2017年5月31日水曜日

68 Fusion Power

68 Fusion Power【Space Travel】Dialogue with the Universe

68-1 ITER( International Thermonuclear Experimental Reactor) [1]
・The goal is to build a fusion power plant in 2040-2050.
・The ITER experimental design has been changed to 2020, one year later than originally planned, under the influence of in eastern earthquake. Aim to start full-scale operation in 2027 as planned. The total project cost is 2 trillion yen.
・In addition, experimental reactor completion of the 2020 has become difficult.

【Reference】
・The name is derived from iter (: Net, Road).
・Seven countries and Region (Japan, China, EU, India, Russia, South Korea, USA)are involved in the this plan.
・ITER construction site is in Cadarache, France.

※Tokamak :A tokamak is a device that uses a toroidal field (traveling around the torus in circles) and a poloidal field (traveling in circles orthogonal to the toroidal field). In a tokamak, the toroidal field is produced by electromagnets that surround the torus, and the poloidal field is the result of a toroidal electric current that flows inside the plasma. This current is induced inside the plasma with a second set of electromagnets. In this device, construction cost is cheap but plasma is unstable. [2]

68-2 Nuclear Fusion Reaction [3]
○The most-researched candidate for producing controlled thermonuclear fusion power is D-T fusion reaction. (D: deuterium, T: tritium) 
核融合反応ー2.png
○Deuterium is contained in large quantities in seawater.
○Tritium is breeded while irradiated with neutrons in lithium blanket surrounding the fusion reactor.
核融合反応ー1.png

68-3 Proton-proton chain reaction [4]
○The proton–proton chain reaction is one of the two (known) sets of fusion reactions by which stars convert hydrogen to helium. It dominates in stars the size of the Sun or smaller.
○Plasma(atomic nuclei and electrons become apart) is confined by gravity.

Individual reaction
P-P反応ー1.png

Total
P-P反応ー2.png
・ν is e-neutrino, γ is gamma ray.
・(1-1) occurs at a rate of99.75%( (1-2) :0.25%).

68-4 Merit and Demerit
○Merit : Nuclear fusion reaction is stopped automatically with a little adjustment mistake.
○Demerit:Radioactive waste of the same level as nuclear power plant.

68-5 Cold Fusion [5]
○The research is continuing.

68-6 News
○The Wendelstein 7-X fusion device(W7-X)(Stellarator)at Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) in Greifswald produced its first hydrogen plasma on 3 February 2016. 
・Successive extensions are planned until, in about 4 years, discharges lasting 30 minutes.
The practical application of nuclear fusion is expected of around 2025. [6]

・Germany has forged ahead in funding the project, which in the past 20 years has cost €1.06bn.

※Stellarator [7](Helical Device):A stellarator is a device used to confine hot plasma with magnetic fields in order to sustain a controlled nuclear fusion reaction.
The name refers to the possibility of harnessing the power source of the sun, a stellar object.
ヘリカル型.png
※ The diameter of the W7-X is 10m. [7]

○A small, modular, efficient fusion plant (Tokamak)
New design could finally help to bring the long-sought power source closer to reality.
 August 10, 2015  MIT News [8]
核融合炉.png
Illustration courtesy of the MIT ARC team [8]

【References】
1. ITER 
https://www.iter.org/
2. Wikipedia:Tokamak
3. Wikipedia:Fusion power
4. Wikipedia:Proton-proton chain reaction
5. Wikipedia:Cold Fusion
6. IPP:Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
http://www.ipp.mpg.de/4010154/02_16
7. Wikipedia:Stellarator
8. MIT News
http://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810

68 核融合発電

68 核融合発電【宇宙旅行】宇宙との対話

68-1 国際的な核融合実験炉(ITER(イーターと読む))[1]
○2040~2050年に核融合発電所を建設することを目標としている。
○ITERの実験開始は、東日本大震災で超伝導コイルの性能を試験する茨城県那珂市の研究所が被災した影響で当初計画より1年遅れ、2020年になった。本格運転は予定通り27年開始をめざす。総事業費は2兆円。
○なお、20年の実験炉完成が難しくなった。
・名称は、iter(羅:道)に由来する。
・7つの国と地域(EU、インド、日本、中国、ロシア、韓国、アメリカ合衆国)がITE計画に関わっている。
・ITERの建設地はフランス・カダラッシュ。

※トカマク型:トロイダル(Toroidal 円環状の)コイルを流れる電流とプラズマ中を流れるトロイダル電流によってプラズマの閉じこめ磁場を形成する。建設コストが安いがプラズマが不安定。[2]

