スターウォーズのクラウドシティを支えている物理学

以下は、パトリック・ジョンソン著『スター・ウォーズの物理学: はるか遠くの銀河の背後にある科学』からの抜粋です。

「ランドは誰かを騙し取った」—ハン・ソロ（エピソード5）

エピソード5、ホスからの脱出直後

場所ベスピン、クラウドシティ

キャラクターランド・カルリジアン、ハン・ソロ、ルーク・スカイウォーカー、レイア・オーガナ姫、C-3PO、R2-D2、チューバッカ、ダース・ベイダー、ロボット、ボバ・フェット

物理学の概念空気抵抗、軌道

簡単な紹介/背景

SF で描かれる未来の都市は、宇宙に浮かんでいることが多い (宇宙家族ジェットソンを思い出してください)。これは、地球上の生命がいつかは生存できなくなるかもしれないという懸念と関係があるのか​​もしれません。近い将来、私たちは気候変動を心配しなければなりません。長期的には、移住しなければならないさまざまな理由があります。他の惑星は地球ほど住みにくい傾向があるので、空に浮かぶ家のような理想的で完全に制御可能な環境を想像するのは理にかなっています。それは可能でしょうか?

バックストーリー

スターウォーズには、SF の浮遊都市の完璧な例であるクラウド シティがあります。クラウド シティには、型破りな背景があります。惑星ベスピンの地表に浮かぶこの都市は、避難民を収容するためではなく、ティバナ ガスを採取するために特別に設計されました。ティバナ ガスは、ブラスターやリパルサーリフトなど、スターウォーズ ギャラクシーのあらゆるテクノロジーで使用されています。数少ないガスの供給源の 1 つであるクラウド シティは、採掘事業で経済的に成功しています。巨大ガス惑星からガスを採取するのは理にかなっていますか? 惑星全体を採取するとどうなるでしょうか?

スターウォーズの物理学

惑星の上に都市を浮かべるのは、かなり困難で費用もかかるでしょう。おそらく、これを実現する最も簡単な方法は、都市を惑星の周りの非常に低い軌道上に存在させることでしょう。そのような軌道を維持するには、都市が惑星の周りを移動するのと同じ速さで都市が遠ざかるほど、都市が水平方向に速く移動する必要があります。都市がその速度で移動し続けることができれば、軌道を維持し、惑星に墜落することはありません。物体が軌道上にあるとき、実際にはずっと落下しており、惑星の表面を常に避けるのに十分な速さで横に動いているだけです。

なぜこれが最も簡単な解決策なのでしょうか。代わりに、地表上の 1 か所に浮かぶことに伴う困難について考えてみましょう。議論のために、クラウド シティは、直径約 20 キロメートル、上から下まで 5 キロメートルの楕円体 (引き伸ばされた球体) であると仮定します (これにより、クラウド シティの高度を維持するために必要なさまざまな力がわかります)。また、クラウド シティがある大気の層の空気の密度は、地球の表面付近とほぼ同じであると仮定します。最後に、惑星の直径は 73,322 マイルであると仮定します (これは、ベスピンの直径としてよく引用されます)。

これらの仮定に基づくと、この都市は時速約 54,000 マイルで地球を周回する必要がある。地球を周回する衛星は通常、この速度の約 3 分の 1 で移動するため、これは高速ではあるが、この世のものとは思えないほどの高速ではない。クラウド シティほどの大きさの物体が空中をこの速度で移動するときの抗力は約 6.74 × 1018 ポンド、つまり地球と月の間の抗力の約 7 分の 1 になる。

これを、クラウド シティを支えるのに必要な力と比較してみましょう。都市全体が鋼鉄でできていると仮定すると (必要な力の非常に大まかな見積もりを得るため)、必要な力は 3.82 × 1025 ポンド、つまり地球と太陽の間の力の約 1 万倍になります。

問題を単純化しすぎていますが、それでも抗力は揚力の 1000 万分の 1 です。これは明らかに、静止/浮遊する都市よりも軌道上の都市を持つ方が簡単であることを示しています。もちろん、軌道上の都市には、訪れるたびにその場所を見つけなければならないなど、独自の問題があります。

都市を建設して軌道に乗せるという困難を無視すれば、ガスの採取は最終的に問題になるのではないでしょうか。結局のところ、時間が経つにつれて、軌道に乗せる惑星はどんどん少なくなります。簡単に答えると、はい、惑星全体を採掘することができます。

ガスが採掘されるにつれて、ベスピンの質量と半径は徐々に減少し、惑星の密度をほぼ維持するようになります。惑星のサイズが縮小するにつれて、重力の引力はますます弱くなります。これが起こると、都市を支える力と軌道を維持する力の両方が減少します。最終的には、都市の質量が惑星の質量よりも大きくなり、惑星は都市の周りを回り、今度は都市が最も近い恒星の周りを回り始めます。

現実の物理学

クラウド シティのアイデアは、おそらく少し突飛に聞こえるでしょう。そして、それは当然です。この本を書いている時点では、地球の周りには浮遊都市はありませんが、国際宇宙ステーション (ISS) には、数人の人間を収容するために設計された軌道上の居住施設があります。宇宙ステーションと同様に、クラウド シティが本当に軌道上にあるとしたら、すべてのものが同じように軌道上にある必要があるため、市内のすべてのものが無重力に見えるでしょう。ただし、クラウド シティとは異なり、ISS には人工重力がないため、ISS 上のすべての人々と物体が無重力に見えます。これは、ISS 内のすべてのものがステーション自体と同じ軌道上にあるためです。クラウド シティの設定の他の側面は、それほど空想的ではありません。

巨大ガス惑星の上に浮遊式鉱山を建設してそのガスを採取するというアイデアは、実はNASAによってすでに検討されている。NASAが2015年4月に発表した報告書で、ブライアン・パラシェフスキーは太陽系の外惑星からガスを採取するために使用できる方法と乗り物について説明している。彼は、海王星と天王星の大気からヘリウムガスを採取し、その後惑星の軌道上にある母船に戻ってペイロードを届ける無人航空機の使用について詳しく述べている。おそらくこの報告書で最も興味深いのは、ヘリウムと一緒に水素も採取する航空機の提案であり、その水素を燃焼させてロケットを動力源とし、貯蔵車両に戻すことが目的である。航空機は実際に作業中に燃料を補給することができる。

太陽系の外惑星の探査は、そのガスを採取する価値があるかどうかを判断するために行われてきました。今日まで、外惑星の大気や組成についてはあまりわかっていませんが、1989 年に打ち上げられたガリレオ探査機を使用して、興味深い測定をいくつか行いました。ガリレオは木星を周回中に、木星の表面と大気の写真を多数撮影し、測定を行いました。

ガリレオ衛星による最も劇的な観測は、1994 年にシューメーカー・レヴィ第 9 彗星が木星に衝突したことです。この彗星の破片は直径約 1.24 マイルで、時速約 134,000 マイルの速度で木星に衝突しました。この衝突は、太陽系で観測された中で最も壊滅的な出来事です。破片 G が表面に衝突した際、地球の核兵器の約 600 倍のエネルギーが一瞬で放出されました。木星の表面に直径約 7,456 マイルのクレーターが残り、現在でも見ることができます。

パトリック・ジョンソン著『スター・ウォーズの物理学: 遥か遠くの銀河の背後にある科学』より抜粋。著作権 © 2017 Adams Media、Simon and Schuster の一部門。出版社の許可を得て使用。無断転載禁止。