宇宙太陽光発電

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宇宙太陽光発電衛星の想像図

宇宙太陽光発電(うちゅうたいようこうはつでん)とは、宇宙空間上で太陽光発電を行い、その電力を地上に送る発電方法である。これを利用した発電システムは宇宙太陽光発電システム(Space Solar Power System)と呼ばれ、SSPSと表記される。一般に知られている「マイクロ波発電」はこの発電方法の一種で、伝送手段としてマイクロ波を用いているものの総称である。

概要[編集]

太陽光は地表に届くまでに、大気吸収などにより減衰する。またそれは、天候により変化する。大気圏外で発電し、大気の透過率の高い波長電磁波変換して地上へ届けた方が、損失が少なく効率が良くなり、安定する。また、軌道によっては日没の影響も減らすことができるため、約10倍程度宇宙の方が有利であるとされている。

宇宙太陽光発電は、宇宙空間にある発電衛星と地上の受信によって行う。地球衛星軌道上に設置した施設で太陽光発電を行い、その電力をマイクロ波またはレーザー光に変換して地上の受信局(構想では砂漠または海上に設置する)に送り、地上で再び電力に変換するという構想になっている。発電衛星と送電を中継する送電衛星を利用すれば夜間でも安定的に地上への電力供給が期待でき、無尽蔵の電力をほぼ24時間365日にわたって利用できる。この特徴から原子力発電同様にベース電力としての利用が可能である。なお、太陽電池による発電のかわりに、太陽熱を利用した汽力発電を利用することもでき、この場合は宇宙太陽熱発電と呼ばれる。また、発電施設の設置場所を軌道上ではなく、月面に固定することも可能である[1]

1968年に初めて提唱されて以降、新エネルギー源として開発が行われており、オイルショック以降は各国で研究が大きく進んだ。しかし、非常に大型のプロジェクトであり、必要となる資金も莫大であったため開発をとめる国が多かった。日本は自国で算出するエネルギーが乏しいということもあり、1990年代から研究が盛んになり、マイクロ波送電、ビーム送電など必要となる基礎技術が開発されており、現在では機材の耐久力などを考えなければ発電したエネルギーを地上に送ることは原理的に不可能ではなくなっている[2]

しかしながら、打ち上げコストの問題や材料劣化対策、維持の問題などの技術的課題も多く存在する。過去の日本の計画では100キロワット級の実験的な衛星を2010年頃に打ち上げる予定であったが[3] 、現在でも打ち上げられていない。また、現状では実証機も打ち上げ計画に入っていない。JAXAは研究を継続して行うことで2020年から2030年をめどに商用化を可能にすることを目標にしている[4]

理論[編集]

1976年の発電衛星構想図 (NASA)

地上での太陽光発電においては、天候や昼夜が大きく影響しており、空気中の粒子の量によっては太陽光は大きく減衰する。また、空気自身太陽光を遮断する役割を果たしており、電気の供給は不安定であり、且つ発生する電気の質も大きく変わる。一方、宇宙空間においては太陽光は常に一定量が期待され、さらには大気の影響もない。衛星自身の軌道によっては太陽光を常に浴びて発電することができる。これらのことから提唱されたのが宇宙太陽光発電である。

宇宙空間から、電力を送り込むのには電線を利用することは不可能であるため、無線状態で送る必要がある。このために、エネルギーをマイクロ波やレーザーといった形式に変換し、これを地上の大型のアンテナなどの受電施設に送り、送られてきたマイクロ波やレーザーを地上で再度電気に変換する必要性がある。ビームが外れた場合にも影響が出ないように、また地上の生物や生態系に影響を与えないためにこれらのレーザーやマイクロ波は環境や人体に影響がなく、且つ大気中で減衰を起こさない透過率の高い状態での送信が必要である。ほかにも宇宙から地上のアンテナへ向けて送信するためにその命中精度、太陽光を効率的に集めるための姿勢制御なども必要となっている。特に受電施設を小さく保つためには命中精度が必要である。

その他、太陽光パネルの重さから、パネルに光を反射する鏡面の材料などの開発や、集めた太陽光を直接レーザーに変換する機構も開発がすすんでいる。宇宙空間での組み立てや故障修理は宇宙線の問題などから人間が行うのが難しいため、組み立てを行い故障を修理するためのロボットなどの開発も行われている。また、大型の宇宙設備を作るための輸送システムの構築も不可欠である[5]

歴史[編集]

1968年アメリカピーター・グレイザー博士により初めて提唱された。その後、オイルショックをきっかけとして19771980年NASA(米国航空宇宙局)とDoE(米国エネルギー省)が構想検討した。この検討においては、アメリカ合衆国全土の全電力を賄うため、発電性能500万kW(原子力発電5機分)、総重量約5万tの超巨大衛星を静止軌道上に年に2機ずつ、合わせて60機程を打ち上げることが計画された。しかし、この研究は技術的に欠落した箇所がないとされながらも、財政の緊縮方針により凍結されることとなった。