68-2 核融合反応 [3]
○トカマク型(ITER)、ステラレーター型(ヘリカル型)で採用されているのはD-T反応。(D:重水素、T:トリチウム(三重水素))
核融合反応ー2.png
○重水素は海水に大量に含まれる。
○トリチウムは、核融合炉の周囲をリチウムブランケットで囲み、炉から放出される高速中性子を減速させつつ得る。
核融合反応ー1.png

68-3 太陽の核融合反応とどう違う?[4]
○太陽と同程度かそれより質量の小さい恒星でのエネルギー生成の大半を担っているのは陽子-陽子連鎖反応(proton-proton chain reaction)。
○原子核と電子がバラバラになったプラズマは、重力によって閉じ込められている。

各反応
P-P反応ー1.png

合計
P-P反応ー2.png
・νは電子ニュートリノ、γはガンマ線である。
・ (1-1) は99.75%, (1-2) は0.25%の割合で生じる。

68-4 核融合の利点と欠点 [3]
○利点:少しの調整ミスで自動的に核融合反応が停止する。

○欠点:原発と同程度の放射性廃棄物。

68-5 常温核融合 [5]
○「金属水素間新規熱反応の現象解析と制御技術」というテーマで研究が継続されている。

68-6 ニュース
○ドイツのマックス・プランク研究所の核融合炉「ヴェンデルシュタイン 7-X」(W7-X)(ステラレーター型)で水素プラズマの生成に成功(20160203)。[6] [7]
・これから4年かけて、プラズマの持続時間を30分に伸ばし、20メガワットの出力を出すことが計画されている。
・核融合の実用化は2025年ごろ
・ドイツはこれまでの20年間に、核融合の研究に10億6000万ユーロ(約1386億円)を投じている。

※ステラレーター型(ヘリカル型):ヘリカル(らせん)型の周回コイルに電流を流し、閉じ込め磁場を形成する。[8] 
・高レベル放射性廃棄物が出ない。(低レベルの放射化物はできるが、リサイクル可能)
ヘリカル型.png
※W7-Xの直径は10m。[9]

○2015年8月 MIT(アメリカ・マサチューセッツ工科大学)が小型核融合炉技術(トカマク型)を開発。2025年までに核融合炉の開発が可能に。[10]
核融合炉.png
Illustration courtesy of the MIT ARC team [10]

【参 考】
1. Wikipedia:ITER
2. Wikipedia:トカマク型
3. Wikipedia:核融合炉
4. Wikipedia:陽子-陽子連鎖反応(proton-proton chain reaction)
5. Wikipedia:常温核融合
6. IPP:Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
http://www.ipp.mpg.de/4010154/02_16
7. Wikipedia:ヴェンデルシュタイン 7-X
8. Wikipedia:ヘリカル型
9. Wikipedia:Stellarator
10. MIT News
http://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810

67 Colonization of the Planet

67 Colonization of the Planet【Space Travel】Dialogue with the Universe

67-1 Colonization in the solar system
67-1-1 International Space Station (ISS)(1999~2024)) [1]
・Altitude:400 km
・Crew: 6 people
・Weight:420t
・Participating countries:USA, Russia, the European Space Agency, Canada, Japan 
・It requires little replenishment of water by also play the water from the urine not only the condensed water in the air. [2]
・Additional crewmembers are transported to the ISS by Soyuz.
・Total cost: 154 billion dollars [2]


※ISS [3]

67-1-2 Earth’s Moon
○Google and the X Prize Foundation will hold the moon unmanned exploration race "Google Luna • X Prize (GLXP)"! [4]
・Race participants compete to send high-definition images and videos to the earth until the end 2017.
・Grand Prize $20 million 

○About the Moon [5]
・Average distance from Earth: 380,000 km 
・Travel time:3 days
・Gravity:1/6 of that found on Earth 
・Atmosphere:With too sparse an atmosphere to impede impacts, a steady rain of asteroids, meteoroids and comets strikes the surface of the moon. 
・Water:In 2009, orbiting spacecraft discovered water molecules on the moon.
・Oxigen:The crust is made of oxygen, silicon, magnesium, iron, calcium and aluminum, with small amounts of titanium, uranium, thorium, potassium and hydrogen.
・Radiation:It does not provide any protection from the sun's radiation.
・Long ago the moon had active volcanoes, but today they are all dormant and have not erupted for millions of years. 

