本文へ移動する

宇宙太陽光発電 上下方向レーザー伝送実験

2017年4月10日(月)

  • プロジェクト
  • 未来
このエントリーをはてなブックマークに追加

JAXAが進める宇宙太陽光発電システム (以下、SSPS: Space Solar Power Systems)の研究開発では、宇宙~地上へのエネルギー伝送(送電)の手段としてマイクロ波とレーザーの2種類の方法を検討しています。レーザー方式はマイクロ波方式に比べ、機器を小型にできるというメリットがあるいっぽう、エネルギー伝送が天候条件に左右されやすいというデメリットもあります。今回はレーザー方式のSSPS(L-SSPS)についてご紹介します。

レーザー方式宇宙太陽光発電システム(構想例)

講演やプレゼンテーションで「レーザーポインター」は欠かせない道具となっています。波長と位相の揃った光であるレーザーには、広がらずに遠くまで到達するという性質があります。演者の手元からスクリーンまで、レーザーポインターの光はほとんど拡散せず直進してくれるため、輝点が指し示す場所に聴衆の注意を集めることができるわけです。この性質をエネルギー伝送でも利用しようというのがL-SSPSです。

産業の現場では、レーザーを集中させることで得られる高熱で模様を描くレーザーマーキングや、レーザー切断装置などが活躍しています。受光したレーザーのエネルギーを電力に変える素子(太陽電池と同等のもの)も存在しますので、これらを組み合わせれば、L-SSPSが現実味を帯びてきます。そこにどうしても必要な技術がレーザービームの「高精度の指向制御技術」です。

そもそも宇宙から地上の一点をレーザー光で狙う場合、真空の宇宙空間ではまっすぐに進みますが、大気のある場所に入った途端、大気のゆらぎで光の進路が曲がってしまいます。プールの底を見るときに像がゆがむのと同じような現象です。また大気のゆらぎは、気温などが大きく変化する地面に近いところほど大きくなります。こうしたゆらぎをキャンセルしながら、目標とする場所にレーザー光を当て続ける技術を確立するため、JAXAは2016年5月から6月にかけ、茨城県の日立製作所水戸事業所で「上下方向レーザー伝送実験」を実施しました。実験の結果、高精度のビーム方向制御技術を実証し、レーザー光によるエネルギー(電力)伝送にも成功しています。

JAXA研究開発部門はこれ以前にもさまざまな実験を行なってきました。2011~13年にかけ、水平方向500mでのレーザー伝送制御実験を角田宇宙センター(宮城県)で行い、2015年3月には一般財団法人宇宙システム開発利用推進機構(J-spacesystems)との連携により、マイクロ波による電力伝送のデモンストレーションを行っています。

55m隔てた2つのアンテナ間で、受電側から2.45GHzでパイロット信号を送り、それをもとに送電用マイクロ波(5.8GHz)のビーム方向制御を高精度に行う技術です。

写真:
上)レーザー伝送実験施設(角田宇宙センター)
下)マイクロ波無線電力伝送地上試験(高精度ビーム方向制御技術実証試験)

また過去には光衛星間通信実験衛星「きらり」(OICETS)を打ち上げ、地上局との間で光通信実験を行った実績もあります。2006年に行われたこの実験は、みかけの移動速度が速い低軌道衛星(軌道高度610km)と地上との間での、当時世界初の成功例でした。

