科学者が世界初、宇宙から地球に太陽光発電をビーム : ScienceAlert

Sep 01, 2023

太陽光発電は再生可能エネルギーの中で最も急速に成長しており、現在世界の電力生産量の 3.6% を占めています。 これにより、再生可能エネルギー市場において、水力発電と風力発電に次ぐ 3 番目に大きな供給源となっています。

これら 3 つの方式は今後数十年間で急激に成長し、2035 年までに 40 パーセント、2050 年までに 45 パーセントに達すると予想されています。合計すると、今世紀半ばまでに再生可能エネルギーがエネルギー市場の 90 パーセントを占め、そのうち太陽光発電が約半分を占めると予想されています。

ただし、この移行を実現するには、いくつかの技術的な課題や問題を克服する必要があります。

太陽光発電の主な制限要因は断続性です。つまり、十分な太陽光が利用できる場合にのみ電力を収集できます。 これに対処するために、科学者たちは、軌道上の衛星が 24 時間 365 日中断することなく電力を収集する宇宙太陽光発電 (SBSP) の研究に数十年を費やしてきました。

この技術を開発するために、カリフォルニア工科大学の宇宙太陽光発電プロジェクト (SSPP) の研究者らは最近、低軌道電力伝送実験用マイクロ波アレイ (MAPLE) を使用した初の無線電力伝送に成功しました。

MAPLE は、電気工学および医療工学のブレン教授で SSPP の共同ディレクターであるアリ・ハジミリが率いるカリフォルニア工科大学のチームによって開発されました。 MAPLE は、Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) によってテストされた 3 つの主要テクノロジーのうちの 1 つです。

このプラットフォームは、カスタム電子チップによって制御される一連の柔軟で軽量なマイクロ波送信機で構成されています。 このデモンストレーターは、太陽エネルギーを収集し、世界中の希望する受信ステーションに送信するように設計された低コストのシリコン技術を使用して構築されました。

SSPP は、カリフォルニア工科大学理事会の終身メンバーであるドナルド・ブレンが SBSP 研究プロジェクトの創設について話し合うためにカリフォルニア工科大学の当時の学長ジャン・ルー・シャモーに打診した 2011 年に始まりました。

ブレンと彼の妻（カリフォルニア工科大学の管財人でもある）は、このプロジェクトの資金として総額 1 億ドルを寄付することに同意し、ノースロップ グラマン コーポレーションはさらに 1,250 万ドルを提供しました。 SSPD-1は、ライドシェアプログラムの一環としてSpaceX社のファルコン9に搭載されて1月3日に打ち上げられ、Vigoride宇宙船（航空宇宙会社Momentus社提供）によって展開された。

SBSP が実現可能であるためには、衛星は費用対効果の高い方法で打ち上げられるように軽量であること、および (ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) と同様に) ペイロードフェアリング内に収まるように柔軟である必要があります。

工学・応用科学部門のオーティス・ブース・リーダーシップ・チェアー、応用物理学および材料科学のハワード・ヒューズ教授、液体太陽光アライアンスのディレクターであるハリー・アトウォーターは、プロジェクトの主任研究者の一人です。 彼はカリフォルニア工科大学のプレスリリースで次のように説明しています。

「軽量構造を使用した宇宙での無線電力伝送の実証は、宇宙太陽光発電と世界中で広く利用できるようにするための重要な一歩です。ソーラーパネルは、たとえば国際宇宙ステーションに電力を供給するためにすでに宇宙で使用されていますが、十分な大きさの打ち上げと展開が必要です」地球に電力を供給するためにアレイを使用する場合、SSPP は超軽量、安価、柔軟な太陽光発電エネルギー伝送システムを設計および作成する必要があります。」

各 SSPP ユニットの重さは約 50 kg (110 ポンド) で、通常 10 ～ 100 kg (22 ～ 220 ポンド) の超小型衛星に匹敵します。 各ユニットは体積約 1 m3 (35 ft3) のパッケージに折りたたまれ、それから広げると直径約 50 m (164 ft) の平らな正方形になり、片面に太陽電池、もう片面にワイヤレス電力送信機が配置されます。

SPPD-1 コンポーネントは密閉されていないため、宇宙の極端な温度変化にさらされます。 この実験は、電力送信機が宇宙に打ち上げられても耐えられることを証明するだけでなく、SSPP エンジニアに有益なフィードバックを提供しました。

