エネルギー
無限のクリーンエネルギーのための宇宙ベースエネルギーソリューション
再生可能エネルギーの推進を高める
エネルギーシステムの脱炭素化と電化を推進する動きは、現在、特に風力と太陽光を中心とした再生可能エネルギーに依存しています。地熱エネルギーや原子力も助けになる可能性があります。
しかしながら、これらの解決策はそれぞれいくつかの制限があります:
- 地熱は、規模での生産に関してまだ実証が不十分であり、地域ごとの熱資源の不均等に依存しています。
- 原子力は人気がなく、核廃棄物を生み出し、初期投資が大量に必要です。このため採用が阻まれていますが、これらの問題の多くは第4世代原子力システムで解決できるかもしれません。
- 再生可能エネルギーは間欠性に苦しんでおり、電力網のグリーン化のために大量の資金をバッテリーやその他のエネルギー貯蔵形態に投資する必要があります。
太陽光発電に関しては、間欠性は避けられない特徴のように思われ、地球は半分の時間が夜です。この問題をさらに悪化させるのが、雲の覆いで、世界の一部地域では数週間から数か月にわたり出力が大幅に低下します。これは、塵や雪による問題を議論する前の話です。
夜間や気候の問題を回避するために、太陽光発電基地を宇宙に設置したらどうなるでしょうか？それはどのように機能するのでしょうか？そして、宇宙から地球の文明に電力を供給する別の方法はあるのでしょうか？
宇宙ベースの太陽光発電
宇宙ベースの太陽光発電の最初の重要な特徴は、電力衛星が地球を周回する際、地球の影に入らない軌道に配置でき、24時間365日稼働できることです。これにより生産量が倍増するだけでなく、地上の太陽光発電施設で必要とされるバッテリーの要件も不要になります。
冬季や雲による生産低下がないことと組み合わせると、間欠的な太陽光発電はほぼ完璧なベースロード電力へと変わります。
もう一つの要因は、大気が雲がなくても太陽光の大部分を吸収してしまうことです。また、地球の傾斜と球形により、赤道地域以外の地表に届く太陽光の量が減少します。
軌道上の太陽光パネルはこれらの制限を受けません。これらすべての要因が組み合わさることで、軌道上の太陽光パネルは地上のものの最大40倍の発電が可能です。
仕組みは？
すでに、宇宙で太陽光発電を行う方法は分かっています。高性能太陽光パネルは事実上すべての衛星や国際宇宙ステーション（ISS）に電力を供給しています。理論的には、同様の太陽光パネルを大量に軌道に送り、エネルギーを地球に送信すればよいだけです。
出典: Solar.com
驚くべきことに、電力を送り返す部分は想像ほど難しくありません。現在主流の概念は、マイクロ波（2.45 GHz）を使用することで、雲に吸収されません。このマイクロ波は、レクテナと呼ばれる専用アンテナで受信され、電気に変換されます。
あるいは、レーザーで電力を地上にビーム送信することも可能です。
大量のエネルギーを地球表面にビーム送信することは、やや懸念を抱かせるかもしれません。これは、SFのスーパーヴィランのデスレイのイメージを想起させます。しかし実際には、そのようなビームはエネルギーは豊富でも、地表に危険を及ぼすほどの強さはありません。
このシステムの利点の一つは、太陽光パネルで生成された直流電力を直接ビーム送信に利用でき、交流電力は地上でのみ電力網に注入するために生成される点です。
なぜ今か？
太陽光コスト
軌道上の太陽光発電所から電力を生産するという考えは古くからありますが、現在になって初めて実現可能性が見えてきました。
第一の理由は、太陽光パネルの効率向上とコスト低下が進んでいることです。これらは地上で実用的な選択肢となったのと同じ要因です。
出典: News Channel 3
技術のさらなる進歩により、変換効率がさらに向上する可能性があります。現在、一般的に使用されている地上の太陽光パネルの効率は20〜23％です。宇宙で使用されるものはしばしば30％に達し、追加コストは軌道へ運ぶ重量が減少することで相殺され、さらなる向上が期待されています。
現在宇宙で使用されているパネルは、太陽光を電気に変換する効率が約30％で、今後20年で40％に達すると期待されています
打ち上げコスト
もう一つの大きな課題は、軌道到達コストの急激な低下です。これは主にSpaceXの再利用ロケットの成果によるものです。このコストはすでに10分の1にまで削減されており、Starshipの打ち上げや史上最大のロケットの大量生産によりさらに安価になると予想されています。
