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先月下旬、ミュンヘンで欧州の航空宇宙企業エアバスのエンジニアらがクリーンエネルギーの未来を披露した。 彼らはソーラーパネルで太陽光を集め、それをマイクロ波に変換し、そのエネルギーを航空機の格納庫に放射し、そこで電力に戻し、とりわけ都市の模型を照らしました。 このデモでは36メートルの距離でわずか2キロワットの電力しか供給できなかったが、深刻な疑問が生じた。長い間SFだと嘲笑されてきた計画を復活させ、宇宙で太陽エネルギーを集めるために巨大な衛星を打ち上げる時期が来たのだろうか？ 雲や夜間から解放された高い軌道上で、彼らは1日24時間発電し、それを地球に送信することができた。

「これは新しい科学ではなく、工学的な問題です」とエアバスのエンジニア、ジャンドミニク・コステは言う。 「しかし、それが[大規模]に行われたことはありません。」

グリーンエネルギーの緊急の必要性、宇宙へのより安価なアクセス、技術の進歩により、最終的に状況が変わる可能性があると宇宙太陽光発電の支持者らは信じている。 10年前にNASAのために宇宙太陽光発電を評価した元NASA研究者のジョン・マンキンス氏は、「誰かが商業投資を行えば、それは開花するだろう。それは1兆ドル規模の産業になる可能性がある」と語る。

大規模な投資は遠い将来になる可能性が高く、数ギガワットの電力を地球に送電することが効率的に、そして人間ではなくても鳥を飛ばすことなく実行できるかどうかなど、無数の疑問が残っている。 しかし、このアイデアはコンセプトペーパーから地上や宇宙でのテストの増加へと移行しつつあります。 ミュンヘンのデモを後援した欧州宇宙機関（ESA）は来月、計画の実現可能性を評価するための地上実験プログラムを加盟国に提案する予定だ。 英国政府は今年、技術のテストに最大600万ポンドの助成金を提供した。 中国、日本、韓国、米国の政府機関はいずれも小規模な取り組みを進めている。 NASAが今後数週間以内に発表する予定の評価書の著者であるNASA政策アナリストのニコライ・ジョセフ氏は、「会話全体のトーンと趣旨が変わった」と語る。 エアロスペース・コーポレーションの宇宙政策アナリスト、カレン・ジョーンズ氏は、かつては不可能に思えたことも、今では「すべてをまとめて機能させる」ことができるかもしれないと語る。

NASA が初めて宇宙太陽光発電の概念を調査したのは、1970 年代半ばの燃料危機でした。 しかし、70年代の技術をスペースシャトルに搭載し、宇宙飛行士が組み立てた宇宙デモンストレーションミッションの提案には、約1兆ドルの費用がかかるだろう。 マンキンズ氏によれば、このアイデアは棚上げされ、今でも政府機関の多くの人にとってタブーな話題となっているという。

今日、宇宙技術と太陽光発電技術は両方とも認識を超えて変化しています。 ジョーンズ氏によると、太陽光発電 (PV) 太陽電池の効率は過去 10 年間で 25% 向上したが、コストは大幅に低下したという。 マイクロ波の送信機と受信機は、通信業界でよく開発されたテクノロジーです。 軌道上の衛星の修理や燃料補給のために開発されているロボットは、巨大な太陽電池アレイの構築に転用される可能性がある。

しかし、このアイデアを最も後押ししたのは打ち上げコストの低下だ。 一般的な原子力発電所や石炭火力発電所を置き換えるのに十分な大きさの太陽光発電衛星は、直径が数キロメートルにもなり、数百回の打ち上げが必要となる。 「軌道上に大規模な建設現場が必要になるだろう」とESAの宇宙科学者サンジェイ・ビジェンドラン氏は言う。

民間宇宙会社スペースXは、この概念をそれほど突飛なものではないと考えている。 スペースX社のファルコン9ロケットは1キログラム当たり約2600ドルで貨物を打ち上げるが、これはスペースシャトルの費用の5％未満であるが、同社は今年初打ち上げ予定の巨大なスターシップでは1キログラム当たりわずか10ドルの料金を約束している。 「方程式が変わりつつあります」とジョーンズ氏は言う。 「経済がすべてだ」

同様に、大量生産により宇宙用ハードウェアのコストが削減されます。 衛星は通常、高価なスペース定格コンポーネントを使用して構築される 1 回限りのものです。 たとえば、NASA の火星探査車「パーサヴィアランス」の費用は 1 キログラムあたり 200 万ドルです。 対照的に、スペースXはスターリンク通信衛星を1キログラム当たり1000ドル未満で量産できる。 このアプローチは、膨大な数の同一の低コスト部品で構成される巨大宇宙構造物にも有効である可能性があると、現在コンサルティング会社アルテミス・イノベーション・マネジメント・ソリューションズに所属するマンキンス氏は長年主張してきた。 低コストの打ち上げとこの「ハイパーモジュール化」を組み合わせると、「宇宙太陽光発電の経済性が突然明らかになる」と同氏は言う。

