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2008年08月の記事

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2008年8月26日(火) 17:56

レーザー効率

 非接触でエネルギーを送るため、レーザーが検討されている。だが、うちのブログの読者なら「はぁ?」とすぐ問題に気付くだろう。
 問題とは、レーザーの発振効率だ。

 例えば、宇宙太陽光発電衛星。これも、遠未来の理想宇宙エレベーターとは最高に相性が良い。
 静止軌道に発電衛星を展開し、発生した電力は宇宙エレベーターの超伝導電線で地球に送ればいいのである。もちろん電力の一部は宇宙エレベーター自身で使用する。システムとして完璧もいいところだ。500年後の人類が羨ましい。
 理想宇宙エレベーターを前提としない場合、発電衛星もやはりエネルギーを非接触で送らねばならない。レーザーも考えられているがマイクロウェーブが有力だ。だが、事情はまるで異なる。
 発電衛星の場合、受信部は地上に設置される。十分な大きさが取れるので、狙いが少々不正確でも構わないしある程度拡散しても構わない。ところが、宇宙エレベーターではエレベーターにローラーでぴったりと抱きついている輸送機関が受信部となる。重量の問題から受信部は最小限にせねばならないし、少しでも狙いが逸れればCNTリボンにダメージを与えるかもしれない。
 数万キロ先にそんな微調整しつつエネルギーを送るならレーザーしか選択の余地がない。

 ところが、現在のレーザーは発振効率が非常に悪い。駆動のために投入したエネルギーのごく一部しかレーザーとして放出出来ない。更に、受信側でもレーザーの光エネルギーのどれだけの割合を利用出来るのか?
 宇宙エレベーターはロケットに対して圧倒的な燃費の良さがメリットである。ところが、レーザーによる非接触送信となるとレーザー発生の非効率さや受信部の変換効率がモロに燃費を跳ね上げる。一気に優位性が減るし下手なレーザー使ったりしたらロケットより燃費が悪くなってもおかしくない。
 宇宙エレベーターの技術的ネックは実はCNT製造技術だけではない。レーザー技術もまた重大な鍵を握っているのである。

 建設コスト・初期投資。それを減らそうとすれば燃費が悪化する。宇宙エレベーターのジレンマである。
 残念ながら、生きているうちに宇宙旅行は出来そうにない。せめてリニアモーターカーには乗れるようJR東海を応援しよう。

written by higashino [科学コラム] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2008年8月25日(月) 17:15

リニアモーター

 伝統的な宇宙エレベーターの設計では、エレベーターの上下移動にはリニアモーターを使用する話が多い。というのも、エネルギー効率が最高に良くなるからである。
 非接触だから摩擦ロスがない。これは同時に、ケーブルが摩耗することもないってことだ。
 宇宙は極低温だから、超伝導電線を使って動作エネルギーを送れる。これまたロスがない。
 更に、リニアモーターはモーターの一種であり、もちろん回生が可能。下りのリニアが回生ブレーキを使い、回収した電力をそのまま上りのリニアで使う。これにより、ただでさえロケットの何十倍も良好な燃費が、更に桁外れに良くなる。
 宇宙に出た後はスピード制限も無い。リニア自体いくらでも速度を出せるので、空気抵抗がなくなれば短時間で静止軌道まで突っ走れる。
 とまあいいことずくめ理想ずくめであり、確かに固定費は300年後とかの人類でなければ支払えないだろうが変動費が馬鹿みたいに安くなる。これで100年200年無事に運用が行われれば、それこそ新幹線に乗るような気軽さで宇宙旅行出来るだろう。だが、恐らくそれが実現するのは500年ぐらい先だろうな。

 こんな理想の宇宙エレベーターは建設コストが大き過ぎて、今の人類には建てられない。だからこそ遙か未来の話題でしかなかったのだ。
 なぜリニアモーター方式はコストが掛かるのか?それは、重量が大きいからである。超伝導電線にしろリニアモーターのコイルにしろ、重量があり過ぎる。宇宙エレベーターは引っ張り強度との戦いであり、強度に貢献しないバラストはCNTワイヤーに比べて十分に少量でなければならない。重量物を必要とするリニア方式では、とんでもなく大量すなわち太いCNTワイヤーを用意せねばならなくなり、建設コストが何桁もアップしてしまう。
 燃費の良い宇宙エレベーターは、初期投資が膨らんでしまうのだ。そこで、現案では初期投資を減らすために性能を妥協している。CNTケーブルをワイヤーではなくリボンのように製造し、ローラーで挟む。そのローラーを回してペイロードが上昇加工するわけだ。これなら寄生重量が無いため、CNTリボンの必要量を最小化出来る。しかし代償として摩擦ロスが発生するし、CNTリボンも摩耗する。
 また、ローラーの駆動に必要なエネルギーも地上から非接触で送る。電線もまた寄生重量だし、高温超伝導ワイヤーは未だに実用化されていない。もちろん燃料電池などを搭載してローラーを動かすのは論外だ。酸素まで持って行かねばならないし燃料を運び上げるために燃料を使うという、ロケットの燃費の悪さを踏襲してしまう。何のための宇宙エレベーターなのか分からなくなる。

 ここに至ってまた大問題が浮上する。非接触でエネルギーを送るってどうやるんだ?