1990年代後半に検討された発電衛星(サンタワー)構想図 (NASA)

1990年代に入ると日本における研究活動が活発化し始め、旧宇宙科学研究所(現宇宙航空研究開発機構)を中心とした大学および国立研究所の研究者が、1万kW規模の発電をする宇宙太陽光発電「SPS2000」の概念設計を行い、基本的な技術の研究が進んだ。同じ頃に旧通商産業省工業技術院のニューサンシャイン計画の一環として、100万kW規模(原子力発電1機分)の発電ができる宇宙太陽光発電の構想検討を行った。また1992年MILAX飛行機によるマイクロ波送電の試験もあった。これは、飛行機の飛行に必要な電力をマイクロ波により供給する、という試験である。翌1993年にMILAX試験で開発した技術を用いて、宇宙空間でマイクロ波電力伝達するISY-METSロケット試験を実施した。また、軽量で頑丈な太陽光電池の開発が行われている[6]

1990年代後半にアメリカでの活動が再開し、「Fresh Look」と言う検討を行った。その結果「宇宙太陽光発電は最新の技術をもってすれば実現可能であり、既存の発電システムと同じくらいの発電単価を実現できる」とする報告を受け、アメリカ合衆国の議会はNASAに対して数十億円程度の予算を付け、研究開発を開始した。2004年1月14日ブッシュ大統領が演説・発表した新宇宙計画においても、有人火星探査に関する研究の一環として宇宙太陽光発電の研究開発を取り上げている。

日本においては、1998年から旧宇宙開発事業団(現JAXA)が調査・研究を進めている。また、経済産業省でも2000年度より検討を開始した[7]。政治サイドの取組みとしても、開発を推進するための「宇宙エネルギー利用(宇宙太陽光発電)推進議員連盟」を2003年2月27日に結成した。一方でSPS2000計画は達成することができなかった。社会的ニーズが進捗しても技術的な進捗はそれに答える速度で進歩しないとしている[8]2011年からは京都大学を中心とした共同研究機関が実験施設を設置して実証化実験を本格開始している[9]

欧州では1999年よりInvesting in Spaceプログラムの一環として、宇宙太陽光発電に関する研究を進めている[10]

要素技術[編集]

マイクロ波およびレーザー送信技術[編集]

マイクロ波およびレーザー照射の正確性、環境負荷、生物や航空機への影響

太陽光発電パネル[編集]

宇宙空間での耐久性の必要性、軽量化の必要性

宇宙空間での大規模構造組み立て、修理技術[編集]

ロボット利用による大規模構造の組み立て、人間のいない場所での細かな作業の確立

宇宙輸送[編集]

輸送コスト削減、新型輸送システムの開発

長所と短所[編集]

長所[編集]

  • 従来の発電方法に比べて発電量が多い。
  • 環境汚染を引き起こさない。
  • 資源の枯渇の心配が無い。
  • 地上の受電設備をレクテナ(マイクロ波を直流電流に変換するアンテナのこと)にすることで、地上に照射されるエネルギー密度を、自然物に影響のないレベルに下げられる。広大な面積を必要とするが、レクテナの下は居住区や農地に利用できる。地表面で、生体への影響を考慮する必要がない程度のエネルギー密度、10W/m²程度を想定している。この場合、10km四方の受電設備で、原子力発電1機分にあたる1GW(100万キロワット)の電力を受け取れる。

短所[編集]

  • 太陽電池を用いる場合、面積が巨大になり宇宙塵スペースデブリなどへの対処が難しい。
  • 宇宙での大型構造物であるため、故障した場合の修理が非常に難しい。
  • 宇宙空間であるため、宇宙線による被曝を考えれば作業員による建造や修理は難しい。
  • 衛星軌道上に設置した場合、ソーラーセイルと同様に太陽光圧の影響が大きく、頻繁に軌道修正が必要。定期的に推進剤を補充する必要がある。
  • 地球の影に入った場合に発電できない。
  • 周波数によっては漏洩電波、高調波により衛星、その他無線通信への影響がある。
  • 他自然エネルギーに比して安定したエネルギー供給が可能になるものの、初期投資が非常に高額になる。
  • 受信設備以外の地点にエネルギーを照射することによる軍事転用や「誤射」のリスクが伴う。

各国の計画[編集]

米国[編集]

国防総省は2007年10月10日、宇宙太陽光発電所の開発計画案(Phase 0 Architecture Feasibility Study)を公表した[11]

また、SolarEn社は宇宙太陽光発電用衛星からの電磁ビーム照射で熱帯低気圧の渦の温度を上げることで勢力を弱める技術の特許申請を行っている。

日本[編集]

宇宙航空研究開発機構の総合技術研究本部の研究チームは、2020~2030年の間の実用化を目指している。100万kW級(現行の原子力発電所で、商用炉1基相当)の実用システムを実用化するために、マイクロ波による電力送電方式の部分試作実験、太陽光を直接レーザーに変換する研究とNASAリファレンスシステムに代わる方式の検討などを積極的に行っている。

