POWER – 永続的光学ワイヤレスエネルギーリレー

ワイヤレス電力

電気機器の発明以来、ワイヤレスエネルギー伝送の概念は業界の最終目標となってきました。これにより、電力ケーブルのような高価で壊れやすいインフラの必要性が減少します。

ワイヤレスエネルギー伝送は、宇宙ベースの太陽エネルギーにも必要となります。これは、再生可能エネルギーで世界全体を真に電力供給する最も有力な方法であり、私たちが「Space-Based Energy Solutions For Endless Clean Energy」で説明した通りです。

しかしながら、長距離ワイヤレスエネルギー伝送技術はまだ初期段階にあり、これまで困難な課題でした。

この状況は、DARPA（防衛高度研究計画局）という、画期的な新技術の探索とテストを担当する情報・科学・軍事機関の新プロジェクトにより変わりつつあります。POWER（Persistent Optical Wireless Energy Relay）と呼ばれるこのプロジェクトは、8.6キロメートル（5.3マイル）離れた地点への電力供給に成功しました。

“疑いの余地なく、我々はこれまで報告されたすべての光学パワービーム実証を、電力と距離の両面で完全に上回ったと言えます。”Paul Jaffe – POWER program manager

これは、民生・軍事の両方の用途でエネルギー伝送方法を根本的に変える可能性のある技術の第一歩にすぎません。

ワイヤレスエネルギー転送

誘導

ワイヤレスエネルギー転送は比較的熟成された技術となりつつありますが、短距離に限られます。通常は誘導方式で、磁場を利用してエネルギーを伝送し、電流に変換します。

出典: How2Electronics

問題は、この種のエネルギー伝送は短距離、理想的には1メートル未満でしか機能せず、長距離エネルギー伝送には使用できないことです。

レーザー

大気中で長距離にエネルギーを伝送するには、レーザーが有力な候補です。コヒーレント光は天候条件が許す限り、最小限の損失で長距離を伝搬できます。

レーザーを用いたエネルギー伝送は、地表近くでは大気が厚くなるため効率が最も低くなると予想されます。それでも、PRAD（POWER Receiver Array Demo）装置はこの条件下でテストされました。

「地上に対して上下に直接パワービームを送る方がはるかに容易です。なぜなら、通過すべき大気がはるかに少ないからです。PRADでは、大気影響の最大の影響下でテストしたいと考えました。」Paul Jaffe – POWER program manager

さらに重要なのは、レーザー光は鏡で比較的容易に反射できるため、最小の損失で多点リレーが可能になることです。これにより、山脈や地球の曲率といった障害物を回避し、飛行リレーを利用してさらに長距離にエネルギーを伝送できます。

出典: DARPA

POWER と PRAD の初期結果

研究チームは、8.6キロメートル（5.3マイル）離れたレーザーから30秒間の伝送で、800ワット以上の電力が供給されたことを記録しました。

テストキャンペーン全体で、1メガジュール以上のエネルギーが転送されました。これは、ディーゼル1ガロンが約146メガジュールに相当する液体燃料の転送とはまだ大きく異なります。

それでも、距離と総電力の両面で、以前のワイヤレスエネルギー伝送の試みと比べて大きな進歩です。以前の最高結果はわずか500ワット、最大1.7キロメートルでした。

出典: DARPA

革新的受信機

レーザーで強力なエネルギービームを作ることはよく知られた技術です。そのエネルギーを空気中に送ることや、鏡や光学システムで反射させることも比較的容易です。

レーザー光を再び利用可能な電力に変換することが難点であり、特に損失をできるだけ抑える必要があります。

PRADは、レーザービームが入射するコンパクトな開口部を備えた新しい受信技術を使用し、受信部に入った光がほとんど漏れないようにしました。

出典: DARPA

受信機内部では、放物面鏡がレーザーを広い円錐状に拡散させ、数十枚の光起電池（ソーラーパネル）にビームを反射し、光を電力に変換します。

受信機はTeravec Technologiesが設計し、Packet Digital と Rochester Institute of Technology の支援を受けました。

ワイヤレス電力の軍事・民生応用

軍事

現時点では、この技術の応用は主に軍事関連であり、DARPAが関与している理由でもあります。軍事作戦では、エネルギーを特定の場所へ運搬することが危険または不可能になる状況が多く想定されます。

「これらのテストは、POWERプログラムが容易に電力を生成できる場所から必要な場所へ瞬時にビーム送電できるという長期目標への重要な一歩であり、燃料制限に縛られないプラットフォーム能力の新たな設計領域を開きます。」

この技術はより高い出力に拡張可能で、無人航空機（UAV）などのさまざまなプラットフォームに統合でき、POWERプログラムの長期的なニーズを支援します。

主に軍事に焦点が当たっているもう一つの理由は、システム全体のエネルギー効率が依然として低いことです。

重要なのは、電気をレーザービームに変換する際に損失が生じ、通常は約50％の効率で、極低温では最大75％になる可能性があることです。

そのレーザーを再び電力に変換する効率も、非常に高性能な太陽電池を使用しても50％未満になると考えられます。

したがって、ドローンを飛行させ続けたり軍事装備に電力を供給したりすることは理にかなっていますが、POWERのようなシステムは依然として初期エネルギーの50〜80％を無駄にします。

