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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。高度ミッション研究グループでは波長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

 

レーザービーム方向制御技術の研究開発

L-SSPS模式図

L-SSPS模式図
高度ミッション研究グループでは、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。高度ミッション研究グループでは、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

レーザー伝送実験施設(角田宇宙センター)
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。
高度ミッション研究グループでは、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。

2012年から2013年にかけて、高度ミッション研究グループ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。

今後は、L-SSPS(宇宙から地上)と類似の経路条件での実験として、上下方向の伝送実験を行う計画です。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検討しています。大気擾乱が大きい地表近くをレーザービームが通る部分が短いため、日射が大きいときにも安定したレーザービーム方向制御が確立できることを目指します。レーザーの最大出力は500W、ビーム方向制御精度目標は1μradです。2015年の実施を目標としています。
レーザー無線エネルギー伝送地上実験(イメージ)

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
 

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。