宇宙から地球へのエネルギー伝送、人類にとっての前進

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宇宙の文明を測定する

宇宙論において、カルダシェフの尺度は文明の発展レベルを測定する方法である。カルダシェフの尺度は理論的なものではあるが、エネルギーの使用に関連した文明の方向性を説明しています。

したがって、基本的な宇宙文明は 3 つのレベルに分かれています。レベル I 文明は、惑星のエネルギー資源を開発および使用することができます。レベル II 文明は、恒星 (太陽など) または太陽系の他の物体のエネルギー資源を採掘および使用することができます。

宇宙から地球へのエネルギー伝送、人類文明の新たな一歩、画像1 — カルダシェフスケールによって決定された 3 種類の文明の規模をシミュレートします。写真：ウィキ

レベル III の文明ははるかに進んでおり、銀河間戦争や銀河間戦争を扱った SF 映画のように、銀河全体のエネルギーを活用して使用することが可能な文明です。

したがって、上記の 3 つのレベルと比較すると、人類の文明はレベル I にあり、地球の表面または内部で利用可能なエネルギーのみを活用していることになります。しかし、宇宙科学と宇宙論の新たな進歩は、私たちが宇宙物体からエネルギーやその他の資源を利用することを計画するレベル II の宇宙文明に向かって進み始めていることを示しています。

そして今年、カリフォルニア工科大学（Caltech、米国カリフォルニア州）の電気工学教授アリ・ハジミール氏のチームは、宇宙で太陽光発電を行い、それを地球に送信する計画に一歩近づきました。これは、成功すれば人類がレベル II の宇宙文明に突入できることを示す小さな一歩となります。

宇宙から地球へのエネルギー伝送、人類文明の新たな一歩、画像2 — 英国設計のCASSIOPeiA太陽光発電衛星のシミュレーション。宇宙から集められた太陽エネルギーは、地球表面の特定の場所に向けられます。写真: スペースソーラー

宇宙からエネルギーを得るにはどうすればいいのでしょうか？

電気工学教授のハジミール氏は、太陽電池を宇宙に打ち上げ、エネルギーを地球に送り返す方法を10年間研究してきた。今年1月、同氏のチームは超軽量で柔軟な送信機を搭載した全長30センチの宇宙用太陽光発電機の試作機「メイプル」を打ち上げた。この送信機の目的は、太陽からエネルギーを集め、それを宇宙に無線で送信することです。その結果、チームが集めた電気の量は、2つのLEDライトを点灯させるのに十分な量になりました。

しかし、研究者たちの長期的な目標は、メイプルがこのエネルギーを地球に送信できるかどうかを確認することです。 5月に、研究チームは何が起こるかを調べるために実験を行うことを決めた。カリフォルニア州パサデナにあるカリフォルニア工科大学の屋上で、ハジミリ氏と他の科学者らがメイプルの信号を受信した。検出されたエネルギー量は使用するには小さすぎたが、それでも宇宙から無線でエネルギーを送信することには成功した。

実際、宇宙で太陽光発電を行うというアイデアは、SF作家のアイザック・アシモフが短編小説でそれを描いた1941年から存在していました。それ以来数十年間、米国、中国、日本などの国々がこのアイデアを検討してきたが、数年後にはほぼ断念した。

宇宙での太陽光発電の本質は、雲量、夜間の時間、季節などの悪天候に左右されずに常に光が利用できる宇宙空間で、地球上の人類が太陽の膨大なエネルギーを利用できることです。

これを実現する方法についてはさまざまなアイデアがあるが、仕組みは次のようになる。直径1.6km以上の太陽光発電衛星を高高度軌道に打ち上げる。衛星は巨大なため、数十万個の小型モジュールから構成されます。英国に拠点を置くスペース・ソーラー社のCEO、マーティン・ソルタウ氏は、自律型ロボットが宇宙で「レゴブロックを積む」ように衛星の組み立てを担当することになるだろうと説明する。

衛星の太陽電池パネルは太陽エネルギーを集め、それをマイクロ波に変換し、地上の特定の地点に正確に到達できる非常に大きな送信機を通じて地球に無線で送信する。ソルタウ氏によると、マイクロ波は雲や悪天候を容易に通過し、地球上のメッシュで作られた受信アンテナに到達するという。ここでマイクロ波は電気に変換され、送電網に供給されます。

宇宙から地球へのエネルギー伝送、人類文明の新たな一歩、写真3 — マイクロ波は雲や悪天候を容易に通過し、地球上の受信アンテナに到達します。その後、マイクロ波は再び電気に変換され、送電網に供給されます。写真: ESA

受信アンテナは直径約6kmで、陸上または海上に設置できます。これらのグリッド構造はほぼ透明なので、その下の土地は太陽光パネルや農場、その他の活動に利用できます。

大きな可能性と大きな課題

科学者の推定によれば、宇宙にある太陽エネルギー収集衛星は最大2ギガワットの電力を供給でき、これは米国の平均的な原子力発電所2基の発電量にほぼ匹敵する。

しかし、この技術は大きな障壁に直面している。軌道上に発電所を設置するコストが非常に高額なのだ。英国人教授のアンダーウッド氏はCNNに対し、宇宙発電技術は「SFではない」が、最大の障害は発電所を軌道上に打ち上げる莫大な費用だと語った。

しかし、過去10年間で、SpaceXやBlue Originなどの航空宇宙企業が再利用可能なロケットの開発を開始したことで、状況は変わり始めました。今日の打ち上げコストは 1kg あたり約 1,500 ドルで、1980 年代初期のスペースシャトル時代に比べて約 30 分の 1 にまで低下しています。

この実験が成功すれば、宇宙で太陽光発電を行うというアイデアは、電力需要が大きいもののインフラが整っていない先進国に豊富なエネルギー源を提供できる可能性がある。さらに、この電源は、毎年何か月もの間完全な暗闇に陥る北極圏の多くの辺境の町や村に電力を供給することができるほか、自然災害や紛争により電力を失った地域社会を支援することもできます。

構想と商業化の間にはまだ大きなギャップがあるものの、世界中の多くの国や企業は、宇宙太陽光発電がクリーン電力の高まる需要を満たすと同時に、現在深刻化する気候危機への対処にも役立つと考えています。

宇宙から地球へのエネルギー伝送、人類文明の新たな一歩、画像4 — 宇宙における太陽光発電衛星のシミュレーション。写真: ESA

2020年5月には、米海軍研究所も宇宙環境で太陽光発電ハードウェアをテストするためのモジュールを軌道テスト車両に搭載して打ち上げました。さらに、アメリカ空軍研究所も2025年に「アラクネ」と呼ばれる小型実験機を打ち上げる計画だ。中国宇宙技術研究院も、2028年に太陽電池衛星を低軌道に、2030年に高軌道に打ち上げることを目指している。

さらに、欧州連合は宇宙での太陽光発電の技術的実現可能性を判断するためのSolarisプログラムも開発している。一方、英国は独自の研究を実施し、CASSIOPeiA衛星（全長1.7km、2ギガワットの電力を供給可能）などの設計により、宇宙での太陽光発電は技術的に実現可能だと結論付けた。

一方、カリフォルニアのハジミリ氏のチームと彼の同僚は、次世代の設計のためのデータを集めるために、過去半年にわたってプロトタイプのストレステストを行ってきた。つまり、ハジミリの究極の目標は、宇宙空間で巻き上げ、打ち上げ、展開できる軽量で柔軟な帆のシリーズであり、数十億の部品が完璧に同期して動作し、必要な場所にエネルギーを供給することです。

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