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2022年3月 2日 (水)

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天体が織りなす現象を救う

 「天と地」の地とは我らが母なる大地、地球でことです。そして、天とは果てしない大空のことです。古代ギリシアの自然哲学者たちは天体の運動を考えれば天と地がどのように成り立っているのかがわかると考えました。例えばアリストテレスは宇宙の中心にある地球の周りを全天体が公転しているという説を唱えました。

 古代ギリシャの自然哲学では、自然現象の真理を追及し、その仕組みを解き明かすことを「現象を救う」と言い表しました。もちろん天体が織り成す自然現象もその対象となりました。天体の運動について現象を救う取り組みを初めて試みようとしたのはプラトンでした。

 古代より太陽や月を始めとする天体の運動には何らかの規則性があると考えられていました。狩猟民族にしろ、農耕民族にしろ、古代の人々が自然を利用しながら賢く生きていくためには、1日の時間の流れ、季節の移り変わりとその周期、位置や方角などを正確に知る必要がありました。そのため人類は太古から天体の運動のなかに規則性を見い出そうとしていたのです。

 しかしながら、真理の探究が遥か昔から行われていたわけではありません。古代ギリシャの自然哲学以前においては、自然現象の解釈は神学的・宗教的なものが中心であり、とても真理の探究とは言えませんでした。それらをできる限り排除して自然科学的な観点から真理を探究しようとしたのが最初の哲学者タレスであり、その後のソクラテスやプラトンでした。

プラトンが考えた天体の運動

 プラトンは天体の運動について、例えば、恒星はどのように動いているかを考えました。星座を作る恒星は、お互いの位置を変えることなく東から西へと移動します。古代の人たちが恒星の配置を星座と見立てることができたのは恒星が規則的な動きをするからです。恒星は24時間経過するとほぼ同じ位置に戻ってきます。しかし、恒星の位置は毎日少しずつずれていきます。そのため、季節によって恒星の見える位置が変わったり、恒星そのものが消えたり現れたりしますが、ほぼ一年経過すると恒星は再び同じ位置に戻ってきます。こうした現象からプラトンは天体の運動は円形で一様で規則的であると考えました。そして、天体の運動を説明するには、どのような円運動が必要になるのかを問いました。


プラトン

 プラトンが言及した円形で一様な運動とは、物体が一定の速さで回転する運動、つまり、等速円運動のことです。プラトンは等速円運動の組み合わせで、すべての天体の運動が説明できると考えました。

 しかし、プラトンは天体の運動について詳細に調べたわけではなく疑問を提示しただけでした。実際に真理の探究を進めて、天体の運動の仕組みを明らかにしたのは、プラトンの哲学を学んだ数学者のエウドクソスでした(続く)。

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2022年2月 4日 (金)

緑色の星は存在するのか?

恒星の色は表面温度で決まる

 宇宙にはたくさんの星が存在しています。それらの星を観察すると赤い星、黄色い星、青い星など様々な色をした星が存在していることがわかります。ところが緑色の星はいくら探しても見つけることはできません。緑色の星は存在しないのでしょうか。

 恒星の色は星からやってくる光の波長で決まります。星はさまざまな波長の光を出していますが、星が一番たくさん出す波長の光はその表面温度で決まります。つまり星の色は星の表面温度で決まります。大雑把に説明すると3千度の星は赤色に見え、6千度の星は黄色に見え、1万度の星は温度は青色に見えます。さらに温度が高い星は青白い色に見えます。それでは緑の星が見つからないということは緑色に相当する波長の光をたくさん出す星が存在しないということでしょうか。

緑色の星は存在するのか

 実は私たちにとって身近な星である太陽は緑色の光をたくさん出しています。しかし、太陽は緑色には見えませんし、太陽の表面温度は6千度ですから黄色に見える星のはずです。この矛盾はどうして生じるのでしょうか。

 次の図は太陽光のスペクトルです。可視光線の領域を見てみると500 nm前後のエネルギーが高いことがわかります。この波長範囲の光は緑色(青緑色)に見えます。また他の波長の光も含まれていることがわかります。


