科学者が宇宙からの太陽光発電の利用に近づく

5月22日の夜、研究者と学生のグループがカリフォルニア工科大学電気工学部の屋上のコンピューターモニターの周りに集まった。 モニターは、宇宙の衛星から受信したマイクロ波放射を検出するように設計された機器に接続されていました。 そして、彼らの上空約300マイル、夜の厚い雲のはるか上空で、宇宙で太陽エネルギーを集めて地球に投射するために彼らが開発した技術のテストベッドとして装備されたその衛星が頭上を通過しようとしていました。

研究者たちはあまり期待していませんでした。 彼らはすでに3月に主な目的を達成していた。つまり、マイクロ波放射を使って数インチの隙間に電力を投射し、宇宙船に搭載された一対のLEDを点灯させて、ある日太陽光発電を停止させるために不可欠な電力伝送システムをテストするというものだった。地球にとっては、宇宙の過酷な環境にも耐えられるでしょう。 最初の試みで、測定可能な微量の電力を地球に降下させることができるかどうかについては、多くの不確実性がありました。 それでも、衛星が頭上を通過する時間が近づくにつれて、彼らは静かになっていきました。 午後9時57分、モニターは、受信機が拾った背景放射線が何か別のもの、つまり衛星によって投影されていたものと一致する電気信号に合体していることを示し始めた。 彼らは、新しい電力伝送システムが地球に向けているマイクロ波エネルギーの検出に成功しました。 「理解するまでに少し時間がかかりました」とカリフォルニア工科大学の電気工学教授アリ・ハジミリは言う。 「そしたらみんなすごく興奮したんです。」

ハジミリ氏は、地球を周回する巨大衛星に太陽のエネルギーを集めて送電網に電力を供給する技術を開発するという、カリフォルニア工科大学の研究者らによる大規模な取り組みの一部を主導している。 これは大胆なコンセプトであり、このような軌道上太陽光発電所が建設されれば、世界を変えるほどのメリットがもたらされます。 地球上のソーラーパネルは日中のみ動作し、曇りの日や太陽が低い夕方や早朝にはあまり電力を生成しません。 しかし、軌道上では、そのようなパネルはゼロエミッションの電力を一定の流れで生成します。 「宇宙では、晴れた日はいつも正午です」とハジミリは言います。

これは、何十年にもわたって作家や未来学者の想像力を魅了してきたアイデアです。このコンセプトについて初めて出版された言及は、おそらく 1941 年の『わたしはロボット』の作家アイザック・アシモフによる短編小説の中で行われたと考えられます。 しかし、通信衛星、月面着陸、火星探査などが現実になっても、太陽光発電所は依然としてSFの世界にとどまっていた。 このようなシステムに必要な多くのコンポーネントは長年にわたって開発されましたが、理論上の発電所を地上に打ち上げる物理的な問題はさらに困難でした。有用な量の電気を生成できるシステムは、軌道に乗せるには重すぎます。 。

しかし、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の研究者らは、新たな技術開発、特にかさばるアンテナに代わる超軽量で柔軟なソーラーパネルと軽量エネルギー伝達システムの可能性が、このアイデアを現実の領域にもたらしたと述べている。 1月に発売されたカリフォルニア工科大学の宇宙太陽光発電デモンストレーターには、宇宙太陽光発電所に最適に機能するものをテストするためのさまざまな種類の先進的なソーラーパネルと、6×6の空間に展開するように設計されたテストシステムが含まれています。フィートハジミリのエネルギー伝達システムと並行してソーラーパネルを保持するために使用できる構造。

太陽光発電所に興味を持っている組織はカリフォルニア工科大学だけではありません。 中国政府は、地球低軌道でこの技術を実証する2028年のミッションを計画している。 そして昨年11月、欧州宇宙機関（ESA）と航空宇宙会社エアバスの共同プロジェクトで、欧州上空の静止軌道上に巨大な太陽光発電所を建設する可能性を検討するEUの科学大臣らは、ソラリスに青信号を灯した。 （意図的か否かにかかわらず、このプロジェクトはスタニスワフ・レムの 1961 年の古典小説のタイトルを共有しており、世紀半ばの SF の世界とのつながりは残っています。）

