今の技術では、宇宙から地球に電気を送ることはできるのか？　無線送電の可能性を実験で検証

薄膜型の太陽電池は非常に有望

田中孝治氏（以下、田中）：SPSを作るには、まず地上から低軌道、数百キロメートルから1,000キロメートルくらいの低軌道に物資を運んで、その次に軌道間輸送機で運搬します。軌道間輸送は、これからの開発課題です。

低軌道までは従来のロケットである化学推進を用い、電気推進等の軌道間輸送機で高度を上げて、荷物を降ろして、展開をして、集積します。まだ非常にラフな概念なんですけれど、こういう検討がされています。

もうちょっと各技術を紹介していきたいと思うんですが、まずは発電技術分野です。太陽発電衛星では、概念が提案された初期では、太陽熱発電を使うことも検討されましたが、今の主流は太陽光発電です。太陽電池パネルでの発電が検討されています。

太陽電池はみなさんご存知だと思うんですけど、半導体内で太陽光で電子を励起して、電気エネルギーとして利用します。いろんな種類があります。シリコン系、Ⅲ－Ⅴ族系、あとバルク型や薄膜型等あります。地上用民生で使われている太陽電池の8割以上は、シリコン系の太陽電池になります。

宇宙用に関しては、20年ぐらい前ですかね、この単結晶シリコンの非常に性能の良いものをシャープが作って、ほぼ衛星市場を独占していたんですが、十数年前くらいからこのⅢ－Ⅴ族系の太陽電池の高効率のものが出てきて、なかなかシャープさんの市場独占というわけにはいかない状況になっています。宇宙用にはこの高効率のⅢ－Ⅴ族系化合太陽電池がよく使われています。

それに対して、最近開発が進められている太陽電池が薄膜型です。これは製法が、大きな結晶を使うものとまったく違って、低コスト化ができると考えられて、最近開発が進められています。薄膜型の太陽電池は、放射線に対する対宇宙環境性が強いと言われていて、宇宙用に使うことに関しては非常に有望な太陽電池なんですが、今はちょっとまだ変換効率が低いという欠点があります。ですが、もう少し性能が上がっていけば、太陽発電衛星に関しては非常に薄くて軽いということで、有望な太陽電池だと考えています。

現在、日本のメーカーはトップ10に入っていない

それで、これは太陽電池全体の生産量の地域別、年代ごとのシェア推移を示してるんですが、赤いところが日本です。2005年頃は日本のメーカーが半分くらいのシェアでした。シャープが世界一の生産量を誇ってたんですが、2006年以降、世界一の座を明け渡して、残念ながら2012年は、もう日本のメーカーはトップ10に入っていません。

もともと太陽電池は日本が非常に強い分野でしたし、太陽発電衛星のような大規模需要が新たに創設されれば、またなんとか復活できるんではないかいう期待もあります。

それとあとは、宇宙用の大規模発電に関する他の応用ですね。まず国際宇宙ステーションに関しては、先ほど紹介したように、100キロワットクラスの発電システムが既に稼働しています。その他、大電力の用途としては、あんまりないんですけど、木星探査機用に使うようなソーラー電力セイルがあります。

なんと、大きさは70メートルです。太陽発電衛星に比べれば小さいんですけど、従来の宇宙機・探査機や人工衛星に比べれば、もう桁違いの大きさになります。宇宙ステーションよりも小さいですけどね。

そして、木星近傍で5キロワット発生するには、地球近傍で200キロワット発生する必要があります。一探査機でこれだけの規模を搭載することは非常にチャレンジングなんですが、宇宙研では、木星探査を目指してるグループが、研究開発を行っています。

こういうところと一緒に、宇宙機用の大電力発電に関する取り組みを行っていきながら、太陽発電衛星の実現に近づけるのではないかという活動が、発電システムに関しては主な取り組みということになります。

次は無線送電の紹介をしたいと思うんですが、まずちょっと実験をしてみたいと思います。

電気エネルギーの実験

先ほどレクテナという単語が出てきましたが、これがその1つの例です。ここに針金がついてまして、この針金がアンテナになっています。このアンテナに整流器が取り付けてあって、ここで電波を電気エネルギーに変換します。変換された電気エネルギーを使ってLEDをつける仕組みになっています。

これは普通のデジタル無線機です。いわゆる通信に使ってるものですね。こういうデジタル無線機から電波を出すとこういうふうに、赤く光っているのが見えますでしょうか？

この板には乾電池等はなにも搭載してないんですけど、電波を出すとその電波を電気エネルギーに変換して、LEDが点灯します。これで実験をしてみたいと思います。

デジタル無線機から電波を出して、アンテナで受電して、ダイオードで整流して、LEDを点灯させます。実験をやってみますね。

あ、こうじゃないと入らないか。これで点いてますかね？　はい。そして、この間に発泡スチロールの板を入れてもらいます。（スタッフに向かって）早く取って！（笑）。

（会場笑）

板があっても、LEDの点灯は変わらないということがわかったと思います。次に、アルミ箔を張った板を間に入れてもらおうと思います。あれっ……。

（会場笑）

……あ、このように（笑）。アルミ板を入れると、消えます。同じ実験の様子をこちらの写真で示します。あ、そうか。太陽電池のことをやんなきゃ。ちょちょっ……。

（田中氏、席に帰ったスタッフを呼び戻す）

（会場笑）

じゃあ、今度は同じように無線でエネルギーを送る方法として、さっきは電波です。違うな、君はこれを両方持つんだな……そして、これは普通のライトです。（スタッフに向かって）そんなに離れなくていいんじゃないの？（笑）。

