宇宙から太陽エネルギーを送る大胆な計画

砂漠、醜い駐車場、運河、あるいは太陽が輝く湖を太陽光パネルで覆うとしても、時折雲が邪魔をします。そして、太陽は毎日沈まなければなりません。欧州宇宙機関（ESA）は、「問題ありません。太陽電池パネルを宇宙に設置すればいいのです」と言います。

同局は最近、「ソラリス」と呼ばれる新たな探査プログラムを発表した。このプログラムの目的は、太陽構造物を軌道上に打ち上げ、それを使って太陽のエネルギーを活用し、地上にエネルギーを送ることが技術的、経済的に実現可能かどうか調べることである。

この構想が実現すれば、2030年代にはソラリスが常時稼働の宇宙太陽光発電を開始できる可能性があります。最終的にはヨーロッパのエネルギー消費量の10～15%を賄い、2050年までにネットゼロ炭素排出を達成するという欧州連合（EU）の目標達成に貢献する可能性があります。「私たちは気候危機と解決策の必要性について考えています。過去数十年にわたって行ってきたように、上空から監視するだけでなく、宇宙は気候変動の緩和にさらに何ができるでしょうか？」と、このイニシアチブを率い、NASAの火星計画でも主導的な役割を担うサンジェイ・ヴィジェンドランは問いかけます。

ヴィジェンドラン氏によると、ソラリス計画の最大の推進力は、持続的なクリーンエネルギー源の必要性だ。化石燃料や原子力とは異なり、太陽光や風力は断続的だ。最も日照量の多い太陽光発電所でさえ、ほとんどの時間は稼働していない。バッテリー技術が進歩しない限り、再生可能エネルギーから得られる膨大なエネルギーを貯蔵することは不可能だ。しかし、ヴィジェンドラン氏によると、宇宙太陽光発電パネルは99%以上の時間発電できる可能性があるという。（残りの約1%の時間は、地球が太陽とパネルの間に直接位置し、光を遮ることになる。）

このプログラムは、スタニスワフ・レムの同名SF小説とは無関係であり、「準備段階」と位置付けられている。つまり、ESAは既にパイロットスタディを完了しているものの、本格的な開発の準備はまだ整っていないということだ。この計画では、軌道上での技術実証を設計し、2030年に打ち上げ、2030年代半ばに宇宙太陽光発電所の小型版を開発し、その後大幅に規模を拡大することを目指している。ESAの研究者たちはまず、例えば高度約3万5000キロメートルの静止軌道上で、大型太陽電池アレイのモジュールをロボットで組み立てるために必要なことを調査することから始める。こうすることで、地球の自転に関わらず、構造物は地上の特定の地点の上空に常に留まることになる。

このプロジェクトを前進させるには、ヴィジェンドラン氏と彼のチームは2025年までに、宇宙太陽光発電が費用対効果の高い方法で実現可能であることを実証しなければなりません。NASAと米国エネルギー省は1970年代と80年代にこの構想を検討しましたが、費用と技術的課題のために頓挫しました。しかし、それ以来、多くの変化がありました。主に再使用型ロケットのおかげで、打ち上げコストは低下しました。衛星の大量生産コストも低下し、太陽光を電気に変換する太陽光発電のコストも低下したため、軌道上太陽光発電は地上のエネルギー源とより競争力を持つようになりました。

しかし、もう一つハードルがある。それだけのエネルギーをどうやって電力網に送るかだ。レーザー光線を使うこともできるが、雲に遮られてしまう。ヴィジェンドランと彼の同僚たちは、電気をマイクロ波に変換するのが最善の方法だと考えている。マイクロ波は、エネルギーをほとんど失うことなく、大気圏をシームレスに通過する。しかし、マイクロ波のビームは長距離では大きくなり、送信機は非常に高い高度に設置されるため、地上にかなり大規模で、したがってコストもかかる受信局を建設することになる。おそらく1平方キロメートルを超える規模になるだろう。軌道上のアレイも相当な規模になり、全体の重量は数千トンに達する可能性があり、これは国際宇宙ステーションよりもはるかに大きい。「これは人類が軌道上に打ち上げた最大の構造物になるでしょう」とヴィジェンドラン氏は言う。

