宇宙の文明を測定する
宇宙論において、カルダシェフのスケールは文明の発展レベルを測る方法の一つです。理論的なスケールではありますが、カルダシェフのスケールはエネルギーの利用に関連した文明の方向性を表しています。
したがって、基本的な宇宙文明は3つのレベルに分けられます。レベルIの文明は惑星のエネルギー資源を開発・利用することができます。レベルIIの文明は、恒星（太陽など）や太陽系内の他の天体のエネルギー資源を開発・利用することができます。
カルダシェフスケールで決定された3種類の文明の規模をシミュレーションしたもの。写真：Wiki
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つのレベルを比較すると、人類文明はレベルIにあり、地球上または地表で利用可能なエネルギーのみを利用しています。しかし、宇宙と宇宙科学の新たな進歩は、私たちがレベルIIの宇宙文明へと移行し始めていることを示しており、宇宙空間にある物体からエネルギーやその他の資源を利用する計画があ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。
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送られます。写真：Space Solar
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、その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。1月には、彼のチームが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「Maple」を打ち上げた。この送信機は、太陽からのエネルギーを集め、宇宙に無線で送信する設計だ。生成される電力は、LEDライト2個を点灯させるのに十分な量だ。
しかし、研究者たちは長期的な目標を掲げています。それは、メイプルがこのエネルギーを地球に送電できるかどうかを確認することです。5月、研究チームは何が起こるか確かめるための実験を行うことを決定しました。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たちはメイプルからの信号を受信しました。検出されたエネルギー量は実用には小さすぎましたが、それでも宇宙から無線でエネルギーを送信することに成功しました。
実際、宇宙で太陽光発電を行うというアイデアは、SF作家アイザック・アシモフが短編小説で描いた1941年から存在していました。それ以来数十年にわたり、米国、中国、日本などの国々がこのアイデアを模索してきましたが、長年にわたりほとんど断念してきました。
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。
これを実現するには様々なアイデアがありますが、基本的な考え方は次のとおりです。直径1マイル（約1.6キロメートル）を超える太陽光発電衛星を高高度軌道に打ち上げます。衛星は巨大なため、数十万個の小型モジュールで構成されます。その後、自律型ロボットが宇宙空間で「レゴブロックを組み立てる」ように衛星を組み立てます、と英国に拠点を置くSpace SolarのCEO、マーティン・ソルタウ氏は説明します。
衛星の太陽電池パネルは太陽エネルギーを集光し、マイクロ波に変換して、地上の特定の地点に正確に届く超大型送信機を介して地球に無線送信します。マイクロ波は雲や悪天候を容易に透過し、地球上のメッシュ状の受信アンテナに到達し、そこで電力に変換されて電力網に送られるとソルタウ氏は述べています。
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。そこでマイクロ波は再び電気に変換され、電力網に供給されます。画像：ESA
直径約6キロメートルの受信アンテナは、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発電パネルや農場、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、この技術は大きなハードルに直面しています。軌道上に発電所を設置するコストが非常に高額なのです。英国のアンダーウッド教授はCNNに対し、宇宙発電技術は「SFではない」と語りましたが、最大の障害は発電所を軌道上に打ち上げる莫大なコストだと述べました。
しかし、過去10年間で状況は変わり始めています。SpaceXやBlue Originといった航空宇宙企業が再利用可能なロケットの開発に着手したのです。現在の打ち上げコストは1キログラムあたり約1,500ドルで、1980年代初頭のスペースシャトル時代と比べて約30分の1にまで低下しています。
宇宙で太陽光発電を行うという構想が成功すれば、電力需要は大きいもののインフラが未整備な先進国にとって、莫大なエネルギー源となる可能性があります。また、年間数ヶ月間完全な暗闇に見舞われる北極圏の僻地の町や村、そして自然災害や紛争によって電力を失った地域社会にも電力を供給することができるでしょう。
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、米国海軍研究所も宇宙環境で太陽光発電ハードウェアを試験するためのモジュールを軌道試験機に搭載して打ち上げました。さらに、米国空軍研究所も2025年に「アラクネ」と呼ばれる小型試験機の打ち上げを計画しています。中国宇宙技術研究院も、2028年に低軌道、2030年に高軌道に太陽電池衛星を打ち上げることを目指しています。
さらに、欧州連合（EU）は、宇宙における太陽光発電の技術的実現可能性を検証する「ソラリス」計画を進めています。一方、英国は独自の調査を実施し、CASSIOPeiA衛星（全長1.7km、2ギガワットの電力供給能力）などの設計により、宇宙における太陽光発電は技術的に実現可能であると結論付けています。
カリフォルニアのハジミリ氏のチームは、同僚たちと共に過去半年にわたりプロトタイプのストレステストを行い、次世代の設計に向けたデータを収集してきた。ハジミリ氏の最終目標は、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を開発することだ。数十億個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。
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