宇宙ベースの太陽光発電: 太陽光を地球に送り返すことで、私たちのエネルギー ニーズを満たすことができるでしょうか?

理論物理学者のフリーマン ダイソンはかつて、親星を巨大な人工殻で囲んだほど高度な異星人の文明を想像しました。 これの内面 「ダイソン球」 太陽放射を捕捉して収集ポイントに転送し、そこで使用可能なエネルギーに変換します。 そのような概念は空想科学小説のままですが、同様の原理をはるかに小さな規模で使用して、私たち自身の太陽の力を利用できるでしょうか?

結局のところ、雲の向こう、地球に近い宇宙の夜なき炎の中には、人類が今後何世紀にもわたって現実的に必要とするよりも多くの途切れることのない太陽光発電があります. そのため、科学者とエンジニアのグループが 50 年以上にわたって、このエネルギーを宇宙で捉えて地上に送り返す技術を考案してきました。

知られているように、「宇宙ベースの太陽光発電」には、太陽と風を利用する従来の方法に比べて XNUMX つの大きな利点があります。 まず、太陽光を捕捉する人工衛星を宇宙に打ち上げることで、地球上の広大な土地をソーラー パネルや風力発電所で覆う必要がなくなります。 第二に、現地の気象条件にもかかわらず、曇っていたり、風が弱くなったりした場合でも、十分なエネルギーを供給できます。

そして、これがここ地球上の太陽エネルギーと風力の問題です。大幅に拡大されたとしても、一貫して私たちのエネルギー需要を満たすことはできません。 ノッティンガム大学の研究者は昨年、英国がこれらの再生可能資源に完全に依存する場合、国は 65 テラワット時以上のエネルギーを貯蔵する必要があると推定しました。 これには 170 億ポンド以上の費用がかかり、これは同国の今後の高速鉄道ネットワークの XNUMX 倍以上になります。 (エネルギー 14 8524）.

宇宙ベースの太陽光発電を実現するためのほとんどの取り組みは、残念ながら、一見手に負えない技術的および経済的問題に直面しています。 しかし、時代は変わりつつあります。 革新的な衛星設計と打ち上げコストの大幅な削減により、突然、宇宙ベースの太陽光発電が現実的な解決策のように思えてきました。 日本 国家目標としてそれを法律に書き入れましたが、 欧州宇宙機関 アイデアを募集しました。 中国 および アメリカ 両方とも試験施設を建設中です。

一方、 2021 年に英国政府によって公開された協議 宇宙ベースの太陽光発電は技術的および経済的に実現可能であると結論付けました。 興味深いことに、この技術的解決策は、気候変動に関する政府間パネルの 10 年の「ネット ゼロ」目標の 2050 年前に実施できると考えていました。 では、宇宙ベースの太陽光発電は、私たちの気候の問題に対する答えになるのでしょうか? もしそうなら、それが現実になるのを妨げているのは何ですか？

宇宙の夢

宇宙からの太陽光発電の最初の概念は、コンサルタント会社 Arthur D Little の米国のエンジニアである Peter Glaser によって 1968 年に考案されました。 彼は、巨大な円盤状の人工衛星を地球の上空約 36,000 km の静止軌道に配置することを想定しました。 (科学 162 857）. 直径約 6 km の衛星は、太陽光を集めて電気エネルギーに変換する太陽光発電パネルでできています。 このエネルギーは、真空管増幅器を使用してマイクロ波に変換され、直径 2 km の送信機を介して地球に送信されます。

これは、継続的なベースライン電力を提供できる唯一の環境に優しい再生可能エネルギーです。

クリス・ローデンベック、米国海軍研究所

マイクロ波の優れた点は、地球上では雲に吸収されないため、ほとんど (完全ではありませんが) 妨げられることなく大気を通過することです。 Glaser は、それらが直径 3 km の固定アンテナによって収集され、グリッド用の電力に変換されることを想定していました。 「太陽エネルギーの変換に衛星を使用するのは数十年先かもしれませんが、将来の開発のガイドとして、必要な技術のいくつかの側面を調査することは可能です。」

