カリフォルニア工科大学の SSPD-1 は宇宙用太陽光発電の新しいアイデア

軌道上にある巨大な太陽光発電所から文明に電力を供給するというアイデアは、どの宇宙計画よりも古いが、70年にわたるロケット科学にもかかわらず、赤道上空数万キロメートルでほぼ一定の太陽光を集め、それをマイクロ波として地球に照射するというコンセプトは、まだ実現していない。 、そしてそれを電気に変換します。今でも地平線の彼方に魅惑的に残ります。 NASAと欧州宇宙機関の委託を受けて最近発表されたいくつかの詳細な分析は、近い将来、宇宙太陽光発電が手頃な価格で数ギガワットのクリーンエネルギーを生成できるという期待に冷や水を浴びせた。 それでも夢は生き続けます。

その夢は、2023 年 1 月に一種の打ち上げを達成しました。そのとき、カリフォルニア工科大学で設計された一連の新技術を搭載した太陽宇宙電力実証衛星 SSPD-1 が、1 年間にわたって地球低軌道に打ち上げられました。ミッション。 それぞれが国際宇宙ステーションよりも一桁大きい人工衛星の宇宙内でのロボット組み立ての技術的実現可能性についての懸念を念頭に、カリフォルニア工科大学のチームは宇宙太陽光発電への全く異なるアプローチを検討してきた。

SSPD-1 ミッションが何を達成したか、そしてそれが宇宙太陽光発電衛星の将来のコンセプトをどのように形作るかについての最新情報については、 IEEEスペクトル IEEEフェローであり、カリフォルニア工科大学の電気工学教授であり、同校の宇宙太陽光発電プロジェクトの共同ディレクターでもあるアリ・ハジミリ氏に話を聞いた。 インタビューは、長さと明瞭さのために凝縮および編集されています。

SSPD-1 はいくつかの異なるテストベッドで飛行しました。 ワイヤレス電力伝送用の MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) テストベッドから始めましょう。 2023 年 5 月にあなたとあなたのチームがキャンパス内の建物の屋上に上がり、衛星が通過する場所にアンテナを向けたとき、あなたの機器はビームダウンされている実際の電力を受信しましたか、それとも単なる診断信号でしたか?

しかし、ハジミリ： それを検出と呼びます。 MAPLE 実験の主な目的は、柔軟で軽量な構造と標準的な CMOS 集積回路を使用して、宇宙での無線エネルギー伝送を実証することでした。 片面には電力を伝送するアンテナがあり、もう片面には電力伝送エレクトロニクスの一部であるカスタム CMOS チップがあります。 これらの製品のポイントは、非常に軽量であること、宇宙への打ち上げコストを削減すること、そして帆のように巻き付けたり広げたりできるため、保管と展開が非常に柔軟であることです。

アリ・ハジミリは、カリフォルニア工科大学の宇宙ベースの太陽光発電プロジェクトの共同ディレクターです。カリフォルニア工科大学

なるほど、ロケットの中に収まるように包み、軌道上に放出したら包みを解いて平らに伸ばします。

Hajimiri: MAPLE の主な目的は、これらの薄っぺらいアレイと CMOS 集積回路が宇宙でも動作できることを実証することでした。 それだけでなく、無線エネルギー伝送を宇宙のさまざまなターゲット、さまざまな受信機に誘導できるのです。 そして、エネルギー伝達とは、受信側の正味電力出力を意味します。 私たちは宇宙での電力伝達を実証し、多くの測定を行いました。 現在詳細を作成しており、その結果を公表する予定です。

この実験の 2 番目の部分 (実際にはストレッチ ゴール) は、地球上の適切な場所にビームを向ける能力を実証し、予想される出力レベルが得られるかどうかを確認することでした。 さて、宇宙にある送信アレイが大きくなるほど、地上の小さなスポットにエネルギーを集中させる能力が高まります。

そうです。ビームの回折により、送信機のサイズとマイクロ波の周波数の関数としてスポットのサイズが制限されるからです。

Hajimiri: はい。 MAPLE 用のスペースにある配列は非常に小さかったです。 その結果、送信機は非常に広いエリアに電力を分散させました。 したがって、私たちはエネルギーのごく一部を捕捉しました。それが私がそれを検出と呼んでいる理由です。 それは正味のプラスの力ではありませんでした。 しかし、私たちはそれを測定しました。 私たちが知りたかったのは、計算から予測したことが得られるかどうかです。 そして、そのような実験から予想された出力レベルの適切な範囲内にあることがわかりました。

つまり、標準的な通信衛星の運用で送信される信号に匹敵する出力となります。

Hajimiri: しかし、この柔軟で軽量なシステムを使用することで、それがより優れたものになります。 次世代の通信衛星やこれらを使用して構築された宇宙ベースのセンサーを開発して、システムを大幅に安価で軽量にし、展開を容易にすることを想像することができます。 現在スターリンクとカイパーに使用されている衛星は、非常に機能しますが、大きくて重いです。 次世代のこのテクノロジーを使用すると、非常に小規模ではるかに安価な起動で数百台を展開できます。 それは、空でのより効果的なインターネットにつながる可能性があります。

ALBA について教えてください。ALBA は、32 種類の異なる新しい種類の太陽光発電太陽電池をテストして、宇宙でどのように機能するかを調べるミッションの実験です。 重要なポイントは何でしたか?