2007年JAXAが研究委託していたレーザー技術総合研究所大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの研究グループが、太陽光をレーザーに効率よく変換する技術の開発に成功している。開発されたのは神島化学工業製のセラミック増幅器で、レーザーへの変換効率は42%になった[12][13]

2009年経済産業省とJAXAが、マイクロ波による長距離送電技術の開発・実験に着手すると発表。政府は新しいエネルギー源として2030年の商用化を目指している[14]きぼうや小型衛星を利用した軌道上での実証も考えられており[15]、以前からその近傍での自動組み立て実験が考えられている[16]

2011年1月、三菱電機京都大学宇宙航空研究開発機構などが、電力をマイクロ波に変換する技術の共同実証実験を同年春から開始すると発表した。実際に宇宙で行うのではなく、宇宙空間に条件を似せた空間においてマイクロ波を約10m伝送させ、その伝送効率や条件などを研究する。研究が実証されれば2025年以降の宇宙太陽光発電実用化に一歩近づく[17]。課題としてあげられているのは、発電コストを下げるためには相応の輸送費の削減が必要なことである。発電コスト8円/kwhを達成するためには輸送費を今の50分の1にまで下げる必要があるとしている[18]。京都大学は、2010年秋に宇治キャンパス内に新設した世界最大のエネルギー伝送実験施設で、4月以降、本格的なマイクロ波伝送実験を開始した。「フェーズドアレー」と呼ばれる世界最先端のマイクロ波エネルギー出力機器などを備え、将来的には人工衛星による実証実験を行いたいとしているが、電気とマイクロ波を相互変換させる際の変換効率を改善することが当面の課題だとしている[9]

欧州[編集]

欧州でも宇宙エネルギー利用関連の研究が進んでいる[10]。2003年には2年間3フェーズの総合研究プログラムに採用された[19]

脚注[編集]

  1. ^ URSI SSP添付書類”. URSI. 2011年7月19日閲覧。
  2. ^ 宇宙での太陽光発電実用化に向けて”. JAXA. 2011年7月19日閲覧。
  3. ^ 三原荘一郎、斉藤孝、小林祐太郎、金井宏. “最近のSSPSに関するUSFEの取り組み”. 無人宇宙実験システム研究開発機構. 2011年7月19日閲覧。
  4. ^ 太陽エネルギー利用のための共通技術”. JAXA. 2011年7月19日閲覧。
  5. ^ 福室康行 宇宙での太陽光発電、実用化に向けて2”. JAXA. 2011年7月19日閲覧。
  6. ^ 後川昭雄 (2001年3月). “SPS2000の発電技術総論”. 宇宙科学研究所報告. ISAS. 2011年7月20日閲覧。
  7. ^ “Japan's plans for a Solar Power Station in Space”. フランス通信社. (2001年1月31日). http://www.spacedaily.com/news/ssp-01a.html 2011年7月20日閲覧。 
  8. ^ 國中均 (2001年3月). “SPSの研究開発シナリオとMDS-3による宇宙実証計画”. 宇宙科学研究所報告. ISAS. 2011年7月20日閲覧。
  9. ^ a b “宇宙で発電し地上に 京大、伝送実験施設を公開”. 京都新聞. (2011年9月30日). http://www.kyoto-np.co.jp/education/article/20110929000020 2011年11月3日閲覧。 
  10. ^ a b SSPS研究の歴史”. 研究開発本部. JAXA (2011年1月22日). 2011年7月20日閲覧。
  11. ^ Space‐Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security”. アメリカ国防総省 (2007年10月10日). 2011年7月20日閲覧。
  12. ^ “宇宙の太陽光をレーザー光に変換、地上へ 阪大など開発”. 朝日新聞. (2007年9月4日). http://megalodon.jp/?url=http://www.asahi.com/kansai/news/OSK200709040017.html&date=20070904170353 2011年7月20日閲覧。 
  13. ^ “朝刊3面”. 毎日新聞. (2007年9月4日) 
  14. ^ “朝刊”. 日本経済新聞. (2009年6月28日) 
  15. ^ 上野浩史松枝達夫 (2010年4月). “「きぼう」を利用したSSPS技術実証実験の構想”. 電子情報通信学会. 2011年7月20日閲覧。
  16. ^ 松本紘 (2002年2月). “宇宙開発委員会(NASDA)の委員会活動について”. 電子情報通信学会. 2011年7月20日閲覧。
  17. ^ “宇宙太陽光発電、実証実験へ…電力を電波に変換”. 読売新聞. (2011年1月22日). http://www.yomiuri.co.jp/science/news/20110122-OYT1T00460.htm 2011年7月20日閲覧。 
  18. ^ 探査/科学/技術/有人について”. 宇宙開発戦略本部事務局 (2011年5月30日). 2011年7月20日閲覧。
  19. ^ 長山博幸 (2011年1月22日). “第8章 宇宙太陽光利用システムの研究開発動向”. 宇宙環境利用研究開発機構. 2011年7月20日閲覧。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]