エネルギー
太陽光技術の進歩が宇宙ベースのソリューションを実現可能にする
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かなり前から、宇宙ベースの太陽光発電を捕捉・利用する方法に関する広範な研究が進められています。科学者や技術専門家は、宇宙ベースの太陽光発電が利用可能な持続可能エネルギー源の有効な追加となり得ると考えています。
機能的には、軌道上にエネルギー収集・収穫パネルを設置し、太陽エネルギーを地球上に配置された受信装置へビームで送信します。宇宙、地球、そして両者間の伝送経路が関わるため、洗練された技術ソリューションが必要です。
有望なことに、世界中で達成された太陽光技術の進歩により、宇宙ベースの太陽光発電の実現が可能になっています。しかし、詳しく掘り下げる前に、宇宙ベースの太陽光発電ソリューションが何を意味し、どのような利点があるかを簡単に見てみましょう。
宇宙ベースの太陽光発電とその利点
米国エネルギー省が提示したデータによれば、地球上の1時間で受け取る太陽エネルギーは、1年分の使用量を上回ります。このエネルギーの約30％が大気によって宇宙へ戻され、未利用のままです。堅牢な宇宙ベースの太陽光発電メカニズムを導入すれば、このエネルギーを効率的に捕捉・利用できるでしょう。
このシステムでは、衛星上の太陽光パネルが地上のパネルよりも多くのエネルギーを捕捉し、送信できます。宇宙にあることによる利点があるため、性能が向上します。米国エネルギー省の説明によれば、これらは：
「太陽光パネルを装備し、エネルギーを送信する衛星は、高強度で途切れない太陽放射を収集します。」
供給が途切れないのは、宇宙には雲も夜も存在しないためです。
この技術は、巨大なミラーを展開して大量の太陽光を小型の太陽光集光器に反射させ、無線で地球へマイクロ波またはレーザービームとして安全かつ制御された方法で送信することを含みます。
このプロセスは高度な技術を要するため、世界中から革新的なソリューションが集まります。NASAは現在、Space-Based Solar Powerに関する報告書を公開し、この研究分野の支援に必要な情報を整えました。
この報告書は、宇宙ベースの太陽光発電を競争力のある選択肢にする上で重要な役割を果たすパラメータを評価しようとしています。その最終目標は、ネットゼロ温室効果ガス排出を達成することです。
NASAが研究者や技術者に対して特定した技術的ボトルネックは以下の通りです：
- 大規模システムを軌道上で組み立て、維持する方法を見つける必要があります。
- これらのシステムが自律的に稼働し、収穫したエネルギーを効率的に地球へ送信できるようにする研究が必要です。
- NASAの報告書は、宇宙ベースの太陽光発電システムを実用化する前に、打ち上げおよび構築コストに取り組むことが重要であると指摘しています。これは、すべての資材を宇宙へ送るために、インフラを軌道に運ぶ継続的なミッションが多数必要になるためです。
NASAの報告書は、宇宙ベースの太陽光発電システムが2050年までに完全に生産的かつ稼働可能になると考えています。報告書を通じて、この分野での画期的な進展が明らかになりました。例えば、JAXAの科学者が、マイクロ波としてエネルギーを正確に無線送信し、遠距離で利用可能な電力に変換できることを実証したことが挙げられます。
この成果を受けて、カリフォルニア工科大学（Caltech）の科学者は2023年3月に、宇宙で収集した太陽エネルギーを地球へ無線送信する初の宇宙太陽光発電デモンストレーター（SSPD-1）を開発しました。
NASAは宇宙ベースの太陽光発電の経済的実現可能性についていくつかの推定を提示しています。この分野に長年関わってきた専門家の中には、その推定に異議を唱える者もいます。しかし、この発電システムがもたらす利益を否定する声はほとんどありません。災害救援、遠隔センサーへの電力供給、従来のエネルギー生産システムとサプライチェーンのボトルネック解消に役立つ可能性があります。