しかし、研究者たちは他の設計も検討している。例えば、中軌道に3基以上の小型アレイを展開するといった方法がある。単一の静止衛星のように空の固定点として機能するのではなく、これらのアレイは中継局として機能する。1つのアレイが送信範囲外に回転するたびに、別のアレイがその位置を占め、エネルギーを送信し続ける。これにより、地上の複数の地点でほぼ均一かつ予測可能な太陽光発電が可能になる。また、アレイが地球に近づくため、受信機の小型化も可能になると、カリフォルニア工科大学の宇宙太陽光発電プロジェクト（Solarisを補完するプロジェクト）の共同ディレクターであるセルジオ・ペレグリーノ氏は述べている。

ペレグリノ氏とチームは1月3日、技術実証のため、宇宙輸送会社モメンタス社製の改良型ヴィゴライド宇宙船を打ち上げた。この宇宙船には3つの実験装置が搭載されている。アルバ（様々な種類の太陽電池を試験する）、メープル（無線マイクロ波電力送信機を試験する）、ドルチェ（軽量構造物の展開を試験する）である。「これらをまとめて打ち上げ、宇宙空間に星座を作り上げます。すべての部品を統合することで、現在地球上で生産されている電力とほぼ同じコストで実現できると予測しています」とペレグリノ氏は述べている。彼らは、この設計により1キロワット時あたり0.10ドルの発電が可能になると見積もっている。

宇宙エネルギー・イニシアチブ（SPIE）をはじめとする他の団体も、宇宙太陽光発電の分野で進歩を遂げています。ロンドンを拠点とするこの組織は、英国政府、研究者、産業界のパートナーシップであり、2021年に宇宙太陽光発電の研究を進めることを推奨する報告書を受けて活動を開始しました。「産業界、特にエネルギー部門の強い支持がなければ、政府がこのような野心的な構想を追求することは困難だと認識していました」と、SPIEの共同議長であるマーティン・ソルタウ氏は述べています。

ソルタウ氏と彼の同僚は、CASSIOPeiAと呼ばれる衛星のコンセプトを開発している。その設計は、常に太陽を向くコレクターを備え、円形軌道よりも地球に近づく楕円軌道にも対応できる。4基か5基の小型衛星でこのような構成を実現すれば、より高高度に大型の複合施設を設置するよりも低コストで実現できるとソルタウ氏は述べている。さらに、SEIは英国政府以外からの財政支援の強化にも取り組んでおり、現在、サウジアラビアを含む国際的なパートナー候補と協議を行っている。

ノースロップ・グラマンや空軍研究所など、他の組織も宇宙太陽光発電に取り組んでおり、軍事目的での活用可能性を研究するために提携しています。日本の宇宙航空研究開発機構（JAXA）も太陽光発電プログラムを実施しており、中国も同国の新しい宇宙ステーション「天宮」を使った試験を行う予定です。

軌道上に多数の構造物を展開することは、多くの疑問や懸念を引き起こす可能性がある。天文学者たちは、SpaceXの広大なStarlinkネットワークに搭載されているもののように、夜空を一変させ始めた衛星の反射率に注目している。こうした衛星は天体撮影に支障をきたし、星座の見方を変える可能性がある。しかし、太陽光発電のエンジニアたちは、これらの衛星群は太陽光を吸収することを意図していると述べている。もし反射してしまうようなことがあれば、それは設計が不適切だったことの証となるだろう。

マイクロ波ビームの使用についても懸念があるかもしれません。一部の国では、指向性エネルギーレーザーを宇宙船に対する兵器として研究しています。宇宙太陽光発電に必要な低強度ビームは、いかなるものにも、また誰にも損傷を与えることはありませんが、アレイには他の衛星や電波望遠鏡とのスペクトル干渉を起こさないように、特定の範囲の専用周波数帯が必要になります。宇宙交通を管理し、衝突を回避するために、アレイ専用の軌道スロットも必要になるかもしれません。

それでも、もしこれが成功し、数十年以内に太陽電池パネルが軌道上に設置され、地上にギガワット単位のエネルギーを供給するようになれば、大きな利益がもたらされる可能性がある。他のクリーンエネルギーを補完し、気候変動の解決策の一部となる可能性もある。そして、例えば核融合エネルギーの産業化よりもはるかに現実に近い。ペレグリノ氏は、関連技術が理論段階を終え、ハードウェアの製造と試験段階へと進むのに十分な成熟度に達していると指摘する。「これは大きな可能性と将来性を秘めた分野です」と彼は言う。

2023 年 2 月 7 日午後 3 時 (東部標準時) 更新: このストーリーは、静止軌道に配置された太陽電池アレイの効率を明確にするために更新されました。