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レーザー無線エネルギー伝送技術の研究

レーザー(LASER)とは波長と位相が揃った光のことで、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(輻射の誘導放出による光増幅)の頭文字をとったものです。

レーザーの特色として、ビームの広がり角が小さく長距離を伝送させやすいこと、装置を小型化しやすいことが挙げられ、遠距離の通信手段、たとえば、衛星-衛星間の光通信などに使われています。その特色はエネルギーの伝送にも活かすことができ、宇宙空間で電力をレーザーに変換してエネルギーとして地球へ伝送し、地上でレーザーを電力に変換する宇宙太陽光発電システム(SSPS)を、レーザー方式SSPS(L-SSPS)と呼んでいます。

レーザーは波長により大気の透過率が大きく異なります。SSPS研究チームでは波長1070nm付近、近赤外域の連続発振(CW)のレーザーによる無線エネルギー伝送を研究開発の対象として選択しています。



エネルギー伝送手段としてのレーザーの特徴

  • 小型化しやすい。(小型/小電力供給のSSPSを実現できる可能性がある。)
  • 雲や雨により遮られる。
  • 大気により擾乱を受ける。
  • 人(眼)に対する安全基準が厳しい。(危険性が高い。)


レーザービーム方向制御技術の研究開発

ISS搭載植生ライダー (MOLI)
L-SSPS模式図

SSPS研究チームでは、レーザービーム方向制御技術の研究開発に注力しています。高度数百kmの低軌道から地上にエネルギーを伝送する条件では、誤差を数十cm以内に収める場合、1μrad(5.7×10-5度)の方向制御精度が、高度36000kmの静止軌道からでは、誤差を数十m以内に収める場合、0.1μrad(5.7×10-6度)の方向制御精度が必要となります。この精度を実現するため、地上サイトから宇宙機側へパイロットレーザービームを送出し、軌道上でその到来角を検知してビーコンレーザービームを打ち返すことで双方向リンクを確立し、その上でメインの高出力レーザービームにより地上へ送電を行う方式のビーム方向制御を選定しています。当面の方向制御精度目標として1μrad、将来的には0.1μradと設定しています。

地上付近の大気層では、レーザーは擾乱を受けます。地上から宇宙へ向かって送出するパイロットビームは特に大きく方向が乱され、宇宙機にてパイロットビームの到来角変動として検知されます。宇宙機ではその変動をFSM(Fast Steering Mirror)と呼ばれる高速駆動する方向制御用の鏡でレーザービームの方向を変化させてキャンセルし、ビーコンビームとメインレーザービームの方向を地上の受光部へ向けて高精度に制御します。

この方式は衛星-地上間の光通信技術と類似していますが、エネルギー伝送を高効率で行うためには、メインレーザービームの大部分を受光して電力に変換する必要があり、また通信と異なり高出力のレーザーを用いるため、宇宙機の送光用の光学系の設計には特別な配慮が必要です。



レーザー光源、受光部

現時点では、レーザー光源として、近年進歩の著しいファイバーレーザーを選定しています。溶接・切断等の加工機械用として広く使われ、波長1070nm(近赤外域)付近で10kW程度の出力のものが市場で入手できます。宇宙環境で使用できるよう、材料や熱制御についての検討を進めていくほか、将来的には、出力、効率をさらに高める必要があります。

地上に置かれる受光部では、レーザーを電力に高効率に変換する必要があります。SSPS研究チームでは、InGaAs等の光電変換素子を用い、特定波長のレーザーを高効率変換するための研究開発を進めています。



レーザー無線エネルギー伝送地上実験

SSPS研究チームでは、レーザーによる無線エネルギー伝送の地上実験を進めています。高精度のビーム方向制御を大気擾乱の影響下で確立させることが目的です。

レーザー伝送実験施設(角田宇宙センター)
水平方向距離500m、レーザービーム伝送高さ3mで、レーザー無線エネルギー伝送実験を行うことができます。安全確保のための遮蔽版を備え、気象観測装置も設置されています。

2012年から2013年にかけて、SSPS研究チームが保有しているレーザー伝送実験施設において、水平方向500mの伝送実験を行いました。大気擾乱の少ない状況では、1μradのビーム方向制御を達成しましたが、日射が強く地上付近の大気擾乱が悪化する条件の下では、レーザーの到来角変動を充分に制御できない結果となりました。


2016年5~6月、L-SSPS(宇宙から地上)と類似の経路条件での実験として、高さ約200mの塔の上から、下(地上)方向へのレーザーによる無線エネルギー伝送を行いました。宇宙から地上への伝送を模擬した経路において、高精度に方向制御されたレーザービームによる電力伝送の実現性を世界で初めて確認しました。地上へ向け照射されたレーザーエネルギーは340W(最大)、ビーム方向制御精度は約2.5μradでした。
詳しくはこちらをご覧ください。


日立製作所G1TOWERにおける
上下方向レーザー伝送実験

レーザー無線エネルギー伝送地上実験(イメージ)
上下方向200m


宇宙太陽光発電システムの研究 上下方向レーザ伝送実験の実験結果に関する記者説明会について



技術的課題への今後の取り組み

今後、レーザー無線エネルギー伝送技術の分野で取り組みが必要な技術的課題には、以下のようなものがあります。

  • 軌道上で使用できる高出力ファイバーレーザーの実現
  • 電力からレーザーへの変換効率の向上
  • レーザーから電力への変換効率の向上
  • FSM応答速度の向上(レーザービーム到来角変動への応答性向上)
  • 高出力レーザーに対応した光学設計
  • レーザービーム方向制御の精度向上
  • 天候によるエネルギー伝送効率低下・遮断の回避手法(天候予測、マルチサイト化)