出典: Ark Invest
打ち上げコストが1キログラムあたり£7,716だった頃は、設置コストは約£154/ワットで、地上のわずか£2〜1.5と比べて高額でした。しかし、打ち上げコストが十分に低下すれば、経済的観点から宇宙ベースの太陽光発電が実現可能になります。そして、イーロン・マスクは長期的に$100/kgを目指しています、これはStarshipの完全再利用性によるものです。
宇宙ベース太陽光発電の制限事項
価格と打ち上げコスト
上記の通り、太陽光ベースの電力は打ち上げコストが大幅に低下した場合にのみ実現可能です。これが進行中であっても、軌道打ち上げコストをさらに10倍削減できる速度は不明です。
これにより宇宙ベース太陽光の採用が大幅に遅れる可能性があり、大規模なプロトタイプ（MW規模に近い）さえも2025〜2030年までに実現しない見込みです。GW規模で1,000倍大きなシステムを構築するまで、顕著な影響は得られません。
軌道上の混雑
もう一つの懸念は、軌道上の太陽光パネルの実際の耐久性です。宇宙は過酷で高放射線環境であり、パネルは時間とともに劣化します。マイクロ波アンテナなどの電子部品も同様に劣化する可能性があります。
さらに、軌道空間はますます混雑しています。宇宙ゴミが深刻な懸念となっており、低軌道（LEO）衛星のコンステレーションが指数関数的に増加し、地球周辺の物体数が増大しています。
宇宙ベースの太陽光発電所は数平方キロメートルの面積を持つため、宇宙ゴミに定期的に衝突する可能性が高くなります。十分な表面積と時間があれば、微小隕石も問題となります。
最悪の場合、大きな衝突がさらに多くのデブリを生み出し、それがさらにデブリを増やすという破滅的なカスケードが起こり、地球の衛星の大半が破壊されます。これはケスラー症候群として知られる現象です。
現在でも、ケスラー症候群は通信、宇宙画像、科学、さらには核兵器の早期警戒システムに甚大な被害を与えるほどです。
しかし、地球のエネルギーの大部分が軌道上の太陽光発電所から供給される場合、このような事態はさらに壊滅的です。
耐久性とリサイクル
LEOから遠く離れた非常に遠い軌道に配置しない限り、衛星の軌道は比較的早く低下します。そのため、太陽光発電所は静止軌道（GEO）などの高軌道へ配置する必要があり、打ち上げ容量が増えるためコストが上昇します。
これによりリサイクルの課題も浮上します。これらの太陽光パネルは銀を含む多くの貴重で非再生可能な資源を消費します。
したがって、長期的には、大規模な太陽光発電インフラは、軌道上に残すか地球に落下させて破壊するのではなく、パネルのリサイクルを確立する必要があります。
最後に、材料を軌道に送るには非常にエネルギーがかかります。そのため、高効率ロケットのみがプロセスを実現可能にし、軌道上の太陽光パネルが製造に使用したエネルギーだけでなく、軌道へ送るエネルギーも回収できるようになります。
エネルギー損失
前述の通り、宇宙の太陽光パネルは地上よりはるかに多くのエネルギーを受け取ります。しかし、電力網に供給するまでに地上システムよりも多くの工程が必要です:
- 地上：太陽光を集める → 直流を交流に変換 → 電力網に送電。
- 宇宙：太陽光を集める → マイクロ波に変換 → マイクロ波を電気に変換 → 直流を交流に変換 → 電力網に送電。
マイクロ波を地上にビーム送信するという余分な工程が多数あるため、エネルギー損失が大きく、最大でも30〜40％の太陽光→電力変換効率に加算されます。
デモで使用したシステムのエンドツーエンド効率は約5％でした。太陽光は無料であっても、運用上実用的ではありません。宇宙ベースの太陽光発電所が意味を持つには、効率が少なくとも20％程度必要です。
安定軌道と太陽風
最後の課題は、太陽光発電所の軌道をどのように管理するかです。
太陽光パネルは最大の日射量を受けるために常に位置を調整する必要があります。マイクロ波ビームも地球表面の適切な領域に当たるように常に再指向する必要があります。
軽量で日光への露出が最大化されているため、太陽光パネルは太陽帆や光圧によって押されます。実際、この光圧は宇宙船を推進するソーラーセイルの作成に利用されています。