月面基地.png

67-1-3 Mars
67-1-3-1 Mars One[6 ][7]
○Mars One aims to create a permanent human colony on Mars in 2027. 
○Roadmap
2016 Latest tests will cut candidates down to just 40 - 24 of whom will make the trip
2017 The first teams of candidates are expected to be selected and start training. 
2020 A demonstration mission is sent to Mars to test technologies, while a satellite is placed into Martian orbit.
2022 A rover is launched to Mars to find a settlement location.
2024 Mars One sends a second rover, two living units, two life support systems and a supply unit to Mars, to form the habitat.
2027  First humans land on Mars
2028~ Additional 2crews will land every two years.

○Mars One is possible with conventional technology, but funding is a problem.
・Cost: $ 6 billion
(Funds are raised in broadcasting rights and donations.)
(So far, it has raised $ 780,000.)

※Mars One Webshop [7]

67-1-3-2 SpaceX [8]
○The SpaceX CEO has unveiled a vision for the colonization of Mars that he says will involve hundreds of reusable craft, each carrying somewhere between 100 and 250 colonists or so and also producing fuel from available resources on Mars for the return trips.
○Roadmap
2018 Unmanned missions could commence.

67-1-3-3 About Mars [9]
・A trip to Mars:6–7 months
・Diameter:half of the Earth
・Gravity:about 40% of the Earth
・Rotation period:24 hours and 40 minutes
・Satellites, two (Deimos, Phobos)
・Air:0.75% of the Earth (95% carbon dioxide, 3% nitrogen, 1.6% argon)
・Water:there is ice in the basement.
・Due to the lack of a magnetosphere, solar particle events and cosmic rays can easily reach the Martian surface.
・Rradiation levels in orbit above Mars are 2.5 times higher than at the International Space Station.

67-1-4 Space elevators
○Now, why do we need space elevators?
○Because transportation cost of space elevator is 1/160 of the rocket.
※Transportation cost of space elevator::5million~10 million$/t(Falcon:1.6billion$/t) [10]

○In 2012, the Obayashi Corporation announced that in 38 years it could build a space elevator using carbon nanotube technology. At 200 kilometers per hour, the design's 30-passenger climber would be able to reach the GEO level after a 7.5 day trip. [10]
○An Earth-based space elevator would consist of a cable with one end attached to the surface near the equator and the other end in space beyond geostationary orbit (35,800 km altitude). [10]
○To construct a space elevator on Earth the cable material would need to be both stronger and lighter. [10]
※ The length of the cable: 144,000km, weight :7,000t
○The estimated construction costs would be $10 billion.


※宇宙エレベーター [11]

67-2 Alpha Centauri [12]
○Alpha Centauri (α Cen) is the closest star system to the Solar System at 4.37 ly. It consists of three stars
○Mass and Age
・A:1.1M(the mass of the Sun)、4.85 billion years
・B:0.907M、4.85 billion years 
・C (Proxima):0.123M、4.85 billion years 
○Reaching period:30,000 years(Current technology) 
○About 25,000 years later, Alpha Centauri will be 3.26 ly away.
○If you think the energy and safety between the long-term move, it is necessary to utilize the forces of nature.
→No.81 Starship Solar-System(SSS)

67-3 
○The Sun lies at a distance of 25,000–28,000 light-years from the Milky Way Galactic Center. The Milky Way is a barred spiral galaxy that has a diameter usually considered to be about 100,000–120,000 light-years
・The Milky Way contains over 200 billion stars.

☆Depending on the movement of neighborhood stars, there is a possibility that the sun is close to the other stars.

※The monement of the local solar neighborhood [13]

67-4 Collision with Andromeda Galaxy [14]
○In about four billion years, the Milky Way will collide with its nearest neighbor, the Andromeda Galaxy. The two are rushing towards each other at about 112 km per second.
○After the Collision the two galaxy should settle into a smooth elliptical galaxy.

67-5 News
○A diamond planet was found![15]
・This planet is only 40 light-years away.
・It takes 300,000 years for one way, 600,000 years for round trip by the spacecraft.

☆Hasten the development of the Hayabusa-Z!