このテストでは、距離が焦点であり効率ではなかったため、短距離でレーザーからの光学電力が受信機の電力に変換される際に20％以上の効率が測定されました。

この種の非効率性は、現在の代替手段がそれほど優れていないため、軍事にとって致命的ではありません。

「米空軍のPaul Calhoun大佐は、かつて燃料タンカーを目的地まで飛ばし、数千ポンドの燃料を届けるために数十万ポンドの燃料を燃やしていたと指摘しました。

明らかに、我々の既存のパラダイムは極めて非効率的です。」

Paul Jaffe – POWER program manager

したがって、現在の空中給油がわずか1％の効率であるのに対し、POWERの20％の効率は確実に改善と言えます。

エネルギー転送

これらの制限とPOWERが転送できるエネルギー総量のため、この方法が高圧送電線にすぐに取って代わる可能性は低いです。

しかしながら、この概念はエネルギーグリッドに電力を供給する別の方法として展開できる可能性があります。エネルギー損失は、供給源が十分にエネルギー豊富である場合には問題になりません。

太陽エネルギー衛星の大量生産と展開をマスターすれば、軌道上で大気の影響を受けずに太陽光から24時間365日エネルギーを生成でき、地上の太陽光パネルよりも桁違いに効率的です。この文脈で、レーザーやマイクロ波によるエネルギーのビーム送信は、経済的に実行可能なほどの効率を保てる可能性があります。

POWER フェーズ 2 と 3

電力伝送プロトタイプが実用的であることが証明されたので、次は実践的なテストです。

フェーズ2では、リレー技術を従来機に搭載したポッドに統合し、低出力の空中テストを実施します。

後の最終フェーズ3では、地上施設のレーザーが10キロワットの電力を水平に200キロメートル離れた地上受信機に、3つの空中リレーを介してビーム送信することを目指します。

「これは、これまで届けるのが困難だった場所へ、非常に長距離でエネルギーを供給できる手段を持つことを示すでしょう。」Paul Jaffe – POWER program manager

結論

POWERは、長距離で軍事装備にエネルギーを転送できるレベルの電力転送効率を達成し、既存の空中給油オプションよりも効率的な選択肢となっています。

これは、飛行機より小型の空中軍事装備、特にドローンにとって有力な選択肢となります。ドローンはウクライナ戦争で示されたように、世界中の軍事兵装で急速に重要性を増しています。

前線に展開された陸上部隊や供給が遮断された可能性のある部隊にも、このような電力伝送は有益であり、地上ドローンも含まれます。

このプロジェクトは軌道太陽エネルギーの見通しに直接影響するわけではありませんが、長距離エネルギー伝送がもはや空想ではないことを示しています。

ワイヤレスエネルギー転送から恩恵を受けるドローンメーカー

もしワイヤレスエネルギー伝送が米軍で一般化すれば、現在計画されている以上にドローンの活用が急激に増加します。したがって、POWERプロジェクトの成功は、米国に軍用ドローンを供給している企業に恩恵をもたらす可能性が高いです。

AeroVironmentは、米軍がすでに配備している高度な自殺ドローン、Switchblade 徘徊弾薬の最前線にあります（徘徊とは、ミサイルが直接攻撃モードではなく、目標を探すために一定時間エリア内でホバリングできる能力を指します）。

出典: AeroVironment

AeroVironmentは、軍事用偵察ドローン、歩兵向け2.2kgの戦術ドローン、片手で持てるほど小型の Nano Air Vehicle、そして高高度疑似衛星（HAPS）ソーラーグライダーも提供しています。

地上では、無人地上車両（UGV）が地雷除去、即席爆発装置（IED）の除去、SWAT作戦、危険物の取り扱いに使用されています。

出典: AeroVironment

同社は、火星の希薄な大気で不可能と考えられていた Ingenuity 火星ヘリコプタープロジェクトにも貢献しています。

AeroVironmentは、これらすべてのシステムを統合し、AI強化された共通コントロールで自律システムと関連データを一元化できます。

出典: AeroVironment

徘徊弾薬は最大のセグメント（総対象市場 50億ドル）で急速に成長しています。全体として、同社は2023年に売上を40％伸ばし、2025会計年度も二桁の売上成長を維持する見込みです。

AeroVironmentは2024年11月にBlueHaloと全株式取引で合併し、企業価値は約41億ドルで、AeroVironmentとほぼ同等の時価総額です。合併後、AeroVironmentの株主が約60.5％、BlueHaloの株主が約39.5％を所有します。

• 宇宙通信。
• ドローンに対する直接エネルギー兵器および電子戦システム。
• 海上ドローン。
• ドローン群制御と敵群への防御のためのAIツール。

新たに合併した企業は、将来の軍事ドローン群向けにますます大規模な防衛請負業者になると考えられます。

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