（会場笑）

そうか、僕がこう持てばいいのか、こう持って……そちらのLEDを見てください。今、光ってます……よね？

光ってない？

スタッフ：光ってます。

電波は、金属以外の光を遮るようなものがあっても透過する

田中：光ってますね？　じゃあその間に、今度は発泡スチロールを入れてください。ああ、その間じゃない、こっちだ。ちょっと待って、光らせておいて……はい。当然ですけど、光が遮られるので消えるはずです。そしてもう1回離すと……点くと。

今度は、また同じように中に金属箔を入れてみましょう。当然ですけど、消えます。

どういう現象が起きたかということをまとめます。

デジタル無線機で電波を出すと、レクテナはなにもない状態の時はLEDが点灯しました。発泡スチロールを入れてもLEDは点灯しました。金属を入れた時は、消えました。

ライトで太陽電池を照らした時、なにもない時は点灯しますが、間になにかがあると点灯しません。

この結果どういうことが言えるかというと、電波を用いる場合、無線機から電波を放射するとレクテナのLEDは点灯しました。そして、発泡スチロールを間に挿入しても、LEDは点灯したままでした。金属板を挿入すると、LEDは消えます。

光を用いた場合はどうだったかというと、太陽電池に光を当てるとLEDは点灯しました。発泡スチロールを間に挿入するとLEDは消えて、金属板もLEDは消えました。

ここから結果を考察すると、電波や光を使うと、電線を用いなくてもエネルギーを送ることができます。だから、人工衛星から電線を繋がずに、地上にエネルギーを送ってくることができるんではないだろうか、ということがこの実験からわかります。

電波は、金属以外の光を遮るようなものがあっても透過することがわかりました。この結果から、雲があっても遮られないのではないだろうか、ということが考えられます。

無線でエネルギーを送る歴史について

地上の太陽発電は天候の影響を受けますが、電波でエネルギーを送れば、天候の影響を受けないということが考えられます。ただし、今日は実験を端折ってしまったんですけど、電波の種類によってレクテナのサイズは変える必要があります。このアンテナのサイズはここから出ている電波、350メガヘルツにチューニングしてあります。だから使う電波が変われば、ここのアンテナを変える必要があります。

電波や光は、金属が間にあるとエネルギーを送ることができません。しかし、空に金属板はないですね。だから衛星から地上に送る場合は、大きな影響を受けるものはないんですけど、1番最初に紹介しましたように、金属と同じような振る舞いをする領域があります。電離層中のプラズマです。その影響の検証は事前に必要であり、それに関する研究が行われています。

無線でエネルギーを送る歴史を紹介しようと思います。関連する基本理論はもう1800年代に考えられています。エルステッドとかファラデーとかマクスウェルとか、みなさんよくご存知だと思うんですけど、そういう人たちが現象を発見して理論をまとめました。

最初に電波でエネルギーを送るという試みは、テスラが行いました。磁場の強さの単位で「テスラ」って使われてると思うんですけど、その人が最初にチャレンジしましたが、残念ながらこの時の技術だと成功には至りませんでした。

最初に実証実験に成功したのは1960年代です。アメリカのブラウンという人が、マイクロ波を用いた無線電力伝送実験に成功して、技術開発のあとにNASA・JPLが、ゴールドストーンというところの施設を使って、数十キロワットの送電実験に成功しています。

波長が決まると、使うアンテナのサイズは自動的に決まってしまう

そういう基礎的な研究の成果を元に、太陽発電衛星の検討がなされています。これがブラウンが行った実験の写真なんですけど、ヘリコプターのところにレクテナがあります。下からマイクロ波を照射して270ワットくらいの電力を受け取って、ヘリコプターを浮上させています。

この時使われたマイクロ波の周波数が、2.4ギガヘルツ帯です。これはみなさん家庭でよく使っている電子レンジとほぼ同じマイクロ波です。そのあとゴールドストーンでNASA・JPLが実験した様子がこの写真なんですけど、この大きなパラボラアンテナから、こちらに向かって30キロワットのエネルギーを送る実験に成功しました。

この電波でエネルギーを送る時の条件なんですが、送電距離と使う電波の周波数（波長）が決まると、使うアンテナのサイズは自動的に決まってしまいます。例えば衛星側のアンテナを1キロメートルにして、2.45ギガヘルツのマイクロ波でエネルギーを送ってあげると、下のアンテナは10キロメートルくらいの大きさになります。先ほどNASAリファレンスシステムの地上側の紹介をしましたけど、そういうサイズは如何ともしがたく、マクスウェル方程式で決まってしまいます。

なんとか周波数を上げるという試みと、宇宙側に少し大きなアンテナを作り、地上側のアンテナのサイズを小さくする試みが日本で今検討されています。10キロメートルという用地ってなかなか日本ではむずかしいので、地上側の設備を小さくすることは、日本で検討する場合の条件ということになります。