【Referendes】
1. Tim Sharp”International Space Station: Facts, History & Tracking“at Space.com 2160405
http://www.space.com/16748-international-space-station.html
2.Wikipedia:国際宇宙ステーション
3.”The International Space Station: Together is the Future” NASA
https://www.youtube.com/watch?v=NtrVwX1ncqk
4. "Google Luna • X Prize (GLXP)"
http://lunar.xprize.org/about/overview
5. Moon: Home - NASA
http://solarsystem.nasa.gov/moon/moonfacts.cfm
6.MARK PRIGG FOR DAILYMAIL.COM “The final countdown for Mars One: 100 remaining candidates for controversial one way trip to undergo 'intense' testing” 20160606
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3628235/The-final-countdown-Mars-One-100-remaining-candidates-controversial-one-way-trip-undergo-intense-testing.html
7. Mars One
http://www.mars-one.com/mission/roadmap
8. Sid Perkins”Elon Musk’s path to Mars begins with Red Dragon—but what science will it do?”at Science 20160927
http://www.sciencemag.org/news/2016/09/elon-musk-s-path-mars-begins-red-dragon-what-science-will-it-do
9. Wikipedia:C olonization of Mars
https://en.wikipedia.org/wiki/Colonization_of_Mars
10. Wikipedia:Space elevator
11. 石井 英男”宇宙エレベーターが実現する「2050年宇宙の旅」” at TELESCOPE Magazine 2013
http://www.tel.co.jp/museum/magazine/spacedev/130603_topics_07/
12.Wikipedia:Alpha Centauri
13. BhavanaJagat
https://bhavanajagat.com/2015/01/01/happy-new-year-the-perception-of-time/
14. Nola Taylor Redd” The Andromeda Galaxy (M31): Location, Characteristics & Images”at SPACE.com 20120508
http://www.space.com/15590-andromeda-galaxy-m31.html
15. Caterina Visco” Il pianeta di diamante”at WIRED 20120812
http://daily.wired.it/news/scienza/2012/10/12/pianeta-diamante-123456.html

67 惑星への植民

67 惑星への植民 【宇宙旅行】宇宙との対話

67-1 太陽系内植民
67-1-1 国際宇宙ステーション(1999~2024) [1]
・高度:400km
・乗員数:6人
・重量:420t
・参加国:アメリカ、ロシア、カナダ、ESA加盟国、日本
・空気中の凝結水だけでなく尿からも水を再生することで、地上からの水の補給をほとんど必要としない。
・宇宙飛行士の交代にはソユーズ宇宙船が使われている。
・総費用:1,540億ドル(16兆円)


※ISS [2]

67-1-2 月
○グーグルとXプライズ財団が月面無人探査レース「グーグル・ルナ・Xプライズ(GLXP)」開催![3]
・高精細画像や動画を2017年末までに地球に送信することを競う。
・優勝賞金2000万ドル。

○月の諸元 [4]
・地球との平均距離:380,000km
・所要時間:3日
・重力は地球の6分の1
・大気が無く、隕石の影響を直接受ける。
・極地域には水が存在する。
・赤道付近には酸素を含む鉱物が存在する。
・磁気圏が無く、放射線レベルが高い。
・太陽電池パネルの製造に必要な原材料が採掘できる。
・かつては活火山があったが、現在はすべて休止状態。

月面基地.png

67-1-3 火星
67-1-3-1 マーズワン(Mars One)>[5 ][6]
○2027年までに、火星への片道移住をしようとしている、オランダの民間非営利団体
○計画
2016年9月 移住希望者24人を選ぶ。
2017年 最初のチームを選抜し、訓練を始める。
2020年 実験施設を火星に送り込み、火星の衛星軌道に衛星を設置する。
2022年 ローバーを送り込む。
2024年 生命維持施設を2基設置する。
2027年 4人を火星に移住させる。
その後、2年(26か月)ごとに、4人ずつ増やす。

○マーズワンは従来の技術で可能だが、資金調達が課題。
・費用:60億ドル
(放映権や寄付で資金を調達する。)
(これまでに、$ 780000を調達)

※Mars One Webshop [7]

67-1-3-2 スペースX(SpaceX)社 [8]
○今世紀中に自立したコロニーを実現することを目標にしている。
○システムは、再利用可能ロケット100隻、火星上のロケット推進剤製造施設などで構築される。
○ファルコン9(Falcon 9)ブースターをスケールアップしたものを使う。
○計画
2018年 無人宇宙貨物船「ドラゴン(Dragon)」を火星に送り込む。
2025年 有人宇宙船が火星に到着。

67-1-3-3 火星の諸元 [9]
・所要時間:6~7か月
・直径は、地球の半分
・重力は、地球の約40%
・自転周期は、24時間40分くらい
・衛星は、二つ(ダイモス、フォボス)
・大気は地球の0.75%(二酸化炭素95%、窒素3%、アルゴン1.6%)
・地下に氷があるらしい。
・火星の磁気圏はとても弱く、太陽風を防ぐのに十分ではない。[10]
・火星周回軌道上は国際宇宙ステーションと比べて放射線のレベルが2.5倍も高い。[10]

