エネルギー
太陽テクノロジーの進歩により、宇宙ベースのソリューションが実現可能に
長い間、宇宙ベースの太陽エネルギーを捕獲して利用する方法に関する研究が行われてきました。科学者や技術の専門家は、宇宙ベースの太陽エネルギーが持続可能なエネルギー源のセットに効率的な追加になる可能性があると考えています。
機能的には、軌道上にエネルギー収集と収穫パネルを設置し、地球に設置された受信機に対して太陽エネルギーをビームバックします。宇宙を含むため、地球、そしてこれら2点間の伝送ルートは、洗練されたテクノロジーソリューションで構成される必要があります。
約束的に、世界中での太陽テクノロジーの進歩は、宇宙ベースの太陽エネルギーの生産を実現可能にしました。ただし、詳細に踏み込む前に、宇宙ベースの太陽エネルギー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確認してみましょう。
宇宙ベースの太陽エネルギーとその利点
アメリカ合衆国エネルギー省が提示したデータによると、地球では毎時、1年間で使用できるよりも多くの太陽エネルギーを受け取ります。大気によって約30%のエネルギーが未利用のまま宇宙に戻ります。このエネルギーは、強力な宇宙ベースの太陽エネルギー機構を設置すれば、効率的に捕獲して利用できます。
このシステムでは、衛星ベースの太陽パネルは、地球表面に設置された太陽パネルよりも多くのエネルギーを捕獲して伝送できます。宇宙にあるという利点により、より優れています。DEAの説明によると、これらは:
「太陽パネルを搭載した、エネルギー伝送衛星は、高強度の無断絶太陽放射線を収集します。」
供給は無断絶です。なぜなら、宇宙には雲も夜も存在しないからです。
このテクノロジーには、巨大な鏡を展開して、太陽線を大量に小さな太陽コレクターに反射し、無線でマイクロ波またはレーザービームとして地球に安全に制御された方法でビームバックすることが含まれます。
このプロセスには洗練されたテクノロジーが必要なため、世界中から革新的なソリューションが集まります。NASAは、宇宙ベースの太陽エネルギーに関する報告書を公開しました。これは、純粋なゼロの温室効果ガス排出を達成するための最終的な目的で、この研究分野の開発を支援するために必要な情報を取得することを目的としています。
NASAがこの分野で活動する研究者や技術者が対処する必要があるいくつかの技術的ボトルネックは、以下のとおりです:
- 軌道上で大規模なシステムを組み立てて維持する方法を見つける必要があります。
- これらのシステムを自律的に運用し、エネルギーを地球にビームバックするための効率的な方法を研究する必要があります。
- NASAの報告書は、宇宙ベースの太陽エネルギーシステムを使用する前に、インフラを軌道上に輸送するために必要な多数の継続的なミッションにより、打ち上げと建設のコストに対処することが重要であることを強調しています。
NASAの報告書によると、宇宙ベースの太陽エネルギーシステムは2050年までに完全に生産性の高いものとなり、運用可能になる可能性があります。この報告書を通じて、この分野で達成されたいくつかの重要な進歩が明らかになりました。例えば、JAXAの科学者が、太陽エネルギーをマイクロ波として遠隔地に正確に無線伝送し、最終的に利用可能な電気に変換することが可能であることを証明したことを思い出させました。
この成果を基に、カリフォルニア工科大学の科学者は、2023年3月に、宇宙で収穫された太陽エネルギーを地球に無線伝送する最初の宇宙船であるSpace Solar Power Demonstrator (SSPD-1)を開発しました。
NASAは、宇宙ベースの太陽エネルギーの経済的実現可能性に関するいくつかの見積もりも提供しています。ただし、この分野に密接に関わっている専門家の一部は、これらの見積もりに異議を唱えています。ただし、災害救援、リモートセンサーの電源供給、従来のエネルギー生産システムとそのサプライチェーンの既存のボトルネックを除去するなど、提供される利点を否定することはほとんどありません。
その利点を見ると、全ての発展した国々の国家政府は、ここに投資を始めています。大規模なビジネスエンティティ、例えばAirbusやNorthrop Grummanも、尽力して取り組んでいます。
ここで、彼らのいくつかの成果について見てみましょう。ただし、多くの取り組みはまだプロトタイプの段階にあることを覚えておく必要があります。
#1. Airbus Power Beaming
宇宙ベースのソリューションを可能にするために太陽テクノロジーを進歩させるために取り組んでいる主要な企業の1つは、Airbusです。同社のPower Beamingテクノロジーは、同社のCentral Research & TechnologyおよびBlue Sky Departmentsによって開発され、宇宙ベースの太陽テクノロジー分野でゲームチェンジャーとなることを実証しました。
Jean-Dominique Costeによると、Yoann Thueuxと同僚とともにPower Beamingを開発した責任者です:
「このテクノロジーの潜在能力は、太陽光を捕獲してそれを無線でビームバックすることです。」
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、航空機に電気を十分に供給することができると信じています。
Airbusのテクノロジー開発者は、2022年9月27日に同社のX-Works Innovation FactoryでPower Beamingを実証しました。小規模で行われたものの、実証はPower Beamingを動作させるために必要なことを十分に説明することができました。
Coste、Thueux、同僚は、マイクロ波ビームを使用して、宇宙と地球を表す2点間で緑のエネルギーを伝送しました。距離は36メートルでした。実証では、モデル都市を動かすために緑の水素も生成しました。
実証が終了した後、Yoann Thueuxは次のように述べました:
「今、私たちが小規模で初めて、将来の宇宙ベースの太陽エネルギーシステムの重要な構成要素をテストしたので、Power Beamingを次のレベルに進める準備ができました。」