その利点を踏まえ、先進国の政府は投資を開始しています。資金力のある大企業、例えばAirbusやNorthrop Grummanも、絶え間なく取り組んでいます。
次に、これら企業のセグメント別の成果を見ていきます。ただし、これは進化中の領域であり、多くの取り組みはまだ試作段階であることを念頭に置く必要があります。
#1. エアバス パワービーミング
宇宙ベースのソリューションを実現するために太陽光技術の進歩に取り組んでいる主要企業の一つがエアバスです。そのパワービーミング技術は、同社の中央研究・技術部門とBlue Sky部門によって開発され、宇宙ベースの太陽光技術分野におけるゲームチェンジャーとなり得る実証を行っています。
パワービーミングの開発を担当しているジャン＝ドミニク・コステ氏（Yoann Thueux氏らと共に）によれば：
「この技術の可能性は、太陽光を捕捉し、無線でビーム送信することです。」
これらの科学者は、このエネルギーソリューションが都市、工場、家庭、航空機に十分な電力を供給できると考えています。
エアバスの技術開発者は、2022年9月27日に同社のX-Worksイノベーションファクトリーでパワービーミングの実証を初めて行いました。規模は小さかったものの、パワービーミングを実現するために必要な要素を十分に説明できました。
コステ氏、Thueux氏らは、マイクロ波ビームを用いて「宇宙」と「地球」を表す2点間で緑色エネルギーを送信しました。この2点間の距離は36メートルでした。また、実証ではモデル都市に電力を供給するためのグリーン水素も生成しました。
実証が終了した後、Yoann Thueux氏は次のように述べました：
「今回、初めて小規模で将来の宇宙ベース太陽光発電システムの重要な要素を成功裏にテストできたので、パワービーミングを次の段階へ進める準備が整いました。」
エアバスはこの技術が間もなく実現すると見込んでおり、2030年代初頭までに最初の稼働型パワービーミングプロトタイプが利用可能になると考えています。
最終的な応用形態では、地球静止軌道（約36,000km上）に太陽光パネルが配置され、地上にも同サイズの太陽光パネルが設置されます。
宇宙で収集された電力は、多数のアンテナが配置されたエリアにビームで送信されます。これらのアンテナがビームを受信し、エネルギーを再構成して電力を生成します。
このシステムが特定の規模に達すれば、エネルギー生産コストは、原子力、石油、その他再生可能エネルギーに依存する大規模エネルギープロジェクトと同等になります。推定では、1つの地球静止太陽光農場は最大で2ギガワットの電力を生成できるとされています。 2024年2月15日、エアバスは2023年度通期決算を発表し、売上高655億ユーロ、調整後EBITは58億ユーロとなりました。
#2. ノースロップ・グラマン
宇宙太陽光技術の能力を検証するための必要なテストを完了したもう一つの主要なグローバル企業はノースロップ・グラマンです。同社は、ビームをさまざまなアンテナに向けて指向させることで無線周波数エネルギーを送信できることを成功裏に実証しました。2025年までにプロトタイプを完成させる自信があります。
このプロトタイプは、同社が地球へRFエネルギーをビーム送信できる能力を示すものです。この技術は、Northrop GrummanのSpace Solar Power Incremental Demonstrations and Research（SSPIDR）によって開発されています。
SSPIDRのプログラムディレクターであるタラ・セレト氏によれば：
「現在は、ハードウェアの残りを構築、テスト、統合するだけで、厳しいスケジュールです。」
このプロセスで今後行うべき作業には、電子部品の小型化と「サンドイッチタイル」の数を拡大することが含まれます。サンドイッチタイルとは、太陽エネルギーを収集し、次の層へ電力を伝達する光伏セルパネルで、太陽光からRFへの変換を可能にし、ビーム形成を助ける部品が組み込まれています。