67-1-4 宇宙エレベーター
○なぜ宇宙エレベーターが必要なのだろう?
○宇宙エレベータの輸送コストはロケットの1/160だからだ。
※宇宙エレベータの輸送コスト:0.05億円~0.1億円/t [11] (ファルコンは16億円/t) [12]

○大林組は2012年に2050年には宇宙エレベーターを建築するという構想を発表している。[13]
○高度36,000kmの静止軌道ステーションまで30人乗りのエレベーターが1週間で移動する。[11]
○課題は長くて強いケーブルの製造技術など。
※ケーブルの長さ:144,000km、重さ7,000t
○宇宙エレベーターの建設コストは1兆円。[11]

○最初に20tのケーブルを静止軌道に打ち上げ、上下に伸ばし、徐々に太くする。[14]


※宇宙エレベーター [13]

67-2 ケンタウルス座アルファ星 [14]
○太陽系に最も近い(4.39光年)三重連星。
○質量と年齢
・A:1.1M(太陽質量)、48.5億年
・B:0.907M、48.5億年
・C(プロキシマ):0.123M、48.5億年
○到達期間:3万年(現在の技術)
○およそ25,000年後には3光年まで接近する。
○長期移動の間のエネルギーと安全を考えると、自然の力を利用することが必要。
→No.81 星船=宇宙船太陽系号

67-3 太陽周辺の恒星の動き [15]
○太陽は、約10万光年の直径を持つ天の川銀河の中心から2万6千光年に位置し、約2億年で公転している。
・天の川銀河の恒星数:約2000億個
☆周辺の恒星の動き次第で、太陽が他の恒星に接近する可能性もある。


※太陽周辺の恒星の運動

67-4 アンドロメダ銀河との衝突 [15]
○天の川銀河の隣にあるアンドロメダ銀河は秒速約122kmの速度で銀河系に近づいている。従って銀河系はアンドロメダ銀河と約40億年後には衝突する。
○この衝突でも太陽やその他の恒星が互いに衝突する可能性は低いが、衝突から約20億年後には2個の銀河は合体して1個の楕円銀河を形成すると考えられている。

67-5 News
○ダイヤモンドでできた惑星発見![16]
・この惑星は、たった40光年のところにある。
・宇宙船で、片道30万年、往復60万年ポッキリ。
・ハヤブサZの開発を急げ!

【参 照】
1. Wikipedia:国際宇宙ステーション
2. ”The International Space Station: Together is the Future” NASA
https://www.youtube.com/watch?v=NtrVwX1ncqk
3. Pavel Alpeyev”グーグルが月面無人探査レース、賞金25億円-日本チームも参戦”at Bloomberg
http://www.bloomberg.co.jp/news/123-NQHPU66JTSEM01.html
4. Wikipedia:月の植民
5.MARK PRIGG FOR DAILYMAIL.COM “The final countdown for Mars One: 100 remaining candidates for controversial one way trip to undergo 'intense' testing” 20160606
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3628235/The-final-countdown-Mars-One-100-remaining-candidates-controversial-one-way-trip-undergo-intense-testing.html
6. Mars One
http://www.mars-one.com/mission/roadmap
7. Mars One Webshop
https://community.mars-one.com/webshop/products/hooded-sweaters
8. “火星コロニー構想、スペースXのマスク氏発表 「楽しい旅」に”at YAHOO! JAPAN ニュース 20160928
http://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20160928-00000012-jij_afp-sctch
8. 米山 慎吾“マーズワンの火星移住計画は2025年に4人?プロジェクトの評判が?”at 40’s Exchange Hack 20160208
http://40exchange.com/marsone-225
9.Wikipedia:火星の植民
10. “驚愕!!2021年には宇宙エレベータで宇宙へ行ける!!のか?”at NAVER まとめ
http://matome.naver.jp/odai/2137355503827201601?page=2
11.No.70 宇宙旅行のコスト
12. 石井 英男”宇宙エレベーターが実現する「2050年宇宙の旅」” at TELESCOPE Magazine 2013
http://www.tel.co.jp/museum/magazine/spacedev/130603_topics_07/
13.Wikipedia:ケンタウルス座アルファ星
14. moonrainbouw”宇宙への旅人 太陽系は高速で移動している!”
http://earth38moon.blog115.fc2.com/blog-entry-4266.html
15.Caterina Visco”ダイヤモンドでできた惑星”at WIRED
 http://wired.jp/2012/10/30/diamond_planet/