安定を保つ必要がある軌道上の太陽光発電所において、これは問題となり得ます。
宇宙光起電力の全体的展望
宇宙ベースの太陽光発電の将来は、宇宙産業全体の発展に大きく依存します。実現にはいくつかの重要な要因が揃う必要があります:
- 産業の成長により規模拡大とイノベーションが進み、必要なレベルまで打ち上げコストが低減できる。
- 軌道上または月周辺の産業経済の発展、少なくとも電力衛星の保守・リサイクルのために。
- 宇宙デブリの適切な管理と、軌道を中立で平和な領域に保つこと。
光起電力宇宙太陽光の代替案
集光型太陽光と軌道ミラー
光 → 電力 → マイクロ波 → 再び電力システムへの変換は本質的に大きな損失を引き起こし、宇宙にいることで得られる高い太陽光出力を部分的に相殺します。
これはこの概念への根本的な批判であり、2012年にエロン・マスクだけが支持したものです。
私の好きなテーマの一つ、宇宙太陽光発電について話しましょう。はい、史上最も馬鹿げたことです。
そして、もし誰かが宇宙太陽光発電を考えるなら、私であるべきです。私はロケット会社と太陽光会社を持っています。だから、私が本当に関わるべきだと思います、わかりますか。
もちろん、2012年以降多くが変わりました。太陽光パネルの価格と打ち上げコストは急落し、再生可能エネルギーのベースロード電力供給の必要性ははるかに大きくなっています。
それでも、代替案として、光起電力パネルで光を捕らえるのではなく、直接太陽光を反射する方法があります。これは巨大なミラーを軌道に配置することで実現可能です。
この方法の利点は、アルミホイルを用いて宇宙で超軽量・超薄型ミラーを作る方法が既に分かっていることです。材料は反射性だけで電子部品が不要なため、光起電力セルよりも平方メートル当たりはるかに安価で軽量です。
このアイデアは特に、Reflect Orbital の創設者ベン・ノワック、グラスゴー大学のSOLSPACE（欧州研究評議会から250万ユーロの助成金を受け）およびエネルギー大手エンジーのラボレレックによって推進されています。
このアイデアは、夜間に地上の太陽光発電所に太陽光をビーム送信して電力供給することです。したがって、ビジネスモデルは地上の太陽光事業者に“太陽光を販売”することになります。
このシステムは雲を通過できませんが、乾燥地帯や砂漠地域に設置された太陽光発電所には有力な選択肢となり得ます。
潜在的には、この概念は従来の宇宙光起電力発電所も支援し、地球へビーム送信する前に受け取る総エネルギーを安価に増加させることができます。
2018年に中国はこのようなミラーシステムを使用して2022年までに夜間街灯を置き換える計画を発表しました。実現はされませんでしたが、再生可能エネルギーが不足する夜間に宇宙ベースの「太陽光」を利用してエネルギー消費を削減する創造的な方法となり得ます。
宇宙工場
上記で説明したように、宇宙ベースの太陽光発電の大きなコストは、何百、何千トンもの材料を軌道に送る必要がある点です。この問題への解決策は、現地の資源を利用して宇宙で直接太陽光パネル（またはミラー）を製造することです。
この方法は、太陽光発電所を軌道に持ち上げるコストを完全に排除します。その代わりに、宇宙ベースの太陽光パネル（またはミラー）工場を作るために必要な装置だけを送るコストに置き換えます。
その一つの方法は、適切な資源を持つ小惑星を捕獲し、採掘して、直接軌道上で発電所を製造することです。
概念的には妥当ですが、いまだに実際に小惑星採掘が成功した例はなく、非常に投機的です。
月面基地
たとえ宇宙で太陽光発電所が製造されても、宇宙デブリからの太陽風の影響とリサイクルの課題は残ります。
代替案として、月面に太陽光ステーションを設置することが考えられます。エネルギーは月面に建設された巨大な太陽光発電所で収集され、直接または間接的に地球へビーム送信されます。月からのマイクロ波ビームは金属がマイクロ波を反射するため、ミラーで再指向可能です。
- 重力: 地球の1/6の重力しかない月は、完全な無重量環境よりも地球の製造プロセスを宇宙に適応させやすい可能性があります。
- 太陽光に最適: 大気がないため、月面は風、雲、霧、氷、砂塵嵐、雹などの影響を受けません。そのためエネルギー生産は非常に信頼性が高く、予測可能です。