エンジニアリングが改善されれば、経済性がさらに有利になる可能性があります。 コステ氏は、ミュンヘンでのエアバスのデモでは、太陽エネルギーの入力と電力の出力を比較し、全体の効率が5％だったと述べた。 地上設置型太陽電池アレイはより良い性能を発揮しますが、それは太陽が輝いている場合に限られます。 最近の研究では、宇宙太陽光発電が20％の効率を達成できれば、価格面で既存のエネルギー源と競合できる可能性があるとしている。

コンポーネントの軽量化により、コスト計算も改善されます。 「サンドイッチパネル」は、片面に太陽電池、中央に電子機器、もう片面にマイクロ波送信機を備えたピザ箱サイズのデバイスで、役立つ可能性がある。 これらを何千ものものをタイル張りの床のように組み合わせると、電力を伝達するための大量の重いケーブルを必要とせずに宇宙太陽衛星の基礎が形成されます。 研究者らは何年にもわたって地上でプロトタイプの試験を行ってきたが、2020年に米国海軍研究所（NRL）のチームが空軍の実験用宇宙飛行機「X-37B」に試作機を搭載した。

「それはまだ軌道上にあり、常にデータを生成しています」とNRLのプロジェクトリーダー、ポール・ジャッフェ氏は言う。 このパネルは太陽光エネルギーをマイクロ波に変換する効率が 8% ですが、地球には送信しません。 しかし来年、空軍はエネルギーを放射するサンドイッチパネルの試験を計画している。 そしてカリフォルニア工科大学のチームは、SpaceXと共同で12月にプロトタイプパネルを打ち上げる予定だ。

サンドイッチ パネルの欠点は、マイクロ波側が常に地球の方向を向く必要があるため、衛星が周回する際に PV 側が太陽から背を向けることがあるということです。 24 時間電力を維持するには、衛星はその面を照らし続けるためのミラーが必要ですが、ミラーは PV に光を集中させることもできるという追加の利点があります。 マンキンスによる 2012 年の NASA の研究では、個別に操作可能な数千の薄膜ミラーを備えたボウル型の構造が光を PV アレイに向ける設計が提案されました。

英国の International Electric Company の Ian Cash は、別のアプローチを開発しました。 彼が提案した衛星は、PV とマイクロ波アレイに光を偏向するように角度を付けた大型の固定ミラーを使用し、構造全体が回転してミラーを太陽に向けた状態を維持します (上の図を参照)。 太陽電池からの電力はマイクロ波に変換され、10億個の小さな垂直アンテナに供給されます。これらのアンテナは共に「フェーズド アレイ」として機能し、衛星の向きに関係なくビームを電子的に地球に向けて誘導します。 キャッシュ氏によると、この設計はその質量に対して最大の電力を供給し、「経済的に最も競争力のある」ものになるという。

宇宙ベースの発電所が飛行する場合、生成された電力は効率的かつ安全に地上に到達する必要があります。 最近の地上テストでは、NRLのジャッフェ氏のチームは1キロメートルにわたって1.6キロワットのビームを照射し、日本、中国、韓国のチームも同様の取り組みを行っている。 しかし、現在の送信機と受信機は入力電力の半分を失います。 宇宙太陽光発電の場合、電力ビームの効率は 75% 必要であり、「理想的には 90%」であると Vijendran 氏は言います。

大気中をギガワット単位でビームする場合の安全性もテストする必要があります。 ほとんどの設計は、数キロメートルの幅のビームを生成し、そこに迷い込んだ宇宙船、飛行機、人、鳥が、2 ギガワットの伝送のうちごくわずかな (願わくば無害な) 部分だけを受信できるようにすることを目的としています。 受信アンテナは安価に建設できるが、「多くの土地が必要だ」とジョーンズ氏は言う。ただし、受信アンテナの下で作物を育てたり、沖合に設置したりすることもできるという。

今のところ、公的機関が宇宙太陽光発電に最も真剣に取り組んでいるのはヨーロッパだ。 「そこには米国では見られないこだわりがある」とジョーンズ氏は言う。 昨年、ESAは宇宙太陽光発電の2件の費用便益調査を委託した。 ビジェンドラン氏は、おそらくコスト面で地上の再生可能エネルギーに匹敵する可能性があると結論付けたと述べている。 しかし、たとえ原子力発電に匹敵するほど高価であっても、従来の太陽光発電や風力発電とは異なり、24時間利用可能であるため、競争力が高まるだろう。

ESAは11月に加盟国に対し、技術的なハードルを克服できるかどうかの評価に資金を提供するよう要請する予定だ。 ニュースが良ければ、ESAは2025年に全力で取り組む計画を立てる予定だ。150億ユーロから200億ユーロを武器に、ESAは2030年までにメガワット規模の実証施設を軌道に乗せ、ギガワットに相当する規模までスケールアップできるだろう。ビジェンドラン氏は、2040 年までに従来の発電所を廃止すると言います。 「まるで月光のようだ。」