Airbusは、このテクノロジーが近くに実現することを期待しています。同社は、最初の動作するPower Beamingプロトタイプが2030年代初頭に利用可能になることを信じています。
最終的な適用形態では、地球から約36,000キロメートル離れた静止軌道上に太陽パネルが設置されます。この太陽パネルは、地球上に同サイズの太陽パネルとペアになります。
宇宙で収集された電力は、エネルギーを再構成して電気を生成するために、ビームを受信するための多数のアンテナが散在する領域にビームバックされます。
このシステムが特定のスケールに達すると、核力、石油、その他の再生可能エネルギー源に依存する地球の大規模エネルギープロジェクトでエネルギーを生成するのと同じコストになります。推定によると、1つの静止軌道太陽農場は2ギガワットの電力を生成することになります。
2024年2月15日、Airbusは、65.4億ユーロの年間収益と58億ユーロの調整後EBITを記録した2023年の年間決算を発表しました。
#2. Northrop Grumman
宇宙ベースの太陽テクノロジーの能力を検証したもう1つの主要なグローバルエンティティは、Northrop Grummanです。同社は、ビームを制御してさまざまなアンテナに向けることで、無線周波数エネルギーをビームバックする能力を実証しました。同社は2025年までにプロトタイプを開発することを自信しています。
このプロトタイプは、同社が地球にRFエネルギーをビームバックする能力を示すことになります。このテクノロジーは、Northrop Grummanの宇宙太陽エネルギーインクリメンタルデモンストレーションおよび研究（SSPIDR）によって開発されました。
SSPIDRのプログラムディレクターであるTara Theretによると:
「今は、ハードウェアの残りを構築してテストして統合するだけです。ただし、タイムラインが厳しいです。」
このプロセスで行うべき追加の作業には、電子コンポーネントを縮小し、サンドイッチタイルの数を増やすことが含まれます。サンドイッチタイルとは、太陽エネルギーを収集して次の層に電力を伝達し、太陽からRFへの変換を可能にし、ビームを形成するコンポーネントを持つ、光電池パネルです。
同社は、システムを組み立てて打ち上げるために、必要な飛行ハードウェアも製造しています。同社の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。
2018年、米空軍研究研究所は、宇宙ベースの太陽エネルギープロトタイプシステムの重要なコンポーネントを示すペイロードを開発するために、1億ドルの契約をNorthrop Grummanに与えました。
空軍当局は、米軍基地に太陽エネルギーを供給する宇宙ベースのシステムを構築するために必要な開発努力を促進したいと考えていました。
全体として、宇宙ベースのソリューションが将来持つ可能性について、Tara Theretは次のように述べています:
「宇宙太陽エネルギービームは、地球上のどこにでも、いつでもエネルギーを供給する可能性があります。このテクノロジーは、医療機器や通信機器が必要な遠隔地に電力を供給することができます。」
(NOC )
Northrop Grummanは、2022年12月31日を終了日とする年度の総売上高356億ドルを記録しました。宇宙システムストリームからの収益は122億ドルで、前年の106億ドルから増加しました。2022年の122億ドルの収益のうち、94%が米政府から、3%が国際販売から、2%が他の顧客から、1%が内部販売から来ました。
#3. CESI
CESIは、ミラノ、イタリアに拠点を置く企業で、30年以上にわたって宇宙用の高効率太陽電池の研究、開発、製造を行ってきました。さらに重要的是、CESIは、ガリウムアーセニドとインジウムガリウムホスフィドを使用するマルチジャンクションセルを世界的に提供する主要な企業の1つです。
CESIには、ガリウムアーセニド、インジウムガリウムホスフィド、ゲルマニウムを使用する三重関節太陽電池のシリーズがあります。これらの電池は、低軌道と静止軌道の衛星に効果的です。これらの製品は、必要なECSS E ST20-08C規格にも準拠しています。CESIは、現在、三重関節セルよりも効率が高い四重関節セルをロールアウトする予定です。
将来、CESIは、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。現在までのCESIの努力により、20万以上の太陽電池が生産され、25カ国にわたるクライアントの70以上の民間衛星が動作しています。
CESIには、ミラノに自社の専有技術による太陽電池製造施設があります。同社はこれまでに、多くの国際的な宇宙機関や関係者との密接なネットワークを構築してきました。
Northrop Grummanと同様に、CESIもイタリア国立政府と協力し、イタリア国立宇宙機関（ASI）および欧州宇宙機関（ESA）から資金提供を受けています。同社は、欧州宇宙プログラムと多くの惑星間ミッションのニーズを満たすために、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日を終了日とする年度に、8700万以上のチェコ・コルナの収益を記録しました。
宇宙太陽テクノロジーの進歩: 将来への道
宇宙太陽テクノロジーは、世界的なコミュニティーにその価値を証明し、世界中の国家政府が熱意を持って投資を始めています。アメリカ合衆国では、2020年に海軍研究所が実験を実施し、X-37B宇宙船を使用して日光を直接電流に変換しました。
一方、国際的な取り組みも勢いを増しています。中国当局は、2028年の中国宇宙技術アカデミー主導の宇宙ベースのデモンストレーションを計画しています。欧州では、欧州宇宙機関からグリーンライトを得た、3年間の研究プログラムであるSolarisが注目されています。イギリスもこの競争に参加しており、宇宙での太陽エネルギー利用に関する研究に助成金を提供しています。
明らかに、革新的な企業、世界的な組織、世界中の政府が協力して、宇宙が提供するエネルギーを活用しています。未利用の太陽エネルギーが宇宙に待っており、地球のために活用できるので、将来は確かに前向きです。