これまで実施してきた水平方向でのレーザー伝送実験に比べ、さらに宇宙から地上への伝送に条件の近い「上下方向レーザー伝送実験」を行うためには、高いタワーが必要でした。航空機や大気球での実験も検討されましたが、サイズや重量の制約や、実験機器への電力供給の問題、機器そのものの安定を保つことが難しいなどの問題がありました。いっぽう、大出力のレーザーを扱うという実験の性質上、単に高いタワーであればいいというものではありません。
レーザーを直視すると、網膜に回復不能なダメージを負う可能性があるため、人の立ち入る場所では実験ができません。高いからといって、市街地のタワーやビルでは実施できないわけです。また、人が少ないといっても、アンテナタワーのような実験装置を設置して操作するスペースが確保できない塔もNGですし、いくら上下方向だからといっても断崖や滝壺では危険です。ダム堤体なども検討されましたが、周囲の地形が近いことによる大気ゆらぎの問題が避けられません。
そんな中で見出されたのが、エレベーターの研究塔でした。超高層ビル用エレベーターの開発試験をするための塔ですから、超高層ビルと同じくらい丈夫です。電力の供給も問題ありませんし、高所に機器を設置するためのクレーン設備もあります。タワーの足元は工場の敷地内ですから、工場側にお願いして、立ち入り制限区域を設けることも可能となります。

実験をしたタワーは、2010年に世界最高クラスのエレベーター研究塔として建設されました。「G1TOWER」のG1とはグローバルナンバーワンをめざすという意味で、日立製作所創業100年の記念碑的な意味合いも込められているそうです。高層ビルにすると50階建てに相当する高さといいます。
ちなみに同じ茨城県の牛久大仏は台座も含め120m、水戸芸術館のタワーは100mの高さとなっていますが、前述の理由などから実験適地とはなりませんでした。

レーザー光の方向制御には、メインビームに先立ち、波長や出力の異なる2種類のレーザー光を受電側と送電側で送り合う方式が使われました。

まず受電から送電(地上からタワー)へ、目には見えない波長980nmで出力0.1Wのパイロットレーザーを発射します。タワー側でこれを受け、その到来方向へビーコンレーザー(波長852nm・出力0.1W)を打ち返します。ビーコンレーザーの方向制御の手がかりとするのは、地上からのパイロットレーザーと撮像素子です。方向制御のためのミラーをXとYの2軸で高速で動かし、撮像素子の同じ位置にパイロットレーザーの光が入射し続けるよう調整します。手鏡で遠くの的を狙うような制御を続けるわけです。

このパイロットレーザーの光路を逆に折り返す形で、ビーコンレーザー(図中の小出力レーザー)をタワーから発射。それが目標とする位置で受光できていることを確認したうえで、高出力のエネルギー伝送用レーザー(波長1070nm・350Wクラス)を同じ光路で発射します。吊橋のケーブルを架けるとき、最初に細いケーブルを渡し、徐々に太さを増していくのに似た手法です。

1) 地上から ↑ パイロットレーザー    波長 980nm 出力 0.1W級
2) タワーから↓ ビーコンレーザー     波長 852nm 出力 0.1W級
3) タワーから↓ エネルギー伝送用レーザー 波長1,070nm 出力350W級

3つのレーザー光の装置内での光路の分離/合成には、ダイクロイックミラーと呼ばれる特殊な鏡を使用します。色(波長)によって反射したり透過させたりと異なる挙動を示すミラーです。波長が安定したレーザー光だからこそクリアな分離が可能です。また「高速で動かす制御」がどの程度かといえば、200Hz、つまり1秒間に200回。これにより空気のゆらぎがあっても、安定してエネルギー伝送を維持することができました。

SSPS研究チーム 大橋一夫 研究チーム長(インタビュー当時)

SSPS研究チーム 研究チーム長(インタビュー当時)の大橋一夫さんによれば、方向制御の出来は「満点でした」といいます。
SSPSそのものの完成はまだ遠い未来とはいえ、新たな技術を獲得したことで実現に一歩近づいたのは間違いありません。さらにこの技術の応用範囲はSSPSに限られるものでもありません。「離れた場所にレーザー光でエネルギーを伝送するシステム」に広く適用できると考えられ、次なる開発テーマに期待と注目が集まります。



コメントする
コメント
お名前
この記事に関するツイート

タイムラインに表示するものがありません。

投稿コーナー

投稿コーナーへ

イベントカレンダー

2017年