多くの課題があるにもかかわらず、宇宙で太陽エネルギーを生成し、それをマイクロ波ビームで地球に送信する技術は、人類が化石燃料への依存から脱却するのに役立つ可能性があります。
SPS-ALPHA宇宙太陽光発電システムのシミュレーション。写真： NASA
Science Alertによると、衛星を用いて太陽エネルギーを集め、地球上の受信地点に送り返す宇宙太陽光発電（SBSP）のアイデアは、少なくとも1960年代後半から存在していた。大きな可能性を秘めているにもかかわらず、コストと技術的なハードルの高さから、あまり普及していない。もしこの問題が解決されれば、SBSPは化石燃料からグリーンエネルギーへの移行を促進する上で重要な役割を果たす可能性がある。
人類は長年にわたり、太陽光発電（PV）や太陽熱発電（STE）といった様々な技術を通じて、太陽エネルギーを活用してきました。太陽エネルギーは、風力発電のように、太陽による大気の不均一な加熱によって間接的に得られることもあります。しかし、これらのグリーンエネルギー生産には限界があります。広大な土地を必要とし、利用可能な太陽光と風力に制限されるからです。例えば、太陽光発電所は夜間にはエネルギーを集光できず、冬や曇りの日には集光量が少なくなります。
軌道上太陽光発電は夜間の稼働に制限されません。地球から36,000km上空の円形軌道である静止軌道（GEO）上の衛星は、年間の99%以上を太陽の光に晒されます。そのため、GEOは24時間365日、グリーンエネルギーを生産することができます。GEOは、衛星が地球に対して同じ位置に留まるため、宇宙船から受信機、つまり地上局にエネルギーを伝送するのに最適です。研究者によると、GEOから得られる太陽エネルギーは、2050年における人類の世界の推定電力需要の100倍に相当します。
宇宙で集めたエネルギーを地上に送るには、無線伝送が必要です。マイクロ波を用いて電力を伝送することで、曇り空でも大気による損失を最小限に抑えることができます。衛星から送信されたマイクロ波ビームは地上局に集束され、そこでアンテナが電磁波を電力に変換します。地上局は高緯度では直径5km以上の大きさが必要になりますが、それでも太陽光や風力で同量の電力を生産するのに必要な土地面積は小さくなります。
ピーター・グレイザーが1968年に初めてこのアイデアを提唱して以来、研究者たちは数多くのSBSP設計を提案してきました。SBSPでは、エネルギーは複数回（光→電気→マイクロ波→電気）変換され、その一部は熱として失われます。2ギガワット（GW）の電力を送電網に供給するには、衛星は約10GWの電力を収集する必要があります。
CASSIOPeiAと呼ばれる最近の設計は、幅2kmの可変反射鏡2基を搭載しています。これらの反射鏡は太陽光を一連の太陽電池に反射します。そして、直径1,700mの発電システムを地上局に向けます。この衛星の重量は推定2,000トンです。
SPS-ALPHAと呼ばれるもう一つの設計は、CASSIOPeiAとは異なり、太陽熱集熱器が多数の小型モジュール式反射鏡（ヘリオスタット）で構成された大型構造物であり、各反射鏡は独立して可動する。コスト削減のため、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、少量の電力を同大学に送電する小型衛星実験「MAPLE」を打ち上げました。MAPLEは、この技術を用いて地球に電力を送電できることを実証しました。
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おり、2025年までにこの技術を全面的に開発する計画だ。他の国々も最近、2025年までに地球に電力を送信し、20年以内により大規模なシステムに移行する計画を発表している。
SBSPの主な欠点は、宇宙への打ち上げに必要な質量の大きさと、1キログラムあたりのコストです。SpaceXやBlue Originなどの企業は、飛行後に多くの部品を再利用することに重点を置いた大型打ち上げ機を開発しています。これにより、打ち上げコストを90%削減できる可能性があります。150トンの貨物を低軌道に打ち上げることができるSpaceXのStarshipロケットでさえ、SBSP衛星の打ち上げには数百回の打ち上げが必要になります。一部の部品は拡張性を考慮して設計されており、宇宙で3Dプリントすることも可能です。
SBSPミッションは困難を極め、徹底的なリスクアセスメントが必要です。発電される電力は完全にグリーンですが、数百回に及ぶ打ち上げによる大気汚染への影響は予測が困難です。さらに、宇宙空間でこれほど巨大な構造物を制御するには大量の燃料が必要となり、エンジニアは有毒化学物質を扱わざるを得なくなります。太陽電池は劣化し、効率は経年劣化し、年間1～10%ずつ低下します。しかし、メンテナンスと燃料補給によって衛星の寿命を延ばすことは可能です。地上に到達するほど強力なマイクロ波ビームは、その進路上にあるあらゆるものに損傷を与える可能性があります。安全上の理由から、マイクロ波ビームのエネルギー密度は制限されなければなりません。
アン・カン（サイエンスアラートによると）
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