気候緊急事態の場合: スペースバブルを展開して太陽光を遮断する

MIT 2022 年 7 月 16 日

気候変動がすでに行き過ぎているとしたら、緊急解決策は何でしょうか? クレジット: MIT

マサチューセッツ工科大学の学際的な科学者グループは、地球表面への放射線の侵入を減らし、気候変動と戦うための宇宙ベースの太陽シールドを研究しています。

地球の温度が上昇するにつれて、気候変動に対する人類の対応の問題はより緊急性を増しています。私たちの悪影響はすでに行き過ぎているのでしょうか? 受けた損害を元に戻すには遅すぎますか？

A proposal currently being developed by a transdisciplinary team at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> MIT) は、現在の気候緩和と適応の解決策を補完するアプローチを提案しています。 「スペースバブル」は、もともと天文学者ロバート・エンジェルによって提案されたアイデアに触発されており、太陽放射のごく一部から地球を守ることを目的として、小さな膨張可能な泡で構成されたいかだを宇宙に展開することに基づいています。

地球工学は私たちの最終かつ唯一の選択肢かもしれません。 しかし、地球工学の提案のほとんどは地球に限定されており、私たちの生きている生態系に多大なリスクをもたらします。 クレジット: MIT

このプロジェクトは、気候変動に対抗するための太陽地球工学アプローチ（地球に降り注ぐ太陽光の一部を反射することを目的とした一連の技術）の一部です。 アルベド効果を高めるために成層圏のガスを溶解するなど、地球を拠点とする他の地球工学的取り組みとは異なり、この方法は私たちの生物圏に直接干渉しないため、すでに脆弱な生態系を変えるリスクが少なくなります。 凍結した泡で構成されたいかだ自体（研究者らはブラジルとほぼ同じ大きさの船であると仮定している）は、太陽と地球の重力の影響が相殺される地球と太陽の間の位置であるL1ラグランジュ点付近の宇宙に吊るされることになる。 。

この提案は、宇宙空間の条件に耐えるためにバブルに最適な材料をどのように設計するかという多くの疑問に対処します。 これらのバブルをどのように製造して宇宙に展開するのでしょうか? シールドを完全にリバーシブルにするにはどうすればよいですか? 地球の生態系に対する潜在的な長期的な影響は何ですか?

気候変動に対処するには地球上の CO2 排出量を削減することが必然的に必要ですが、現在の緩和策や適応策が現在進行中の気候変動の傾向を逆転させるのに不十分であることが判明した場合には、地球工学などの他のアプローチがそのような取り組みを補うことができるでしょう [1]。 特に、地球に降り注ぐ太陽光の一部を反射することを目的とした一連の技術である太陽地球工学は、CO2 排出削減のための現在の取り組みを補う貴重な解決策であることが理論的に証明されています [2]。

宇宙空間で薄い反射フィルムを使用することを最初に提案したロジャー エンジェルの研究に基づいて、当社は簡単に展開可能で完全にリバーシブルな革新的なソリューションを生み出しました。 クレジット: MIT

太陽地球工学は、気候科学技術の中で最も広く研究されていないトピックの 1 つです。 ほとんどの研究努力は、入ってくる太陽放射を相殺する対流圏または成層圏の反射性化学成分を溶解することに集中しており、不可逆性とさらなる温室効果の問題に直面しています。 宇宙ベースの地球工学は、成層圏の化学に直接影響を与えずに問題を解決する機会を提供します。

James Early[4] は、太陽と地球の間のラグランジュ点 (L1、図 1a を参照) に多層偏向フィルムを配置し、入射太陽光を 1.8% 減少させるというアイデアを提案しました。 ロジャー エンジェル [5] は、アーリーの研究に基づいて、小さな宇宙船の群れが小さなシールドを展開するというアイデアを調査し、この技術の早期実現可能性計画を提案しました。 上記の提案に関連する主な課題は、大きなフィルムを事前に製造し、それを宇宙空間で輸送および展開することの複雑さである。 他のアイデアには、L1 で小惑星 [6] からの塵の雲を作成することが含まれますが、これは物質を閉じ込めておくという問題を引き起こします。 既存のアプローチには、必要な材料の量、宇宙内での製造の難しさ、地球工学プロジェクトの不可逆性などの問題があります。

