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宇宙エレベーター

2次元で世界最高強度の物質「グラフェン」を、3次元に転換成功!宇宙エレベーターなど実用化へ前進か

 グラフェンとは何か?

 グラフェン (graphene) とは、1原子の厚さのsp2結合炭素原子のシート。炭素原子とその結合からできた蜂の巣のような六角形格子構造(ハニカム状)をとっている。

 グラフェンが3次元的に積層した結晶がグラファイト(黒鉛)で、鉛筆の芯にも使われる身近な物質だ。層間の結合は弱いファン・デル・ワールス力なので、グラファイトは劈開性に富み、鉛筆で線が描けるのはそのため。

 グラフェンの炭素間結合距離は約0.142 nm。炭素同素体(グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレンなど)の基本的な構造である。ダイヤモンド以上に炭素同士の結合が強く、平面内ではダイヤモンドより強い物質と考えられている。物理的にもとても強く、世界で最も引っ張りに強い。熱伝導も世界で最も良いとされ、電気の伝導度もトップクラスに良い物質である。


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世界初の快挙!夢の分子“カーボンナノベルト”(カーボンナノチューブの基本構造)の合成に成功

 夢の実現にまた一歩前進

 カーボンナノチューブ(Carbon nanotube、略称CNT)というと夢の素材だ。炭素によって作られる六員環ネットワーク(グラフェンシート)が単層あるいは多層の同軸管状になった物質。細くなっても非常に丈夫で、伝導率も高いことからさまざまな分野で応用が期待されている。

 例えばコンピュータは小型化ならびに高性能化が求められ、コンピュータ内部にあるLSIの微細化が進んでいる。その微細化を進める上で大事なのが配線材料。現在使用している銅配線を多層カーボンナノチューブ配線に置き換えることで、コンピュータをはじめとするデジタル製品を支えるシステムLSIを進歩させることができる。

 また、構造によってバンド構造が変化し電気伝導率やバンドギャップなどが変わるため、シリコン以後の半導体の素材としても期待されている。半導体としてのCNTをトランジスタのチャンネルとして用いることで、高速スイッチング素子として用いられることが期待される。CNTはP型半導体的な極性を示す。


CNB

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天空の城「ラピュタ」が現実に?小惑星の力学的エネルギーで空中に浮かぶビル構想、地震や津波からも解放!

 現実味を帯びてきた「宇宙エレベーター」

 「宇宙エレベーター」が現実味を帯びてきた。それは地上と宇宙をエレベーターでつなぐ、これまでにない輸送機関。地上から天へと伸びる塔のようなものを想像してみよう。かつては突飛な夢物語として受け止められていたが、理論的には十分実現可能なものであり、近年の技術発展によって、手の届く域に到達しつつある。

 宇宙エレベーターの仕組みは、次のとおり。地球を周る人工衛星は、地球の重力で下(内側)へ引っ張られている力と、遠心力で上(外側)に飛び出そうとする力が一致して釣り合っているため、高度を維持して周回し続けている。このうち赤道上の高度約3万6000㎞を周る人工衛星は、周期が地球の自転と同じで、地上に対して天の一点に静止しているように位置するため、「静止衛星」と呼ばれている。

 この静止衛星から、地上へ向けてケーブルを垂らす。ケーブルを吊り下げた分、衛星の地球に向いている側、つまり下の方がやや重くなるので、徐々に地球の重力に引かれて落下してしまう。そこで、反対側にもケーブルを伸ばしてバランスをとると、衛星は静止軌道の高度を維持して回り続けられる。

 このケーブルに昇降機を取り付け、人や物資を輸送できるようにしたものが宇宙エレベーターであり、原理はとてもシンプルなものである。


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現実味を帯びてきた「宇宙エレベーター」CNTケーブル、つるべ井戸方式で問題クリアー “開港”は2050年頃

 宇宙エレベーターが実現可能に

 「宇宙エレベーター」または「軌道エレベーター」をご存じだろうか?それは地上と宇宙をエレベーターでつなぐ、これまでにない輸送機関。地上から天へと伸びる塔のようなものを想像してみよう。かつては突飛な夢物語として受け止められていたが、理論的には十分実現可能なものであり、近年の技術発展によって、手の届く域に到達しつつある。

 現在の宇宙開発の主役であるロケットには墜落や爆発の危険が伴うが、宇宙エレベーターにはその危険はなく、大気汚染の心配もない。実現すれば、ロケットに依存していた宇宙開発は大きく飛躍する。訓練を受けた宇宙飛行士でない私たちでも、おそらくは高齢者や体が不自由な人も、宇宙を訪れる機会が得られる。

 宇宙エレベーターの仕組みは、次のとおり。地球を周る人工衛星は、地球の重力で下(内側)へ引っ張られている力と、遠心力で上(外側)に飛び出そうとする力が一致して釣り合っているため、高度を維持して周回し続けている。このうち赤道上の高度約3万6000㎞を周る人工衛星は、周期が地球の自転と同じで、地上に対して天の一点に静止しているように位置するため、「静止衛星」と呼ばれている。


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ドバイに5つの「世界一」巨大建造物、カナダで「世界一」宇宙に近い巨大建造物構想!

 ドバイの巨大建築物

 巨大建造物というと何を思い浮かべるだろう?ピラミッド、万里の長城、エッフェル塔、エンパイア・ステートビル・・・最近では東京スカイツリー、明石海峡大橋などもある。

 現在世界で最も高いビル、ドバイの「ブルジュ・ハリファ」は、最頂部で828.9mもある。ブルジュ・ハリファ建設の決定には、石油依存の単独経済体制からサービスや観光を含む多様化を目指す政府の決定があった。政府関係者によれば、都市が国際的な認知を得て投資を呼び込むにはブルジュ・ハリファのような計画が必要だと考えられていた。

 明確な裏づけは無いが、計画は当初から何度も高さを増す方向に見直しがかけられたという。元々は、オーストラリアのメルボルン・ドックランドに計画されたグロロ・タワー560 m (1,837 ft)に匹敵する高さが予定されたが、このビルの設計者、シカゴのスキッドモア・オーウィングズ・アンド・メリル (SOM)  によって計画の再検討が行われた。2006年までこの計画に加わっていたSOMの建築デザイナーであるマーシャル・ストラバラは、2008年にブルジュ・ハリファは808mの高さに設計され直されたと述べた。


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