- 人間による保守: 軌道システムは組み立て、保守、リサイクルにロボットのみを完全に依存する必要がありますが、米国や中露の月面基地計画により、ロボットだけでは足りない場合の現地人員が確保できます。
- 資源: 月は巨大な天体で、多くの資源を含んでいる可能性があります。これにより、小惑星採掘という未検証のアイデアよりも宇宙工場の候補として適しています。
シリコン、アルミニウム、鉄は月の土壌から化学的に抽出でき、太陽電池の製造に利用できます。微量元素は地球から持ち込んで太陽電池にドーピングできます。
地球から月へ1キログラムの材料を輸送すると、太陽光衛星1キログラムが地球に届ける電力量の200倍に相当すると推定されています。
しかし、このアイデアにはいくつかの制限があります。
特に、月は28日周期の昼夜サイクルを持つため、概念は月全体に分散した複数の発電所（または軌道ミラー）に依存して連続的な出力を確保しなければなりません。
ヘリウム3、核融合、そして月面発電所
月に関する将来エネルギーの別の議論は、ヘリウム3の埋蔵です。地球では極めて希少なこの元素は、理論上、超高効率の核融合を駆動できる可能性があります。
理論的には、これにより宇宙探査と採掘が将来のエネルギー供給の重要な要素となり得ますが、実際には核融合はまだ実験段階です。
例えば、木星や土星のようなガス巨星に存在する水素、ヘリウムなどの希少同位体も、長期的には同様の役割を果たす可能性があります。
月は潜在的に危険だが非常に生産的な電力システム（特に核）の拠点として想定でき、地球上での壊滅的な失敗の結果を回避できます。しかし、そのような電力源を地球にビーム送信する際のエネルギー損失や宇宙での建設コストが高く、採算が取れない可能性があります。
宇宙太陽光企業
1. Space Solar
Space Solarは、2GW規模の宇宙太陽光衛星CASSIOPeiAの開発を目指す英国企業です。これは人類がこれまでに建造した中で最も巨大な構造物の一つとなり、いくつかの超高層ビルさえも小さく見えるでしょう。
出典: Space Solar
CASSIOPeiAは60,000枚の太陽光パネルを搭載し、重量は2,000トン、静止軌道高度で周回します。
電力伝送は位相配列を変化させてエネルギービームを指向することで行われます。地上ステーションは直径5kmが必要です。このビーム送信技術はこれまで地上で30kWの電力で実証されており、HARRIER、初の360° ワイヤレス電力伝送で可動部品が不要、信頼性向上の重要要素です。のおかげです。
電力衛星の概念は、2つの太陽光リフレクターが光を中央の集光セグメントに戻すことに依存しています。
出典: Space Solar
このプログラムは、初期バージョンに170億ポンド、次期以降は36億ポンドの費用が見込まれています。これは、同等の2GW規模原子力発電所のコストの1/4に相当し、発電所のベースロード特性を考慮すれば妥当な比較です。
2. Reflect Orbital
前述の通り、Reflect Orbitalは軌道上で電力を生成することを目指していません。その代わり、事業は「暗闇の後の太陽光」を地上の太陽光企業に“販売”することを目的としています。
ピーク価格は日没直後に発生し、人々が帰宅し再生可能エネルギーが停止しているため、これは有効な戦略となります。さらに、衛星の太陽光ビームは容易に別の場所へ再指向でき、国間や地域ごとの価格差や天候不良を利用した裁定取引が可能です。
もし光を電気に変換し、マイクロ波に変換し、再び電気に戻すプロセスが地上の太陽光に比べて非効率で競争できない場合、注目すべき企業となります。
現在、同社は衛星の開発と資金調達を進めています。概念をより分かりやすくするために、3kmの高さで熱気球を使用したデモを行い、話題となりました。
出典: Reflect Orbital
同社は2025年までにプロトタイプのテストを計画しています。衛星は各35ポンド（16キログラム）で、軌道上で展開される33フィート×33フィート（9.9×9.9メートル）のマイラーミラーを装備します。
Reflect Orbitalの計画は、完全な軌道上または月面の太陽光衛星ネットワークほどハイテクではないかもしれませんが、むしろそれが強みとなり得ます。というのも、基本的に既に何十年も熟知された技術を創造的に活用しているだけであり、プロジェクトのリスクをある程度低減できるからです。