太陽光のスペクトル

 実は表面温度が6千度の星は緑色の光を一番たくさん出しています。ところがこの表面温度の星から出てくる光には緑色以外の色の光も適度な強さで含まれています。そのため全体として黄色に見えてしまうのです。ですからヒトの色覚で見る星の色という観点からは緑色の星は存在しないということになります。

緑色に見える星がある

 天体観察をしている人の中には緑色の星を見た経験がある人もいるかもしれません。また天文に関する書籍にも緑色の星が掲載されていることがあります。この緑色の星の多くは連星です。連星は通常明るい主星と暗い伴星からなりますが主星が赤色で伴星が白っぽい色のときに伴星が緑色に見えます。白い星が緑色に見えるのは明るい主星の赤色の補色の緑色が伴星の表面に残像で現れるためと考えられています。つまり錯覚で白っぽい星が緑色に見えているのです。

 連星でなく単独の星でも緑色に見える場合があります。これは肉眼ではなく望遠鏡で星を観察している場合が多いようです。特に暗い星を見ているときやピントがずれたり収差が出たりしているときに星が緑色に見えます。これはヒトの色覚に関係していると考えられています。眼の網膜には色は見分けられないが暗いところで光を感じることができる桿体細胞と可視光線の短波長領域の光、中波長領域の光、長波長領域の色光を感じる3つの錐体細胞があります。この3つの錐体細胞のうち最も感度が高いのは中波長領域の光を感じる錐体細胞でヒトが最も見やすい色が緑色と言われるのはこのためです。

 錐体細胞は光が暗くなると反応が鈍くなるため私たちは暗いところでは色を見分けにくくなります。色を見分けにくい暗い星を見たときに感度の高い中波長領域の錐体細胞が反応して緑色に見えると考えられています。また、望遠鏡でピントがずれたり収差が出ているときは星の像は点にならず広がります。広がったところの像は暗くなるので色が見分けにくくなり緑色に見えると考えられています。

 緑の光を一番脱している星は緑色に見えず、緑に見える星は目の錯覚ですから緑の星は存在しない結論づけておきましょう。

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2021年9月14日 (火)

宇宙太陽光発電の仕組み

宇宙太陽光発電とは

  ソーラーパネルは太陽光を利用するため、地上では昼間しか発電することができません。また、曇りの日や雨の日は発電効率が低下します。もし、ソーラーパネルを宇宙空間に設置できたら、日照時間や天候に左右されることなく安定した発電をおこなうことが可能となります。


宇宙太陽光発電

 実はこのアイデアは今から約50年前に考えられ、現在も研究開発が続けられている技術です。宇宙空間で太陽光発電をおこない、電気エネル
ギーを地上に送電して利用する発電システムを宇宙太陽光発電SSPS, Space Solar Power System)といいます。このアイデアは1968 年に米国の航空宇宙技術者のピーター・エドワード・グレーザー氏が提唱した宇宙太陽発電衛星SPS, Space Power Satellite)がもとになっています。

 1977年に米国のNASA(米国航空宇宙局)とエネルギー省はソーラーパネルを備えた人工衛星による発電システムの構想を打ち出しました。この構想は技術的に可能とされましたが、財政的な問題によって研究は打ち切りとなりました。

 この構想の実現に向けて継続的に研究に着手したのは日本でした。日本の宇宙開発事業団(現JAXA)が宇宙太陽光発電の研究を開始したのは1990年代の初めです。1990年代の終わりに、米国も宇宙太陽光発電の研究開発を再開しましたが、米国のエネルギー政策が原子力に傾倒していたこともあり、現在では継続的に研究開発を進めてきた日本の技術が世界でトップレベルとなりました。

宇宙太陽光発電の仕組み

 JAXAの宇宙太陽光発電システムは、高度約36,000 kmの静止軌道など(注)に設置した宇宙プラントと、地球上に設置した地上・海洋プラント(以降、地上プラントとする)で構成されます。

(注)他に太陽同期軌道や準天頂軌道に設置することも考えられている。静止軌道は1日24時間の常時発電が可能だが、伝送距離が長くなるため送受信の設備が大がかりになるという問題がある。

