山。而且，除了技术之外，建设成本问题、超越国家界限来保证安全性的制度等多种问题都现实存在。

派生技术将催生新市场

但是，作为大林组这一构想的总指导的日本大学理工学院教授青木义男表示：“即便如此，宇宙电梯仍具有研究价值。”青木的专业是精密机械工程学，同时还是日本国土交通省“电梯等事故调查组”的委员。最近，还参与了迅达电梯公司（Schindler）的电梯事故调查，以及在东京地铁公司的地铁站发生的电梯坠落事故的调查。在开发用于宇宙极限环境中安全稳定运行的宇宙电梯的过程中，其开发成果便能不断反馈到地面电梯中。怀着这种想法，青木从2008年前后开始研究宇宙电梯。目前，青木还是日本“宇宙电梯协会”的副会长，正在开发爬行器所需要的基础技术。该协会的目的是进行宇宙电梯研究并提高宇宙电梯的社会认知度。 

图3 研究宇宙电梯的日本大学理工学院青木研究室 青木义男教授的专业是精密机械工程学，同时还是日本政府设立的电梯等事故调查组的委员（a）。由研究室的学生开发的两台爬行器。正以实现宇宙电梯为目标，研究用来升降的驱动机构等基础技术（b）。

青木认为，“要实现宇宙电梯，需要将开发过程中诞生的技术独立出来，不断开拓新用途”，作为宇宙电梯的派生技术，他还在研究“平流层平台”技术。平流层平台是一个将搭载有通信设备及观测传感器的无人飞船发射至高20～40公里的平流层、用作广播电视及通讯中转站和观测系统的构想。尽管从2000年前后就开始进行实用化研究，但目前存在的课题是如何固定飞船飘浮的场所。其原因是，虽然平流层与下面的对流层相比，气流十分稳定，但仍有秒速为25米左右的风。因此，青木正在利用宇宙电梯的构思，研究通过芳纶纤维等制成的缆绳将飞船连接至地面来固定的技术。（日经技术在线！ 供稿）