5分でわかる軌道エレベーター
軌道エレベーター（宇宙エレベーター、Space elevator）とは、赤道上の地上から、静止軌道の先まで伸びるケーブルを作り、その上を乗り物が登って宇宙へ行く、という構想です。物語の中だけの話ではなく、実際に工学者が研究してきたアイデアですが、今のところ実物は作られていません。このページはSFの歴史の一部です。
しくみの鍵は、地球の自転です。赤道の上空約35,786kmを回る人工衛星は、ちょうど1日で地球を1周します。そのため、地上から見るといつも同じ場所に止まって見えます。これが静止軌道です。この高さから地上に向けてケーブルを垂らすと、自転の力で支えられ、ケーブルは同じ場所にぶら下がったままでいられます。さらに静止軌道より先に重りを置いてケーブルをぴんと張れば、宇宙へ続く一本の道ができあがります。
この構想が注目される理由は、コストと静けさです。今のロケットは、自分の燃料を持ち上げるためだけに大量の燃料を燃やします。軌道エレベーターなら、乗り物は電気で動き、一定の速さで上っていけます。うまくいけば、1kgの荷物を宇宙へ運ぶ値段を大きく下げられるかもしれません。ただし、重さのわりに桁違いに強いケーブルが必要になります。ここが最大の壁です。
仕組み：四つの部品
多くの設計案は、次の四つの部品でできています。
- アンカー（地上の基地） 赤道上に置く基地です。嵐をよけて動かせるように、波の穏やかな海に浮かべるプラットフォームが考えられています。
- テザー（ケーブル） とても長いひもやリボンです。いちばん重さを支える静止軌道の高さでは太く、地上に近いほど細くします。
- クライマー（昇降機） ケーブルをつかんで上り下りする電気式の乗り物です。荷物や人を運びます。
- カウンターウェイト（釣り合いのおもり） 静止軌道より先に置く宇宙ステーションや小惑星です。外へ引っぱる力が、ケーブル全体をぴんと張ります。
なぜ赤道でなければならないのでしょうか。静止軌道が存在するのは赤道の真上だけで、ケーブルは地球の中心に向かってまっすぐ垂れる必要があるからです。ではなぜケーブルは落ちてこないのでしょうか。静止軌道より下では重力のほうが強く、ケーブルを下へ引きます。静止軌道より上では、自転による遠心力のほうが強く、外へ引きます。ケーブルは両方向から引かれ、ギターの弦のように張りつめます。
旅はゆっくりです。時速200kmで上る昇降機でも、静止軌道の高さに着くまでに約1週間かかります。そのため途中に駅を置く案もあり、短時間で行く旅行より、荷物の輸送に向いた方法だと考えられています。
作り方も、多くの案では上から下へ進めます。宇宙船が最初の細いケーブルを静止軌道まで運び、そこから地上に向けて垂らします。その後、昇降機が何度も上り下りしながらケーブルを重ねて、太く丈夫にしていく流れです。
アイデアの歴史
最初のきっかけは1895年です。ロシアの科学者ツィオルコフスキーが、パリのエッフェル塔に刺激されて、地面から軌道の高さまで届く塔を思い描きました。ただし、そこまで高い塔は自分の重さでつぶれてしまうため、空想のままでした。
今の形に近い考え方は1960年に出ました。レニングラードの技術者ユーリ・アルツターノフが、人工衛星から地上へケーブルを垂らす案を示したのです。ケーブルは立つのではなく、ぶら下がります。そのため、つぶれるのではなく引っぱられるだけで済み、材料をはるかに有効に使えます。この案はソ連の新聞に載りましたが、西側ではしばらくほとんど知られませんでした。1960年代から70年代にかけて、アメリカの研究者も似た考えにたどり着き、1975年にはジェローム・ピアソンが詳しい検討を発表しました。
この構想を世界に広めたのが、1979年に出たアーサー・C・クラークの小説『楽園の泉』（The Fountains of Paradise）です。軌道エレベーターの建設を描いたこの作品は、読者だけでなく技術者にも広く知られ、今でも話題に出ます。
1991年には、日本の物理学者・飯島澄男さんの研究がきっかけで、炭素原子でできた極小の筒、カーボンナノチューブが注目されました。とても強い材料なので、ケーブルに使えるのではないかという期待が生まれ、2000年ごろにはアメリカのNASAの支援を受けた研究も行われました。2012年には、日本の建設会社である大林組が、カーボンナノチューブを使って2050年の実現をめざす構想を発表しました。
科学的にはどうなのか
物理の面では、結論はほぼ出ています。軌道の力学、重力と自転の釣り合い、ケーブルを根元で太くする設計はよく理解されていて、軌道エレベーターを禁じる自然法則はありません。まだ答えが出ていないのは、実際に作れるかどうかです。
材料の問題。3万5千kmを超えるケーブルは、自分の重さを自分で支えなければならず、高い場所ほど負担が大きくなります。鋼鉄ではまったく足りず、重さあたりの強さが何倍も高い素材が必要です。いちばん話題になる候補がカーボンナノチューブで、1本ずつなら実験室で非常に高い強さが測られています。しかし、これまでに作られた長い繊維は、1本のチューブよりずっと弱く、必要な長さにも遠く及びません。グラフェンなど、ほかの素材も研究されています。そのサイズで作れる素材ができるまでは、設計図の上の話にとどまります。
危険な点。ケーブルの下のほうは、天気、雷、風にさらされます。高い空にある酸素原子が、素材をむしばむこともあります。さらに上では、放射線の帯を通り、人工衛星や宇宙ごみが行き交う混み合った領域を横切ります。長いケーブルはごみのよい標的で、ケスラーシンドロームとも深く関わる問題です。昇降機が動くことでケーブルが揺れるため、その揺れを抑える工夫も必要です。
小さな一歩。月の重力は地球の約6分の1なので、月面の軌道エレベーターなら、今ある強い繊維でも作れるかもしれないと研究されています。ただし、まだ誰も作っていません。もっと小さな規模では、静岡大学のチームが、2018年に国際宇宙ステーションから放出した2つの小さな衛星をテザーでつなぎ、その間を小型の昇降機が動く実験を行いました。軌道上で昇降の基本が動くことは示されましたが、実物の軌道エレベーターまでは長い道のりです。
実現の時期については、今世紀の半ばごろという見方から、永遠に無理という見方までさまざまです。公平にまとめると、これは不可能な話ではなく、工学上の大きな挑戦であり、材料のブレークスルーしだいだ、ということになります。
SF作品での登場例
代表作は、クラークの『楽園の泉』（1979年）です。技術者のヴァンネヴァー・モーガンが、スリランカをモデルにした架空の島の山から、軌道まで届く塔を建てようとします。小説は、この計画を、政治やリスクも含めた本格的な土木の大事業として描いています。
キム・スタンリー・ロビンスンの火星三部作は、『レッド・マーズ』（Red Mars、1992年）から始まり、火星の軌道エレベーターが登場します。それは、惑星を誰が支配するのかをめぐる争いの一部になります。日本のSFでもよく取り上げられるテーマで、アニメ『機動戦士ガンダム00』（2007年）は、太陽光の電力を地球に送る軌道エレベーターを中心に物語が動きます。
これらの作品では、軌道エレベーターの使われ方が少しずつ違います。人間の野心を表す作品もあれば、宇宙への入り口を誰が握るのかという力関係を描く作品もあります。多くの場合、それは梯子であると同時に、奪い合う対象でもあります。
よくある誤解
- とても高い塔ではありません。高層ビルのように自分で立つのではなく、上からぶら下がり、おもりで張られています。
- 乗ってすぐに無重力にはなりません。重力は高さとともに少しずつ弱くなります。ケーブルにつかまっているものについて、自転の力が重力と釣り合うのは静止軌道の高さです。
- 切れたからといって、ケーブル全体が地上に落ちてくるわけではありません。どこで切れるかによります。上の部分は宇宙の外側へ離れていき、下の部分は落ちて、大部分は空気中で燃えます。それでも大きな事故なので、設計者はごみとの衝突を心配します。
- 空想だけの話ではありません。NASAが支援した研究機関や、大林組のような企業が、まじめに検討しています。ただし、すぐ作れる段階でもありません。
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ケスラーシンドロームでは、軌道エレベーターも向き合うことになる宇宙ごみの問題を紹介しています。テラフォーミングでは、宇宙へ行くのが安くなった先に、ほかの星で何ができるかを考えます。
