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2024-11-29 14:00:00
細菌の光合成機構で動作する太陽光発電のレーザーは、いつか、打ち上げの費用対効果があまり高くない通常の重いレンズや複雑な電子機器に代わる、宇宙で電力を供給する低質量でシンプルかつ持続可能な手段を提供する可能性がある。
「私たちの計画は、バクテリアから抽出した光合成構造を使用することであり、そのアイデアは、それらを成長させて物質を補充し続けることができ、地球からの供給ラインを維持する必要がないということです」と、フォトニクスと量子科学の教授、エリック・ガウガーエディンバラのヘリオット・ワット大学の教授であり、新しいプロジェクトのリーダーでもあるとSpace.comに語った。
地球の軌道上にある衛星の数が増え続ける中、科学者たちは長期的にこれらの衛星に電力を供給する方法に焦点を当て始めています。より優れた動力機構があれば、おそらく宇宙船の寿命を延ばすことができるでしょう。考えられる解決策の 1 つはパワービームです。これは、太陽電池アレイを使用して太陽の光をレーザーまたはマイクロ波に変換し、被災した衛星に向けてビームを照射し、衛星側の受信機を介して電力を供給するものです。
2023 年初頭、宇宙からの最初の電力ビーム試験により、スペースソーラーパワーデモンストレーター衛星からカリフォルニア工科大学の地上局まで数ミリワット以下の低電力マイクロ波を送信することに成功しました。 2025 年に、日本の研究者は同様の偉業の達成を目指しています。
しかし、太陽電池アレイは大きくてかさばる可能性があり、その複雑な設計と回路により、軌道上の太陽光発電所では定期的な交換または修理が必要になります。おそらく、より持続可能で自給自足的な方法を見つける方が良いでしょう。APACE プロジェクトに取り組んでいる研究者たちは、解決策があると考えています。このプロジェクトでは、バクテリアの光合成を可能にする分子構造を、宇宙で使用できるレーザーシステムに適応させることを目指しています。
「私たちの重要なアイデアは、集光光学系を光合成アンテナ複合体に置き換えることです」とガウガー氏は語った。
APACE には英国、ドイツ、イタリア、ポーランドの研究者が参加しており、欧州イノベーション評議会と Innovate UK からフェーズ 1 に 476,000 ユーロの資金提供を受けています。APACE のプロジェクト マネージャーである Gauger 氏は、フェーズ 1 の内容について次のように説明しました。現時点では私たちの研究所で地球上で原理の証明を試みており、プロジェクトの終わりに向けて模擬宇宙条件下でそれをテストする予定です。」
これにより、チームは分子アンテナを抽出して実験し、どの種の細菌が太陽光発電宇宙船に最も使用可能なアンテナを生成するかを決定することになる。研究者らはまた、ナノエンジニアリング人工アンテナ構造を調査して、それらが有機物と比較してどれほど効率的で使いやすいかを比較する予定です。
たとえば、一部の極限環境細菌は、そこに降り注ぐほぼすべての光子を吸収し、エネルギーを細菌の細胞生物学の必要な場所に向けることができる分子アンテナを持つことで、非常に暗い環境でも繁殖することができます。
APACEプロジェクトは、そのような細菌を適応させ、そのアンテナを抽出して太陽光を吸収するために使用することを目指しています。太陽エネルギーはレーザー機構に転用されます。レーザーは、レーザーキャビティ内の「利得媒体」を使用して動作します。光子が利得媒質と相互作用すると、より多くの光子（誘導放出と呼ばれます）が生成され、強力でコヒーレントなビームを生成するのに十分な量になるまで光子が増幅されます。研究チームはネオジムナノ結晶を利得媒体として使用する可能性を検討しており、バクテリアの光合成アンテナによって集められた太陽光がレーザーを起動し、その後その活動を維持するための光子を供給することになる。
この細菌は、おそらく国際宇宙ステーションや人工衛星などの宇宙空間で増殖させることができ、古い太陽電池アレイの保守や交換のために地球から継続的に打ち上げる必要がなくなる。
しかし、Gauger氏が述べたように、実際に試作機を宇宙に打ち上げるにはさらに多くの資金が必要となり、フェーズ1が成功するかどうかに左右される。
現段階では、プロトタイプの成功したバージョンの利点は必ずしも効率ではありませんが、それは後で明らかになる可能性があります。一般的なシリコンベースのソーラーパネルは、約 30% の効率で太陽光を電気に変換し、平方メートルあたり数百ワットを生成します。光合成アンテナの材料となっているバクテリアの効率は 100% に近いですが、APACE プロジェクトの一環として設計されている有機太陽電池アレイは太陽光の 10 ～ 15% しか電力に変換できません。
これは自然の状態よりもはるかに劣っていますが、「進化が長い時間をかけて最適化してきたので、これは驚くべきことではないのかもしれません」とガウガー氏は言う。 「光合成がこれほど効率的である理由は正確にはわかっていません。また、人工構造では分子レベルでエネルギーを移動させるのが苦手で、材料の吸収性もそれほど強くありません。」
制限は別として、APACE は依然として大きな進歩をもたらします。 「これはまったく異なるアーキテクチャです」と Gauger 氏は言います。典型的なシリコンベースの太陽電池では、エネルギーは収集されますが、それを使用可能なものに変えるために、電子部品を使用して何らかの処理を行う必要があります。 「私たちの場合、電気的なものを何も使わず、バッテリーも回路も使わずにこれを行おうとしています。」この生物学的な光合成装置は、そのような機械を必要とせずに太陽光を自動的にレーザーに変換します。
そして、このテクノロジーの可能性に関しては限界がないことにも言及しておく必要があります。それが成功すれば、重いペイロードを運ぶ頻繁な宇宙打ち上げを必要としない、よりシンプルで自立的な技術のおかげで、パワービームのコストを下げることができる可能性があります。地球周回軌道上の衛星の電源を入れるだけで終わる必要もありません。いつか月や火星の基地や車両に電力をビームダウンするために使用できる可能性があります。
「宇宙に輸送するのではなく、より多くのバクテリアを増殖させて宇宙で製造することで、宇宙での生産能力を拡張できる可能性がある」とゲージガー氏は述べた。 「エンジニアリング上の問題のいくつかはおそらく少し先になるでしょうが、それが長期的なビジョンです。」
#バクテリアが次世代の宇宙搭載レーザーにどのような影響を与えているか