宇宙太陽光発電が実現する日が近いかもしれない

人工衛星を使って太陽からエネルギーを集め、それを地上の集光ポイントに「ビーム」する宇宙太陽光発電（SBSP）のアイデアは、少なくとも1960年代後半からあった。その大きな可能性にもかかわらず、コストと技術的なハードルのために、このコンセプトは十分な支持を得ていない。

これらの問題のいくつかは解決できるのだろうか？もしそうなら、SBSPは化石燃料からグリーンエネルギーへの世界の移行に不可欠な存在となるだろう。

私たちはすでに太陽からエネルギーを得ている。一般に太陽光発電と呼ばれるもので、太陽から直接エネルギーを集めている。これは、太陽光発電（PV）や太陽熱エネルギーなどのさまざまな技術から構成されている。風力エネルギーはその一例で、太陽による大気の不均一な加熱によって風が発生するからだ。

しかし、こうした環境に優しい発電には限界がある。土地面積が大きく、光と風の利用可能性に制約されるのだ。例えば、太陽光発電所は夜間にはエネルギーを集められず、冬や曇りの日にはエネルギーが少なくなる。

軌道上の太陽光発電は、夜の出現によって制限されることはない。静止軌道（GEO）-地球上空約36,000kmの円軌道-にある人工衛星は、1年のうち99％以上の時間、太陽にさらされている。そのため、24時間365日、グリーンエネルギーを生産することができる。

GEOは、衛星が地球に対して静止しているため、宇宙船からエネルギーコレクター（地上局）にエネルギーを送る必要がある場合に理想的だ。GEOから利用可能な太陽光発電は、2050年までに人類が世界中で必要とすると推定される電力需要の100倍はあると考えられている。

宇宙で集めたエネルギーを地上に送るには、ワイヤレス送電が必要だ。このためにマイクロ波を使えば、曇り空でも大気中で失われるエネルギーを最小限に抑えることができる。衛星から送られたマイクロ波ビームは地上局に向けて集束され、アンテナによって電磁波が電気に変換される。地上局の直径は5km、高緯度ではそれ以上必要だ。しかし、これは太陽光発電や風力発電で同量の電力を生み出すのに必要な土地の面積に比べればまだ小さい。

進化するコンセプト

1968年のPeter Glaserによる最初のコンセプト以来、数多くのデザインが提案されてきた。

SBSPでは、エネルギーは何度か変換され（光→電気→マイクロ波→電気）、一部は熱として失われる。送電網に2ギガワット（GW）の電力を投入するためには、約10GWの電力を衛星が集める必要がある。

CASSIOPeiAと呼ばれる最近のコンセプトは、2km幅のステアラブル反射板2枚で構成されている。これらの反射板は、太陽光をソーラーパネルのアレイに反射させる。直径約1,700メートルのこれらの電力送信機は、地上局に向けることができる。衛星の質量は2,000トンになると見積もられている。

SPS-ALPHAはCASSIOPeiAとは異なり、太陽集光器がヘリオスタットと呼ばれる多数の小型モジュール式反射鏡で形成された大型構造で、各反射鏡は独立して動かすことができる。コスト削減のために大量生産されている。

2023年、カリフォルニア工科大学の科学者たちは、ごく少量の電力をカリフォルニア工科大学に送り返す小型衛星実験「MAPLE」を打ち上げた。MAPLEは、この技術を使って地球に電力を供給できることを証明した。

国内外の関心

SBSPは、2050年までに英国のネットゼロ目標を達成するために重要な役割を果たす可能性があるが、政府の現在の戦略には含まれていない。独立機関による調査によると、SBSPは2050年までに最大10GWの発電が可能で、これは英国の現在の需要の4分の1にあたる。SBSPは、安全で安定したエネルギー供給を可能にする。

また、数十億ポンド規模の産業を創出し、国全体で14万3,000人の雇用を生み出すだろう。欧州宇宙機関は現在、SOLARISイニシアチブでSBSPの実現可能性を評価している。これに続いて、2025年までにこの技術の完全な開発計画が策定される可能性がある。

他の国も最近、2025年までに地球に電力を送る意向を表明しており、今後20年以内に大規模なシステムに移行する予定だ。

巨大な衛星

技術の準備が整っているのに、なぜSBSPは利用されないのか？主な限界は、宇宙に打ち上げなければならない膨大な質量と、1kgあたりのコストである。SpaceXやBlue Originなどの企業は、大型ロケットを開発している。これにより、ベンチャーのコストを90％削減することができる。

150トンの貨物を地球低軌道に打ち上げることができるSoaceXのStarshipを使ったとしても、SBSP衛星は数百回の打ち上げを必要とする。長い構造トラス（長距離に渡るように設計された構造要素）のような一部の部品は、宇宙で3Dプリントすることができる。

課題とリスク

SBSPミッションは挑戦的であり、リスクはまだ十分に評価される必要がある。生産される電力は完全に環境に優しいが、何百回もの重量物打ち上げによる汚染の影響を予測するのは難しい。

さらに、宇宙空間でこのような大きな構造物を制御するには、相当量の燃料が必要となり、エンジニアは時に非常に有毒な化学物質を扱うことになる。太陽光発電パネルは劣化の影響を受け、年率1％から10％まで効率が低下する。しかし、整備と燃料補給を行うことで、衛星の寿命をほぼ無期限に延ばすことができる。

地上に届くほど強力なマイクロ波のビームは、邪魔なものを傷つける可能性もある。安全のためには、ビームのパワー密度を制限する必要がある。

このようなプラットフォームを宇宙空間に建設するのは大変なことのように思えるかもしれないが、宇宙を利用した太陽光発電は技術的には実現可能である。経済的に実行可能であるためには、大規模なエンジニアリングが必要であり、したがって政府や宇宙機関の長期的かつ決定的なコミットメントが必要となる。

しかし、それがすべて整えば、SBSPは宇宙からの持続可能でクリーンなエネルギーによって、2050年までにネット・ゼロを実現することに根本的に貢献できるだろう。

本記事は、Matteo Ceriotti氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「We could soon be getting energy from solar power harvested in space」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。