 宇宙プラントで集められた太陽エネルギーは電磁波に変換され、地上プラントに伝送されます。地上プラントでは、伝送されてきた電磁波のエネルギーを電気エネルギーに変換して使ったり、水素製造のエネルギーとして使ったりします。宇宙プラントから地上プラントにエネルギーを伝送する方法には、マイクロ波(電波)を使うマイクロ波SSPSM-SSPS)とレーザー光を使うレーザーSSPSL-SSPS)があります。

 マイクロ波SSPSは反射鏡とソーラーパネルを備えており、反射鏡で集めた光で発電を行います。発電で得られた電気エネルギーは雲や雨などの影響を受けにくい2.45 GHzまたは5.8 GHzのマイクロ波に変換され、地上プラントへ伝送されます。地上プラントでは受信したマイクロ波を再び電気エネルギーに戻して利用します。宇宙プラントの反射鏡と地上プラントの受電設備を直径2~3キロメートルとした場合、原子力発電所1基分に相当する約100万 kWの発電が可能となります。


宇宙太陽光発電マイクロ波SSPS

 レーザーSSPSにはソーラーパネルがありません。反射鏡で集めた太陽光を直接レーザー光に変換し、地上プラントへ伝送します。伝送に用いるレーザーは波長1064ナノメートルの近赤外線を使います。これはこの波長の光が、大気による吸収が少なく、大気で散乱されずに遠くまで届くからです。地上プラントでは伝送されてきたレーザー光を電気エネルギーに変換し、そのエネルギーで海水を電気分解して水素を製造します。また、レーザー光を海水と光触媒に当てて、海水を光分解することで水素を製造する方法も検討されています。


宇宙太陽光発電レーザーSSPS

 宇宙プラントから地上プラントに伝送されるマイクロ波やレーザー光は航空機や鳥類への影響がない強度のものが使われます。また、どちらの伝送方式も、エネルギーは地上プラントから発せられるパイロット信号を頼りに伝送されます。何らかの原因でパイロット信号が受信できなくなると、伝送が止まるようになっています。

宇宙太陽光発電の採算性は 

 宇宙太陽光発電に必要な技術的課題は現在の科学・技術で解決できると考えられています。採算性はどうなのでしょうか。

 JAXAの試算によると、宇宙太陽光発電は地上での太陽光発電に比べて5~10倍効率が良いとされています。また、他の発電方式に比べて、二酸化炭素の排出量が少なく、原子力発電のように核廃棄物を排出しません。そして、何よりも太陽光がエネルギー源なので、安定供給ができ、化石燃料のように枯渇する心配がありません。

 さて、宇宙太陽光発電の発電コストについては、地上での発電コストに匹敵する必要があります。現在、地上での発電コストは10円〜15円/ kWhです。100万kWの発電プラントの建設費用は人工衛星と地上設備を合わせて約1兆2400億円と資産されています。プラントの寿命を30年と設定したときの発電コストは8.5円/kWhになります。

 ちなみに日本のH-IIBロケットが静止軌道まで運べる機材は8トンです。1回の打ち上げコストは約150億円ですから、いかに宇宙に運ぶ機材を軽量化するかがコスト削減の重要な鍵になります。


H-IIBロケット

 現時点では、宇宙太陽光発電は将来的に採算性のとれるシステムを実現することは可能であると期待されています。現在、JAXAは2030年頃に商用化をめざして研究・開発を進めていますが、2022年度に縦幅2メートル×横幅4メートルの小型のパネルを打ち上げ実証実験を始める予定です。

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2021年8月28日 (土)

アインシュタインの光速度不変の思考実験

 相対性理論を導いたドイツの物理学者アルベルト・アインシュタインは手鏡に自分の顔を映しながら光速と同じ速さで走ったら鏡に自分の顔が映らなくなるのだろうかと考えました。


アインシュタインの思考実験
光速で移動したら鏡に自分の顔は映るか

 当時、光は空間を満たすエーテルという仮想の媒質を伝わると考えられていました。つまり、光速とは光がエーテルを伝わる速さと考えられていたのです。アインシュタインは自分も手鏡もエーテルの中を光速で進んでいるのだから鏡には自分の顔が映らなくなるだろうと考えてみましたが、このことが当時知られていた物理の法則に矛盾することに気がつきました。