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2008年8月24日(日) 18:52

宇宙エレベーター

 非常に夢のある本である。宇宙エレベーター。  最近ではかなりメジャーな概念になって来たが、実現は遙か未来でSFの世界だけの話。そう思われていたのではないだろうか?  それが実は短期間に実現可能になっているという話。下手すれば中央リニア新幹線より先に実現するかも!ってほど。  必要なリソースを最小化し、出来るだけ既存の技術を使う。実現の難易度を低くするための設計を行えば、総工費1兆円程度で可能。それによって宇宙に出て行くコストが20分の1になる。それこそビルゲイツでも決断すれば、今すぐ建設が始まってもおかしくない。  しかし今すぐ建設を開始するのは無理。技術問題がたった1つだけ未解決なのだ。これはもう宇宙エレベーターに少しでも興味があれば分かるだろうが、必要な引っ張り強度を持ったワイヤーが無いのだ。  実は必要な引っ張り強度を持つ物質は存在する。それがCNTすなわちカーボンナノチューブ。欠けているのは、製造技術だけ。長大で欠陥の小さなCNTワイヤーの量産技術さえ完成すれば、即座に建設可能となる。実はそこまで人類の科学は進歩を遂げていた、という話。  だが、低コストの製造技術というのは得てして最大の障害になる。  例えば、反物質。これもかなり知られているが、反物質は実験室レベルでは製造出来る。単に低コストで量産する製造技術が存在しないだけなのだ。果たしてそんな製造技術が数十年で登場するものだろうか?  CNTの場合は反物質と異なり、数年のうちに可能になるだろうと本では述べられている。だが、これこそ根拠レスの希望的観測だ。100年だっても量産出来ていないかもしれない。  少なくとも、低コストで量産する製造技術の見込みが立ってからでなければ、宇宙エレベーターの実現性について何も言うことは出来ないだろう。このまま100年塩浸けになっても全く意外ではない。研究室で発見された素晴らしい素材が、どう頑張っても量産出来ない。それは極めてありがちなことだ。  とにかく、どんなにコストが掛かってもいいから長大なCNTを製造したい。そう考えてさえも技術は無い。これが非常な問題で、現物を手に入れて試験しなければ本当にCNTが使い物になるか分からない。先行して試験を行い、製造コストが下がるのを待つという戦術も取れない。完全にクリティカルパスになっちまっている。 本の中でも触れられている。例えば耐摩耗性とか環境耐性。  更に、全体の規模を小さくし建設コストを押さえようとすると、宇宙エレベーターの性能が落ちる。これは明日のネタね。

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2008年8月23日(土) 08:53

意味無さそう

 ピンホールの位置はパーツの隙間4カ所が考えられる。微妙な間合いを煮詰める前に、大雑把に傾向を調べてみる。
 まずは、薄ディスク結晶の近く。ビームウエストは細いが薄ディスク結晶の利用率も悪いので意味無し。縦のスケールをアップして、見易くしてみた。

 続いて、BiBOの両側。これも駄目だ。

 最後にOCの手前。結局は全滅であり、ピンホールを入れる意味はなさそうとの結論である。もちろんビーム形状を整えたいなら別だが、とにかく今は共振第一だし共振した後はパワー第一だ。

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2008年8月22日(金) 17:31

 キャビティーの基本構造および調整のキモについて、かなり情報が集まった。だが、まだ重要な要素がある。それは、ピンホールだ。
 以前 LaserGrow のグリーンレーザーモジュールを買ったとき、内部にピンホールが挿入されていたのに失望した。ビーム品質の悪さを、ピンホールで誤魔化していると思ったからだ。
 しかしレーザーの原理を考えると、ピンホールは王道に有効な手法ではなかろうか?

 封じ込められた蛍光だけが選択的に増幅されるのが、レーザーの光共振器である。ピンホールを使うことにより、より狭い範囲の蛍光だけが選択されるようになれば、ビーム品質の向上が期待できる。もちろん増幅率は低下するだろうから、共振器の効率は高くなければならない。しかし、ピンホールは後からでも追加出来る。
 レーザー発振を実現した後で、おもむろに挿入して試すことも出来るのだ。
 ただしそのためには、設計段階からピンホールを挿入出来るような構造にしておかねばならない。配慮せずに現物を組み立ててしまうと、後から改造するのはほとんど無理である。加工にはストレスや削り屑が付き物であり、繊細なレーザー装置には負担が大きい。

 つまり、有効なピンホール挿入位置がもし存在するなら、今の内にそれを確認しておく必要がある。条件としては、
1)BiBO内部のビームウエストが細くなる。
2)薄ディスク結晶全面の蛍光が共振に参加出来る。

 の2つは最低満たさねばならない。調整の容易さは余り重要ではない。なぜなら、共振を実現させた後でレーザー発振の様子を見ながらピンホールを挿入するという想定だからである。
 1)はSHG変換の効率をアップさせる。これが実現出来ないのであればピンホールを追加する意味が無い。同じく2)も重要だ。蛍光面を小さくすればビームウエストは自然に細くなる。蛍光面として全面が参加したままビームウエストが細くなってこそ意味がある。

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