Hajimiri: 私のカリフォルニア工科大学の同僚、ハリー・アトウォーターがその実験を主導しました。 地球上で最もうまく機能するものが、必ずしも宇宙でも最もうまく機能するとは限りません。 宇宙では放射線による損傷が多く、数か月にわたる劣化速度を測定することができました。 一方、宇宙には水蒸気がなく、空気の酸化もありません。これは、それらの問題があるペロブスカイトのような材料には適しています。 そこで、ハリーと彼のチームはトレードオフを模索し、より安価で軽量な多くの新しいセルを開発している。ペロブスカイトの薄膜やガリウムヒ素などの半導体で作られたセル、量子ドットを使用したセル、導波路やその他の光学系を使用したセルなどである。光を集中させるため。 これらの細胞の多くは非常に大きな可能性を示しています。 特に、ガリウム砒素の非常に薄い層は、必要な半導体材料が非常に少ないため、軽量でありながら非常に高性能でコストがはるかに低いセルの製造に非常に役立つと思われます。

あなたのグループが 2022 年のプレプリントで発表したものも含め、太陽光発電衛星の設計コンセプトの多くには、太陽光発電の面積と必要な質量を削減するために集光器が組み込まれています。

Hajimiri: この設計の課題は、受光角がかなり狭いことです。集束した太陽光がセルに適切に当たるように、物事を適切に位置合わせする必要があります。 それが、私たちがそのアプローチから離れ、フラット デザインに移行した理由の 1 つです。

MAPLE 内部からの眺め: 右側にはフレキシブルなマイクロ波電力送信機のアレイがあり、左側には電力を送信する受信機があります。カリフォルニア工科大学

カリフォルニア工科大学の電力衛星の設計と他の概念との間には、他にもいくつかの大きな違いがあります。 たとえば、私がこれまでに見た他の設計では、2 ギガヘルツから 6 ギガヘルツまでの Wi-Fi 範囲のマイクロ波を使用していました。これは、これらの周波数では安価なコンポーネントが入手できるためです。 しかし、あなたのものは10 GHzですか？

Hajimiri: まさにそのとおりです。周波数を 2 倍にすると、宇宙と地上のシステムのサイズが 4 分の 1 に減少するため、これは大きな利点です。 基本的に、私たちがそれを実現できるのは、私たちが独自のマイクロチップを構築し、ミリ波回路設計において多くの能力を備えているからです。 私たちは、28 GHz で動作するこれらのフレキシブル パネルのいくつかを実際に実証しました。

また、あなたの設計では、ロボットが宇宙でコンポーネントの大規模な組み立てを行う必要がなくなりますか?

Hajimiri: 私たちのアイデアは、これらの帆のような構造物の艦隊を展開し、すべてが密集した編隊を組んで飛行することです。 それらは互いに付着していません。 それは大幅なコスト削減につながります。 それぞれの端には小さなスラスターがあり、飛行中に自身の形状を測定し、それに応じて送信の位相を修正できる内部センサーが含まれています。 それぞれは、隣接するものに対する自身の位置と、太陽に対する角度も追跡します。

電気技術者としてのあなたの観点から見て、まだ解決すべき本当に難しい問題は何ですか?

Hajimiri: 送信機アレイのすべての部分間の時刻同期は非常に重要であり、将来の最も興味深い課題の 1 つです。

送信機はフェーズド アレイであるため、地上の受信局にビームを向けるためには、アレイ内の 100 万個の小さなアンテナのそれぞれが隣接するアンテナの位相と正確に同期する必要があります。

Hajimiri: 右。 このようなアレイ全体で必要なタイミング精度のレベルを把握するには、キロメートル幅の送信機全体で位相ノイズとタイミング ジッターをわずか数ピコ秒まで削減する必要があります。 研究室では、フォトダイオードが組み込まれた CMOS チップに接続する正確な長さのワイヤまたは光ファイバーを使用してこれを行います。 それをワイヤレスで行う方法についてはいくつかのアイデアがありますが、妄想はありません。これは長い旅です。

他にどのような課題が迫っていますか?

Hajimiri: 巨大な規模のシステムと、それを構築するために必要な新しい製造インフラは、人類がこれまでに構築したものとは大きく異なります。 私が課題をランク付けするとしたら、この規模のプロジェクトを支える意志、リソース、マインドシェアを獲得することを第一位に挙げるでしょう。