「これまでに実施した実験を通じて、MAPLEが宇宙の受信機に電力を正常に送信できることが確認されました」とハジミリ氏は語った。

「また、私たちはそのエネルギーを地球に向けるようにアレイをプログラムすることもできました。それはカリフォルニア工科大学で検出されました。もちろん、地球でもテストしましたが、今では宇宙への旅行にも耐えてそこで動作できることがわかっています」 。」

このデモンストレーターには可動部品がなく、送信アンテナ間の建設的および破壊的干渉を利用して、ビームされたエネルギーの焦点と方向を変更します。 これらのアンテナは 16 個のグループにまとめられており、それぞれがカスタムメイドのフレキシブル集積回路チップによって駆動されます。

また、ビームされたエネルギーが意図したターゲットに到達することを保証するために、正確なタイミング制御要素と電磁波のコヒーレントな追加にも依存しています。 2 つの受信機アレイは、太陽エネルギーを直流 (DC) に変換する送信アンテナから約 30 cm (1 フィート) に配置されています。

これは、一対の LED ライトに電力を供給するために使用され、ワイヤレス エネルギー伝送の完全なシーケンスを示しています。 MAPLE は、各 LED を個別に点灯し、それらの間を前後に移動することで、これを実証することに成功しました。

MAPLE には、アレイがエネルギーをビームできる小さな窓も含まれており、そのエネルギーはカリフォルニア工科大学のゴードン・アンド・ベティ・ムーア工学研究所の受信機によって検出されました。 この信号は予想された時間と周波数で受信され、その軌道に基づいて予想された周波数シフトがありました。

「私たちの知る限り、たとえ高価な剛構造であっても、宇宙での無線エネルギー伝送を実証した人は誰もいません」とハジミリ氏は述べた。 「私たちは柔軟な軽量構造と独自の集積回路を使ってこれを実現しています。これは初めてのことです。」

チームは現在、より小さなグループの干渉パターンをテストし、組み合わせ間の違いを測定することで、個々のシステム要素のパフォーマンスを評価しています。 このプロセスには最大 6 か月かかる可能性があるため、チームは異常を検出し、次世代の太陽衛星に情報を提供するソリューションを開発するのに十分な時間が与えられます。

MAPLE に加えて、SSPD-1 は他に 2 つの主要な実験を実行します。 これらは、小型モジュール式宇宙船を展開するために設計された 1.8 x 1.8 メートル (6 x 6 フィート) の構造である Deployable on-Orbit UltraLight Composite Experiment (DOLCE)、および ALBA (どの太陽電池セルをテストするかをテストするための 32 種類の太陽電池シリーズ) です。宇宙で最も効果的です。

ALBA テストは継続中ですが、DOLCE はまだ導入されておらず、これらの実験の結果は今後数か月以内に得られる予定です。 一方、MAPLE 実験の結果は非常に有望であり、主要な SBSP テクノロジーが実現可能であることを示しています。 ハジミリはこう言った。

「インターネットが情報へのアクセスを民主化したのと同じように、ワイヤレスエネルギー伝送によってエネルギーへのアクセスが民主化されることを私たちは望んでいます。この電力を受け取るために地上にエネルギー伝送インフラは必要ありません。つまり、遠隔地や地域にエネルギーを送ることができるということです」戦争や自然災害によって破壊された。」

SBSP は、地表にある太陽電池パネルよりも 8 倍多くの電力を生み出す可能性があります。 このプロジェクトが完全に実現すれば、カリフォルニア工科大学は、太陽光発電を集めて電気に変換し、世界中のどこにでも無線で送信できるマイクロ波に変換するモジュール式宇宙船群を配備したいと考えている。

クリーンな再生可能エネルギーへの移行を支援するだけでなく、十分なサービスを受けられていないコミュニティへのアクセスを拡大する可能性もあります。 カリフォルニア工科大学のトーマス・F・ローゼンバウム学長は次のように述べています。

「世界の将来にとって重要な再生可能エネルギーへの移行は、現在、エネルギー貯蔵と送電の課題によって制限されています。宇宙から太陽光発電を放射することは、ブレン夫妻の寛大さと先見性のおかげで実現に一歩近づいたエレガントなソリューションです。ドナルド・ブレンは、人類にとって目覚ましい利益を約束する恐るべき技術的課題を提示しました。それは、途切れることのない再生可能エネルギーによって動かされる世界です。」

この記事は元々 Universe Today に掲載されたものです。 元の記事を読んでください。