同社は、システムを組み立てて自社のESPAStarプラットフォームで打ち上げるために必要なフライトハードウェアも製造しています。ESPAStarプラットフォームは、ペイロードに推進、電力、姿勢制御、通信を提供する衛星バスです。
米空軍研究所は、2018年に1億米ドルの契約でノースロップ・グラマンの取り組みを後押しし、プロトタイプ宇宙太陽光発電システムの主要コンポーネントを実証するペイロードの開発を支援しました。
空軍当局は、太陽光で米軍基地に電力を供給できる宇宙ベースシステムの開発を促進することを目的としています。
全体として、宇宙太陽光技術が将来に持つ可能性を指摘し、タラ・セレト氏は次のように述べました：
「宇宙太陽光ビームは、地球上のどこでもいつでもエネルギーを供給できる可能性があります。この技術は、医療機器や通信機器が必要な遠隔地にも電力を提供できるでしょう。」
NOC 価格チャート
ノースロップ・グラマンは、総売上高が2022年12月31日終了年度に366億米ドルでした。Space Systems部門からの収益は約123億米ドルで、前年度の106億米ドルから大幅に増加しました。2022年の123億米ドルの収益のうち、94％が米国政府から、残りの3％、2％、1％がそれぞれ国際販売、他顧客への販売、部門間販売からのものです。
#3. CESI
イタリア・ミラノに拠点を置くCESIは、宇宙用途向けの高効率太陽電池の研究・開発・製造に30年の経験があります。さらに、ガリウムヒ素（GaAs）とインジウムガリウムリン（InGaP）を使用したマルチジャンクションセルの世界的な主要サプライヤーの一つでもあります。
CESIは、三接合宇宙セルのラインナップを持っています。これらのセルは、ガリウムヒ素とインジウムガリウムリンに加えてゲルマニウムも含みます。低軌道（LEO）および静止軌道（GEO）衛星に効果的で、ECSS E ST20-08C規格にも適合しています。CESIは現在、三接合セルよりも高効率な四接合セルの展開に向けて取り組んでいます。
将来的には、CESIはあらゆる宇宙プログラムの要件を満たす幅広い宇宙太陽電池製品を提供することを目指しています。これまでに、20万枚以上の太陽電池を製造し、25か国の顧客向けに70以上の民間衛星に電力を供給してきました。
CESIはミラノで独自の技術を用いて太陽電池を製造しています。長年にわたり、多くの国際宇宙機関や関係者と緊密かつ深いネットワークを築いてきました。
ノースロップ・グラマンと同様に、CESIもイタリア国政府と協力し、イタリア国立宇宙機関（ASI）および欧州宇宙機関（ESA）から資金を受けています。欧州宇宙プログラムや多数の惑星間ミッションのニーズに応える高度な太陽電池を製造しています。
最新の財務開示によると、同社は2022年12月31日終了会計年度に8,700万チェコクラウン以上の収益を上げました。
宇宙太陽光技術の進歩：今後の道筋
宇宙太陽光技術は、その価値を世界に証明し、各国政府が熱意を持って投資を開始するまでに至りました。米国では、海軍研究所が2020年に太陽光を捕捉し直流電力に変換する実験を実施し、空軍のX-37B宇宙機を使用しました。
同時に、国際的な取り組みも勢いを増しています。中国当局は、2028年までに中国航空宇宙科技学院が主導する宇宙ベース実証計画という野心的な目標を設定しました。欧州では、欧州宇宙機関の承認を受けた資金豊富な3年間の研究プログラム「Solaris」が注目されています。英国も、宇宙での太陽光利用に関する研究への助成金を提供するなど、競争に加わっています。
明らかに、革新的な企業、大規模で資源豊富なグローバル組織、そして世界中の政府が協力し、宇宙が提供するエネルギーを捕捉・活用しようとしています。途切れることのない、未利用の太陽エネルギーが地球の利益のために活用されるのを待っている中、将来は確かに有望に見えます。