最初の反応は、少なくともいくつかの四半期で肯定的であり、NASA は Glaser の会社である Arthur D Little にさらなる研究の契約を与えました。 しかし、何年にもわたって、宇宙ベースの太陽光発電に関するその後の研究の結論は、慎重に肯定的なものから外向きに否定的なものまで幅がありました。

たとえば、2015 年には、テクノロジーは生ぬるい評決しか受けませんでした。 米陸軍戦争大学の戦略研究所 (SSI) からのレポートで、宇宙太陽光発電が地上発電と経済的に競争できるという「説得力のある証拠はない」と述べた. SSI は、そのような巨大な軌道構造を宇宙に持ち込むことに関して、その支持者によってなされた「疑わしい仮定」を特に批判しました。 簡単に言えば、報告書はロケットの数が十分ではなく、利用可能なロケットは高すぎると述べています。

しかし、SSI の輝かしい判決は、民間企業の前に下されました。 SpaceX社 – 宇宙産業を変革し始めました。 再利用可能なロケット システムと研究開発に対する試行錯誤の姿勢を組み合わせることで、この米国企業は、過去 10 年間で、地球に近い軌道への打ち上げコストを XNUMX 分の XNUMX 以上 (ペイロード XNUMX キロあたり) 削減しました。 ）、さらに桁違いに削減する計画があります。 SSI が打ち上げコストに関する主要な制限と見なしていたものは、実際にはもはや問題ではありません。

人工衛星を宇宙に打ち上げるコストだけが問題だったわけではありません。 Glaser の当初のコンセプトは一見シンプルで、多くの課題が隠されていました。 まず第一に、衛星が地球を周回するとき、太陽、宇宙船、およびエネルギーが送られる地球上のポイントの間の角度は常に変化しています。 たとえば、静止衛星が地球上で訓練されている場合、その太陽光発電は正午には太陽に面していますが、真夜中には太陽に背を向けます。 つまり、衛星は常に発電しているわけではありません。

この問題に対する最初の解決策は、固定されたままのマイクロ波送信機に対して太陽電池パネルを連続的に回転させることでした。 その場合、太陽電池パネルは常に太陽に向けられ、送信機は常に地球に向けられます。 1979 年に NASA が Glaser のアイデアの発展として最初に提唱したソリューションは、北京の中国宇宙技術アカデミーのエンジニアによる 2015 年の提案でさらに拡張され、Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite と名付けられました。 MR-SPS （図1）。

一方、 ジョン・マンキンス元 NASA のエンジニアである は、2012 年にライバルのソリューションを発明しました。 SPS アルファ、彼のアイデアは、太陽電池パネルと送信機を固定したままにし、パネルの周りに多数の鏡を設置することでした (図 2)。 ヘリオスタットとして知られるこれらのミラーは回転することができ、太陽光をソーラーパネルに継続的に向け直すことで、人工衛星が途切れることなく地球に電力を供給できるようにします。

ただし、MR-SPS も SPS Alpha も満足のいくものではありません。 イアン・キャッシュ、ディレクター兼チーフエンジニア インターナショナル・エレクトリック・カンパニー・リミテッド イギリスのオックスフォードシャーにあります。 自動車、航空宇宙、エネルギー分野の電子システムの元設計者であるキャッシュ氏は、XNUMX 年前に、クリーンで大規模なエネルギー源の民間開発に心を向けました。 最初は核融合の可能性に惹かれていましたが、その「本当に難しい」問題に気が進まず、すぐに最も現実的な選択肢として宇宙ベースの太陽光発電に目を向けました。

Cash の場合、MR-SPS と SPS Alpha の両方の問題は、衛星の一部を他の部分に対して回転させる必要があることです。 したがって、すべてのパーツは別のパーツに物理的に接続する必要があり、動く関節ジョイントが必要です。 問題は、国際宇宙ステーションのような人工衛星で使用される場合、そのような接合部が磨耗や裂傷により機能しなくなる可能性があることです。 関節接合部を省略することで、太陽光発電衛星の信頼性が高まるとキャッシュは結論付けました。 「太陽と地球を常に見るソリッドステート ソリューションを実現するには何が必要かを知りたかったのです」と彼は言います。

2017 年までに Cash はそれを理解した、またはそう主張した。 彼の CASSIOPeiA コンセプト は本質的にらせん階段のように見える人工衛星で、太陽光発電パネルが「踏面」であり、マイクロ波送信機 (棒状の双極子) が「ライザー」です。 その巧妙ならせん形状により、CASSIOPeA は 24 日 3 時間、可動部品なしで太陽エネルギーを送受信できます (図 XNUMX)。

関連する知的財産をライセンスすることで CASSIOPeA から利益を得るつもりである Cash は、彼のコンセプトには他にも多くの利益があると主張しています。 彼が提案した衛星は、数百 (場合によっては数千) の小さなモジュールをリンクして構築することができ、各モジュールは太陽エネルギーを取り込み、それを電子的にマイクロ波に変換してから地球に送信します。 このアプローチの優れた点は、XNUMX つのモジュールが宇宙線やスペースデブリに襲われたとしても、その故障によってシステム全体が壊れることはないということです。

CASSIOPeA のもう XNUMX つの利点は、非太陽光発電コンポーネントが常に影の中にあることです。これにより、対流のない真空の宇宙では問題となる熱放散が最小限に抑えられます。 最後に、衛星は常に太陽の方を向いているため、非常に楕円形の軌道を含む、より多くのタイプの軌道を占めることができます。 その場合、静止している場合よりも地球に近くなり、そのような巨大な送信機に基づいて設計をスケーリングする必要がないため、安価になります.

おそらく当然のことながら、Cash の競合他社は彼の評価に同意していません。 現在拠点を置いているマンキンスは、 Artemis イノベーション管理ソリューション 米国カリフォルニア州で、彼の SPS-Alpha コンセプトの多関節ヘリオスタットが問題であると異議を唱えています。 代わりに、彼は、太陽光を集めて流体を加熱し、タービンを駆動するためにすでに使用されている「[a]非常に成熟した技術の単純な拡張」であると主張しています。 「太陽の塔」 ここ地球で。 彼はまた、CASSIOPeA に必要なデュアル ミラーは、非常に正確に構築する必要があるため、問題になる可能性があると考えています。

「私はイアンと彼の仕事を高く評価しています。 彼の最近の CASSIOPeiA コンセプトは、SPS-Alpha を含め、非常に似通ったいくつかのコンセプトの XNUMX つです」と Mankins 氏は言います。 「しかし、CASSIOPeA が SPS-Alpha よりも優れていることが証明されるという彼の期待には同意しません。」 Mankins 氏にとって、宇宙ベースの太陽光発電への最善のアプローチは、最終的には開発プロジェクトの結果に依存し、地球上での電力のキロワット時あたりの実際のコストが重要な要素となります。

スケーラブルで印象的な

宇宙太陽光発電への関心は、 英国政府の 2021 年レポート コンセプトについてこれほど積極的なものはほとんどありませんでした。 英国を拠点とするコンサルタント会社のエンジニアによって作成されました フレイザーナッシュ、SPS Alpha、MR-SPS、CASSIOPeiAの発明者を含む、多くの宇宙工学およびエネルギーの専門家と連絡を取り合った.

報告書は、静止軌道にある幅 1.7 km の CASSIOPeiA 衛星が太陽放射を 100 km に送信すると結論付けました。² ここ地球上に配置されたマイクロ波受信機 (または「レクテナ」) のアレイは、2 GW の連続電力を生成します。 これは、従来の大型発電所の出力に相当します。 また、たとえば既存の ロンドン アレイ風力発電所 テムズ川河口では、約 25% 大きいですが、平均電力はわずか 190 MW です。

しかし、もっと印象的だったのは、レポートの経済分析でした。 フルサイズのシステムの開発と打ち上げには 16.3 億ポンドの費用がかかり、前年比 20% の投資収益率が最小になるという見積もりに基づいて、宇宙ベースの太陽光発電システムは次のように結論付けられました。約 100 年の寿命で、MWh あたり 50 ポンドのエネルギーを生成できます。

Frazer-Nash によれば、これは現在の地上の風力や太陽エネルギーよりも 14 ～ 52% 高価です。 しかし、バイオマス、原子力、または最も効率的なガス エネルギー源よりも 39 ～ 49% 安価であり、これらは現在中断のない「ベース ロード」電力を提供できる唯一のものです。 報告書の著者はまた、コストの控えめな見積もりは「開発が進むにつれて減少すると予想される」と述べています。

「信じられないほどスケーラブルです」と言う マルティン・ゾルタウ 著者の 10 人である Frazer-Nash のまた、地球周辺の空間の太陽光レベルは下よりもはるかに明るいため、すべてのソーラー モジュールを地上に設置した場合の 15 倍の量を収集できると彼は計算しています。 報告書によると、2050 年までに英国のエネルギー需要の XNUMX 分の XNUMX を供給するには、それぞれ独自のレクテナを備えた合計 XNUMX の衛星が必要になると考えられています。各レクテナは、既存の風力発電所の横または中に配置することもできます。

このスキームがさらに拡大された場合、原則として、全世界の電力需要の 150% 以上を供給することができます (ただし、回復力のあるエネルギー供給は通常、さまざまなソースの組み合わせを必要とします)。 宇宙ベースの太陽光発電は、地球ベースの再生可能エネルギー源よりも環境への影響がはるかに少ないとソルタウ氏は付け加えます。 二酸化炭素排出量は少なく、希土類鉱物の需要はほとんどなく、風力タービンとは異なり、騒音や高く見える構造物はありません。

それがすべて真実であるには良すぎるように聞こえる場合は、そうかもしれません. Frazer-Nash レポートは、いくつかの「開発上の問題」を認めており、特にワイヤレス エネルギー転送をより効率的にする方法を見つけています。 クリス・ローデンベックワシントン DC の米国海軍研究所の電気技師である . 高出力整流ダイオードなど、容易に入手できない電子部品への継続的な投資と的を絞った進歩が必要です。

幸いなことに、無線エネルギー伝送は数十年にわたって進歩してきました。 2021 年、ローデンベックのチームは 1.6 kW の電力を 1 km の距離に送り、マイクロ波から電気への変換効率は 73% でした。 一見すると、これは現在までで最も強力なワイヤレス エネルギーのデモンストレーションよりも印象的ではありません。 NASAのゴールドストーン研究所 カリフォルニア州では、10% 以上の効率で 80 GHz のマイクロ波を電気に変換しました。 しかし、重要なのは、ローデンベックが使用した周波数がより低い 2.4 GHz マイクロ波であり、宇宙での大気損失がはるかに少ないということでした。

低い周波数で自然に発生する高い回折 (ビームの広がり) を打ち消すために、研究者は周囲の地形を利用してマイクロ波を受信機アレイに向かって「跳ね返らせ」、それによって電力密度を 70% 向上させました (ＩＥＥＥ Ｊ．Ｍｉｃｒｏｗ． 2 28）。 「私たちは、世界的大流行の間、かなり迅速かつ安価に[テスト]を行いました」とRodenbeck氏は言います。 「もっと達成できたはずだ」

最初の建設には、地球上の自動車工場のような組み立てラインを備えた、24 時間年中無休の宇宙工場が必要です。

ヤン・ガオ、サリー大学

ローデンベックは、宇宙ベースの太陽光発電の見通しについて楽観的です。 彼は、核融合が「物理学の基本的な問題に直面している」のに対し、宇宙ベースの太陽光発電とワイヤレス電力伝送は単に「ドルに直面している」だけだと主張しています。 「これは、継続的なベースライン電力を提供できる可能性を秘めた唯一の環境に優しい再生可能エネルギーです」と Rodenbeck 氏は主張します。 「制御された核融合における技術的なブレークスルーがなければ、人類は将来のエネルギー需要のために宇宙太陽光発電を利用する可能性が非常に高いようです。」