このバブルは宇宙空間で直接製造され、地球と太陽の間のラグランジュ点に位置する大規模な偏向いかだを形成する可能性がある。 クレジット: MIT

一般に、ほとんどの研究はまだ大まかな実現可能性調査の段階から進んでいません。 この提案では、次のレベルの実現可能性を実現するために、MIT の科学者の学際的なチームを結集させています。 作業仮説として、太陽と地球の間のラグランジュ点 L1 の近くに、相互接続された小さな膨張可能なバブルのアレイで構成されるバブル ラフトのセット (図 1b を参照) を配備することによって、太陽放射を遮蔽するアイデアを検討することを提案します。

私たちは、シリコンなどの均質な溶融材料から薄膜球体を宇宙で直接膨張させることで、より広い波長スペクトルを屈折させる厚さの変化を提供でき、大きな構造膜要素を発射する必要性を回避できると考えています。 球体は宇宙で直接製造できるため、輸送コストが最適化されます。 さらに、気泡はその表面平衡を破ることによって意図的に破壊できるため、これにより太陽地球工学ソリューションが完全に可逆的になり、スペースデブリが大幅に削減される可能性があります。 ただし、バブルラフトは現時点では単なる作業仮説であり、白書の準備中に修正される可能性があることに注意してください。

本質的に学際的なこのプロジェクトには、宇宙における薄膜の光学と力学から、地球への日陰の影響、公共政策の実施に至るまで、多くの分野における一連の研究問題が含まれています。 以下のサブセクションでは、主要な課題と、それらに取り組むための予備的な戦略を [関係分野を含めて] 示します。

このプロジェクトの基本的な段階は、宇宙環境で薄膜球体を製造および維持するための適切な材料と技術を選択することです。 予備実験では、薄膜バブルを 0.0028 atm の圧力で膨張させ、それを約 -50°C に維持することに成功しました (圧力がゼロで温度がゼロに近い空間条件を近似するには、図 1c を参照)。

Further research will investigate the use of other types of low vapor-pressure materials to rapidly inflate and assemble bubble rafts (including silicon-based melts, and grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">超低い蒸気圧と比較的低い密度を持つグラフェン強化イオン液体)。 重要な設計基準には、膨張中の気泡形成器の粘性、界面熱特性、および太陽光にさらされたときの気泡いかだの光学的および構造的特性が含まれます。 [材料科学、機械工学、流体力学]

図 1 – (a) [5] に記載されている L1 ラグランジュ点の位置 (b) 水面上のバブルラフト (提供: ウィスコンシン大学) (c) 0.0028 atm で凍結した直径約 20 mm の薄膜バブル (実験は実施) MITで）。 クレジット: MIT

私たちは、他の提案されたシェーディングソリューションと比較して、バブルベースのシールドが質量効率的であるかどうかを研究します。 薄い流体球が膨張すると、表面の分離圧力とマランゴニ効果により、シェルを形成する液体膜の最小厚さは理論的には 20nm にもなる可能性があります。 ただし、太陽光を逸らすためには、シェルの厚さが太陽の波長（つまり、400 ～ 600 nm 程度）に匹敵する必要があります。 液体ベースの球状気泡を考慮した我々の初期計算では、結果として得られるいかだの予想質量密度は 1.5 g/m2 未満であり、Angel が提案した最も軽いシールドと同等であることが示唆されています [3-5] [物理学、光学]

L1 ラグランジュ点では地球と太陽からの重力が相殺されますが、幅広で薄いバブルラフトは太陽放射圧に大きくさらされるため、最適な場所は太陽にわずかに近い、太陽から約 2.5 Gm 離れた位置に特定されるべきであることが示唆されています。地球。 能動的な安定化メカニズムが必要であり、できれば幾何学形状の修正を通じて設計する必要がある [航空宇宙工学、惑星科学、ロボット工学]

