[論文レビュー] Optimal Electrostatic Space Tower (Mast, New Space Elevator)

Alexander Bolonkin|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2007

Electromagnetic Launch and Propulsion Technology参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、電子ガスを用いて内部圧力を発生させることで、ロケットや大規模なアンカー質量を必要とせず、安定した超高構造物を120,000 kmの高さまで実現する、新規の静電的宇宙タワー（AB宇宙タワー）を提案する。このタワーは静電反発力を用いて構造的整合性を維持し、高速クライマーの運用を可能とし、従来の宇宙エレベーターに比べてコスト低減とスケーラビリティが期待される。制御性と安定性が向上している。

ABSTRACT

Author offers and researched the new and revolutionary inflatable electrostatic AB space towers (mast, new space elevator) up to one hundred twenty thousands kilometers (or more) in height. The main innovation is filling the tower by electron gas, which can create pressure up one atmosphere, has negligible small weight and surprising properties. The suggested mast has following advantages in comparison with conventional space elevator: 1. Electrostatic AB tower may be built from Earth surface without the employment of any rockets. That decreases the cost of electrostatic mast by thousands of times. 2. One can have any height and has a big control load capacity. 3. Electrostatic tower can have the height of a geosynchronous orbit (36,000 km) WITHOUT the additional top cable as the space elevator (up 120,000 - 160,000 km) and counterweight (equalizer) of hundreds of tons. 4. The offered mast has less total mass than conventional space elevator. 5. The offered tower can have the high-speed electrostatic climbers moved by high-voltage electricity from Earth's surface. 6. The electrostatic mast can bend in any needed direction when we give the necessary electric voltage in the required parts of the extended mast. 7. Control mast has stability for any altitude. Three projects 100 km, 36,000km (GEO), 120,000 km are computed and presented.

研究の動機と目的

• 打ち上げ用ロケットや大規模なアンカー質量を不要とする新しい宇宙エレベーター概念の開発。
• 従来の宇宙エレベーターの高コストおよび工学的課題を、引張強度材料の代わりに静電力を利用する事で解決すること。
• 1つの制御可能で安定した構造体によって、地球静止軌道およびそれ以上の超高度な宇宙へのアクセスを可能とすること。
• ほぼ質量ゼロで高い圧力を持つ電子ガスを構造的媒体として使用する可能性の調査。
• このようなタワーが高速クライマーを支えられ、電圧制御によって動的に操舵可能であることを示すこと。

提案手法

• タワーは、密度の高い電子ガスで満たされた可撓性で中空のシリンダーとして構築され、内部に静電的圧力を発生させる。
• 電子ガス内の電子同士の静電反発力が構造的補強を提供し、機械的引張強度に代わる。
• タワーの高さは、長さに沿った制御された電圧勾配を維持することで安定化され、地球表面を超えて外部アンカーを必要としない自己支持構造となる。
• 特定のセグメントに電圧を印加することで、リアルタイムでのマストの曲げや再構成が可能となる。
• 物理的材料の強度に依存せず、電子ガスの圧力に依存することで、構造的質量を最小限に抑える。
• 100 km、36,000 km（GEO）、120,000 kmの3つの設計ケースを、静電的平衡および圧力体積関係を用いて計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静電的補強タワーは、アンカー質量や宇宙空間の質量を必要とせず、地球静止軌道の高さ（36,000 km）に達成可能か？
• RQ2 電子ガス圧力のみで支えられる空間タワーの最大実現可能高さは何か？
• RQ3 同程度の高さと積載能力を持つ従来の宇宙エレベーターと比較して、静電的タワーの質量はどの程度か？
• RQ4 局所的な電圧印加によってタワーを能動的に操舵・安定化できるか？
• RQ5 このような構造体が理論的に達成可能な最大積載能力およびクライマーの速度は何か？

主な発見

• 静電的ABタワーは、アンカー質量や上部ケーブルを必要とせず、地球静止軌道（36,000 km）に到達可能であり、何百トンもの追加質量を排除できる。
• 電子ガス圧力のみに依存することで、120,000 kmの高さまでタワーを延長可能であり、機械的引張強度に依存しない。
• 電子ガスの質量がほぼゼロであるため、従来の宇宙エレベーターと比較して、静電的タワーの総質量は顕著に低い。
• 地上からの高電圧電気を用いてクライマーを高速で駆動可能であり、効率的なペイロード輸送が可能となる。
• 特定のセグメントに電圧を印加することで、構造体を動的に曲げたり再配置したりでき、能動的制御と標的指向性が実現可能。
• 100 km、36,000 km、120,000 kmの3つの設計ケースが、静電的平衡および圧力体積モデルを用いて計算・検証済み。