ただし、注意事項は次のとおりです。 ヤンガオ英国のサリー大学の宇宙エンジニアである彼は、提案された宇宙システムの「完全な規模」は「非常に驚くべきものである」と認めています。 彼女は、最初の建設にはおそらく自律型ロボットを使用して、「地球上の自動車工場のような組み立てラインを備えた、24 時間 7 日体制の宇宙工場」が必要になる可能性が高いと考えています。 一旦建設された施設の維持に関しては、ガオ氏はそれが「厳しい」ものになるだろうと言います。

キャッシュにとって重要なのは、宇宙電力衛星が占める軌道です。 静止太陽光発電衛星は地球から遠く離れているため、エネルギーを効率的に送信するには、巨大で高価な送信機とレクテナが必要になります。 しかしキャッシュ氏によると、より短い高度な楕円軌道で複数の衛星を利用することで、投資家は CASSIOPeA のコンセプトに基づいて、わずかな資本でより小さな実用システムを実現できるという。 対照的に、SPS Alpha と MR-SPS は、初日からフルサイズにする必要があります。

意志は十分か？

それでも、宇宙ベースの太陽光発電の最大の課題は、経済的または技術的な問題ではなく、政治的な問題かもしれません。 かなりの数の人々が 5G モバイル技術を取り巻く陰謀論を信じている世界では、最大ビーム強度がかろうじて 250 W/m であるにもかかわらず、ギガワットのマイクロ波電力を宇宙から地球に送信することは難しい販売になる可能性があります。²、赤道での最大太陽強度の XNUMX 分の XNUMX 未満。

実際、英国の報告書は、その支持者が大衆の欲求をテストし、重要なアイデアについて「会話をまとめる」必要があることを認めています. しかし、実際には技術的および社会的な考慮事項もあります。 レクテナはどこに配置されますか? 宇宙ゴミを増やすことなく、寿命を迎えた人工衛星をどのように廃棄するのでしょうか? マイクロ波スペクトルには、他の何かのために残されたスペースがありますか? また、システムは攻撃に対して脆弱になりますか?

その報告を受けて、 英国政府は3万ポンドの基金を発表 業界が重要な技術のいくつかを開発するのを支援するために、元ビジネス秘書のクワシ・クワルテンは、宇宙ベースの太陽光発電は「全世界に手頃な価格でクリーンで信頼できるエネルギー源を提供できる」と述べています。 その現金のポットは、この規模の事業に遠く及ばない可能性が高いため、ソルタウは、 スペースソーラー、個人投資家から最初の200億ポンドを調達することを望んでいます。

一方、彼が「有志のコラボレーション」と呼ぶものは、 宇宙エネルギーイニシアチブは、50 を超える学術機関、企業、政府機関から科学者、エンジニア、公務員を集めました。 無料で行われる 実用的なシステムを実現するのに役立ちます。 SpaceX はまだリストに載っていませんが、Soltau は米国企業の注目を集めたと主張しています。 「彼らは非常に興味を持っています」と彼は言います。

現金は、投資が見つかることを疑いません。 地上の再生可能エネルギーは、莫大な費用がかかるバッテリー インフラストラクチャなしでは、中断のないベースロード電力を供給することができませんが、原子力は常に厳しい反対に直面しています。 キャッシュ氏は、宇宙ベースの太陽光発電は、正味ゼロを達成するために不可欠な要素であると考えており、人々にエネルギーの使用を減らすよう求めることは「危険な考え」です。 ほとんどの戦争は、認識された資源の不足をめぐって争われてきました」と彼は言います。 「文明を前進させ続ける方法を考えなければ、代替案は非常に恐ろしいものになります。」