カリフォルニア工科大学の宇宙太陽光発電デモンストレーターは、実際にはプロトタイプの発電所ではありません。 むしろ、これは、最終的に 1 つのシステムに統合されるコンポーネントをテストするための 3 つの別々の実験を集めたものです。 実験のうち 2 つ、自己集合システムと太陽光発電試験はまだ結果が出ていません。 エネルギー伝達コンポーネントは、数インチの距離に電気を送るのに機能しました。 地球に向けられた場合、予想どおり、出力の大部分が非常に広い範囲に広がり、受信機に到達できるのはエネルギーのごくわずかな部分だけです（より大きなシステムであれば、より小さな領域にエネルギーを集中させることができます）。 基本的な意味では、このシステムの動作方法は、受信機で電気エネルギーに変換されるマイクロ波放射を投射することで衛星が地球と通信する一般的な方法と何ら変わりません。 しかし、Hajimiri のシステムは、地球上の小型受信機に大量の電力を集中させるためにスケールアップできるというコンセプトに基づいて、異なる設計になっています。 より多くの資金と研究があれば、このプロジェクトに取り組んでいるエンジニアたちは、この技術が数十年以内に商業化に達する可能性があると楽観的に見ています。 約5年以内に、ラップトップを充電するのに十分な太陽エネルギーを宇宙から転送できるシステムを構築できるかもしれないと彼らは考えている。 そこからさらに規模を拡大して、本格的な商用発電所を建設する必要があります。

「私たちは現在、大学の研究室で物を作っているので、必然的に規模が小さくなります」と宇宙太陽光発電プロジェクトに取り組むカリフォルニア工科大学の航空宇宙・土木工学教授セルジオ・ペレグリノ氏は言う。 「このインフラは非常に大規模になるため、工業生産施設への移行が次のステップの鍵となります。

「適切な金額があれば、数年かかります」と彼は付け加えた。 「そんなに何年もかかりませんよ。」

カリフォルニア工科大学の研究者たちは、ある男の関心のおかげで、中国政府やESAと同じ仲間になるようになった。 2011年、カリフォルニア州の不動産王で億万長者のドナルド・ブレン氏（91歳）は、カリフォルニア工科大学理事会の終身メンバーであり、宇宙利用の太陽光発電に関するポピュラー・サイエンスの記事を読んだ。 このテクノロジーの可能性に興味をそそられた彼は、このアイデアを追求するためにカリフォルニア工科大学のプログラムに資金を提供し始め、最終的には 1 億ドル以上を寄付しました。

カリフォルニア工科大学の教授3名が参加しました。 ペレグリーノは、軽量で自己組織化する構造体、つまりロケットの小さなスペースに収まりながら、軌道上で展開して太陽光線を吸収できる構造体を研究しました。 応用物理学および材料科学の教授であるハリー・アトウォーター氏は、発電所に最適なソーラーパネルを見つけることを検討しました。 衛星に搭載された従来の太陽電池アレイは、基礎となるシステムを保護するためにガラスを使用していましたが、そのような解決策は太陽光発電所にとっては重すぎます。 「私たちは、物を本質的に放射線に対して耐性のあるものにする方法を研究してきました。そうすれば、そのガラス片を取り除くことができるでしょう」とアトウォーター氏は言う。

一方、ハジミリ氏は、エネルギー伝達を調査するプロジェクトの部分を率いていた。 彼はビデオ チャットを通じて、グリッド パターンで覆われた柔軟なシートというソリューションを示しました。 単一の巨大なアンテナをターゲットに向けるのではなく、ハジミリのグリッド システム上の各点が少量のマイクロ波放射を放射します。 コンピューターは重なり合う放射線の周波数を細かく調整し、池の中で重なり合う波紋のような、建設的干渉と破壊的干渉を利用した一種のレンズ効果を生み出し、エネルギーを特定の点に集中させます。 「あなたは巨大な象から、これらの個々の送信機のアリの軍隊になったのです」とハジミリは言う。

このような技術を使用した発電所は、地球上の任意の地点に電力を送り、ほぼ瞬時に送電場所を切り替えたり、一度に複数の場所にエネルギーを送り込んだりすることさえできる。 これにより、電力を最も必要とする世界中の場所に簡単に電力を送ったり、自然災害後に特定の場所に電力を送ったりする可能性が開かれます。 最初の対応者がしなければならないことは、曇りの日や夜間であっても、安定した電力供給を受けるために地上で受信機を展開することだけです。

先週月曜日の実験の新たな結果は、この技術が実際に宇宙からも機能する可能性があることを証明した。 次のステップは、次世代の送電システムを改善するために小さな異常を解決することであり、このプロセスには数か月かかる場合があります。 次に、すべての実験コンポーネントをより大きなシステムに統合する作業に移ります。 「宇宙太陽光による大規模なワイヤレスエネルギー伝送にはまだ克服すべきハードルがありますが、これにより私たちはさらに近づくことができます。」とハジミリ氏は言う。

訂正、6月1日

この物語の元のバージョンでは、カリフォルニア工科大学の教授の名前が誤って記載されていました。 彼はヘンリー・アトウォーターではなく、ハリー・アトウォーターです。

書き込み先アレハンドロ・デ・ラ・ガルサ（[email protected]）。