 次の図のようにまっすぐな高速道路を同じ方向に時速80キロメートルで走る自動車Aと時速100キロメートルで走る自動車Bを考えてみましょう。AからBを見ると、Bは時速20キロメートルで進行方向に遠ざかって行くように見えます。逆にBからAを見ると、Aは時速20キロメートルで進行方向と逆の方向に遠ざかって行くように見えます。この見かけの速度のことを相対速度といいます。もし、AとBの速度が同じであれば、AからBBを見ても、BからAを見ても、相対速度は0で動いていないように見えます。これがガリレオの相対原理です。


ガリレオの相対原理

 ニュートンがガリレイの相対原理から導いた「慣性の法則」(運動の第1法則)によれば、私たちは一定の速度で動いているとき、どれぐらいの速さで、どの方向に動いているのかわかりません。そもそも動いているかどうかさえわからないのです。これをさきほどの自動車の例にあてはめてみると、AとBはそれぞれ一定の速さで動いているのですから、まわりの景色や相手が見えなければ自分が動いていることに気がつかないはずです。また、AとBの速さが同じであれば、お互いにある一定の距離を置いて静止しているように見えます。相手が見えていてもまわりの景色が見えなければ自分が動いていることに気がつかないはずです。

 さて、手鏡に顔を映しながら、光速と同じ速さで走ったとき、手鏡も自分も同じ速度で動いているわけですから、自分が動いていることに気がつくことはできないはずです。このとき、自分も手鏡も光もエーテルの中を光速で進むわけですから、自分の顔から出た光は鏡にたどりつくことができません。顔から出た光が鏡に届かなければ、その光が鏡で反射することもないので、鏡には顔が映らなくなります。

 鏡に顔が映らなくなるということは、自分が動いていることがわかるということです。アインシュタインは光速で走ったときにだけ、自分が動いていることがわかるというのはおかしいと考えました。そして、エーテルの存在を否定し、光にはガリレオの相対原理は通用しない、つまり光速は観測者によらず、いつも同じ大きさであると考えました。

 このようにアインシュタインは思考実験で光速度不変の原理にたどり着いたのです。やがて、エーテルが存在しないことや、光速度が不変であることが実験で確かめられ、アインシュタインの考えが正しいことが証明されたのです。

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2021年8月16日 (月)

ニュートンの思考実験「万有引力の法則」

 イギリスの物理学者アイザック・ニュートンの伝記に「リンゴが木から落ちるのを見て、万有引力を発見した」という有名な話があります。この話が本当かどうかは別にして、ニュートンは地球上の物体が落下する現象から月がなぜ落ちてこないのかを考えました。


ニュートンは月と落下するリンゴを見て万有引力を発見

 糸に物体をつなげて振り回すと物体は円運動します。このとき物体には遠心力が働いているため、糸を手から放すと物体は飛んでいってしまいます。月は地球のまわりを公転していますが、月と地球は糸でつながれているわけではありません。ニュートンは月が地球から離れずに同じ距離を保っているのは、月に働く遠心力と地球が月をつなぎとめる力がつり合っているからではないかと考えました。そして、地球が月をつなぎとめる力は、落下するリンゴに働く力と同じではないかと考えたのです。その力は重力のことです。もちろん、ガリレイが落下実験をやってみせたことからもわかるとおり、ニュートンが重力を発見したわけではありません。

 ココログ 光と色と「ガリレオの思考実験「重いものほど速く落下するのか」

 ニュートンが次に考えたのは、地球だけが重力で月をつなぎとめているのかということでした。地球に重力があるのであれば、月にも重力があるはずではないか。すなわち月と地球はお互いをつなぎとめるように引っ張り合っているのではないかと考えました。そして、ニュートンは質量をもつ物体の間にはお互いに引き合う力が働いていると考え「万有引力の法則」を導き出しました。リンゴが落下する現象と天体の運動は同じ原理に基づいているという結論に達したのです。

 宇宙で実験することはできません。ニュートンは身の回りの現象をヒントに宇宙でどのようなことが起こるかを天体観測の結果に照らし合わせながら思考実験で考えたのです。

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