MIT の研究室では、太陽放射を偏向させるための最も効率的な薄膜構造の 1 つである可能性のある気泡を宇宙環境でテストしました。 クレジット: MIT

これまでの地球工学研究[2,3]は、気候変動の影響を逆転させるためには、たとえ地球上での地球温暖化緩和策を補うにはそれより少ない割合で十分であっても、入ってくる太陽放射を1.8%削減する必要があることを示唆しています[7]。 日射反射モデルが構築され、バブルいかだの光学特性を決定するために使用されます。一方、気候モデルを使用した詳細な分析により、望ましい日射量の削減率が特定されます。 [物理学、光学、気候科学]

おそらく、バブルラフトの重要な利点は、宇宙ベースの製造方法を使用したその場組み立ての可能性です。バブルは生産ユニット内で急速に膨張し、その後急速に凍結してゼロ圧力の低温空間に放出されます。 配送、原材料の移送、膨張、および結果として生じるバブルラフトのプロセスの調整が研究されます。 さらに、すでに文献で提案されている磁気加速器（レールガン）を含む、地球から物質を輸送する新しい方法が研究される予定です。 [航空宇宙工学、機械工学、ロボット工学]

バブルラフトが不要になった場合、薄い球のシートは表面平衡を破り、準安定平衡点からより低いエネルギー配置に崩壊することによって簡単に破壊されます。 これにより、他の提案されたアプローチと比較して破片が最小限に抑えられ、他の物体との衝突の場合の安全性と回復力が向上します。 このような壊れやすいシールドの維持は課題であり、スムーズな耐用年数終了への移行を保証する戦略とともに、シールドのサイズを確実に維持するための効果的な補充率が研究される予定です。 [気候科学、航空宇宙工学]

地球の大気から遠く離れた場所にあるにもかかわらず、温帯暴風雨の進路の弱まりなど、太陽放射の減少の結果として複雑な現象が地球の気候に生じる可能性があることを示唆する研究もある[8]。 この側面は、さまざまな日射量削減率を使用してさらに調査されます。 さらに、地球工学プログラムが不要になったときに突然終了することによる地球生態系へのショックを回避するために、段階的廃止アプローチが設計される予定です（研究では、必要な寿命は50年から200年の範囲であることが特定されています）[7]。 】 [環境工学、気候科学]

排出削減と太陽光地球工学の間で最大限の相乗効果を得る方法は、慎重な調査が必要な公共政策の問題です。 さらに、次のテーマについて研究が行われます。政治的反対や政治的恐怖を克服する方法。 「モラルハザード」と呼ばれるものをどのように回避するか[9]、プロジェクトを経済的に持続可能にする方法。 広範な取り組みのためにソリューション設計をオープンソース化する方法。 [政治学、経済学]

プロジェクトの次の段階では、実験室での予備的な製造実験とともに、前述のトピックの正式な分析とシミュレーションが実施されます。 実際にバブルラフトのコンセプトが（コストと質量密度の考慮から）最も価値のある解決策であることが判明した場合、設計を改善し、低軌道でテストバブルラフトを製造し、成功した場合は展開をテストするためのさらなる研究が必要になるでしょう。宇宙空間で。

Roger Angel が論じたように [5]、その最大の範囲では、このシステムは大気中の温室効果ガスの影響を 100% 相殺することができます。 私たちは、技術的な解決策が特定されれば、気候変動の最も深刻な影響が現在予測されている今世紀末までに実装される可能性があると信じています。 コストの観点からは、ロジャー・エンジェル氏の初期推定値は、50 年間で世界 GDP の約 0.5% であると示唆されました。 ここで提案されているように実現可能性をさらに高めることは、より正確な見積もりに到達するのに役立ちます。 つまり、太陽シールドの実現可能性を次のレベルに進めることは、地球の低炭素移行のための補足計画となる可能性があり、いずれにせよ、地球工学的アプローチが緊急になった場合に、今後数年間でより多くの情報に基づいた意思決定を行うのに役立つと私たちは信じています。

主任研究者

エンジニアリングアドバイザー

参考文献: