「逐日」プロジェクト：空を独占する

皆さん、今や発電といえば、発電所を空に設置して太陽光発電を行う時代です！しかも、単に設置するだけでなく、電力をワイヤレスで送電することも可能です！これって、まるでSF映画のシーンのようですね？しかし、中国では実際にこの技術を実現させています！最近、中国の無線電力伝送システムの試験が成功しました。ドローンは飛行しながら充電でき、ケーブルを接続したり着陸したりする手間が省け、送られてくるマイクロ波で飛行を継続できます。もちろん、これはまだ始まりに過ぎず、宇宙太陽光発電所の道のりはまだ長いものです。その名前は「逐日工程（ジュリー・プロジェクト）」ですが、なんだかロマンチックに聞こえませんか？ では、なぜ地上からわざわざこの「逐日プロジェクト」に取り組むのでしょうか？それは、地上の太陽光発電の最大の問題が「間欠性」にあるからです。夜間や曇り・雨の日には発電できません。え？それでもなぜやるのかって？それは、エネルギー貯蔵技術では電力網への吸収問題しか解決できず、太陽光パネルの利用率を高めることはできないからです。そこで、賢い科学者たちは、宇宙に直接出向いて太陽エネルギーを捕らえるという方法を思いつきました。その利点は明らかです。第一に、大気の干渉がないため、エネルギー密度が高いことです。地表で1平方メートルあたりに受け取る太陽エネルギーは約136ワットですが、宇宙では1360ワット、さらにはそれ以上にもなります。第二に、発電所は高度3万6000キロメートルの静止軌道に配置される。距離が離れているため、地球の影による遮蔽はほとんどなく、99％以上の時間で発電が可能だ。したがって、物理的な観点から見れば、これは間違いなく採算が合う。 しかし、言うは易く行うは難しです。「太陽追尾プロジェクト」には、「収集」「変換」「伝送」「受電」という4つの中核技術要素があります。それぞれの要素において、巨大な技術的難題を克服する必要があります。まず、「収集」はどうするか？宇宙では塵が積もるため、発電所の建設に鉄筋コンクリートは使えず、集光設備は軽量でなければなりません。そこで、中国の科学者たちは「オメガ（Omega）アーキテクチャ」、すなわち「Orb-shaped membrane energy gathering array」を提案した。簡単に言えば、巨大な超軽量の球面集光鏡であり、太陽光を球体の中心付近の一点に集めるものだ。この設計は、米国の「アルファ（Alpha）アーキテクチャ」よりもシンプルで実用的である。 米国は1968年から宇宙発電の構想を練り始めていたが、評価の結果、難しすぎてコストもかかりすぎるとして、計画は棚上げされた。2011年になってようやくNASAが「アルファ」と呼ばれる新たな計画を打ち出した。これは、数万枚の鏡が太陽に向けて絶えず角度を微調整し、極限までの軽量化とモジュール化を追求した、巨大かつ精巧なシステムである。しかし、アルゴリズムによる協調制御の複雑さは想像に難くない。米国政府もNASAに巨額の予算を割り当てていないため、プロジェクトの実現は難航しており、コンピュータモデリングやチップのユニットテストなどの段階にとどまっており、カリフォルニア工科大学のSSPPプロジェクトよりも進捗が遅れている。 一方、中国は21世紀になってから研究を開始したためスタートは遅かったが、現在ではシステム全体にわたる地上実機による閉ループ試験の段階にまで到達している。新エネルギーの開発に対する国家の戦略的な決意と資金支援に加え、最も重要な理由は、革新的な発想で独自の道を切り開いたことにある。鏡をあれこれ回転させるようなことはせず、動的なソフトウェア制御は難しすぎる。そこで、固定式の球面集光器を採用した。方向を調整する必要もなく、太陽光がどのような角度から球体に入射しても、自然に球心の近くの1本の線上に集光される。その内部に、機械的に動くエネルギー吸収レールを設置すればよい。頭を悩ませるソフトウェアアルゴリズムの問題を、我々が最も得意とするハードウェアおよびメカトロニクス工学の問題へと単純化したのです。まさにこの実務的なエンジニアの思考こそが、我々が「定点全リンク」と呼ばれる1.0段階や、「動的多目的」といった2.0段階の地上検証をいち早く完了できた理由です。実体構築と技術の面において、他を「一身位」リードしていると言えます。 さて、太陽光を収集した後の第二段階は「変換」です。宇宙から地上に至るまで、光から電気へ、電気から電波へ、電波から電気へと、いくつかの変換工程があります。その中の難点は、無線送電の全リンク効率、すなわちいかに損失を低減させるかという点にあります。「逐日プロジェクト」では、第3世代半導体であるガリウム窒化物（GaN）を宇宙側送信端の固体電力増幅器に使用しています。抵抗が小さいため、熱損失が少なくなります。地上側受信端の整流ダイオードはスイッチング速度が速く、マイクロ波の振動を正確に捕捉して、より多くのマイクロ波を電気エネルギーに変換することができます。冒頭で触れた大きな進展の一つは、100メートル級の距離において、複数の移動目標に対して同時にキロワット級のマイクロ波による無線エネルギー伝送を実現したことです。直流から直流への全リンク伝送効率は20.8％へと大幅に向上し、つまり元の電力の5分の1を成功裏に伝送し、利用可能な電力へと変換できており、これは国際的にも最高水準に属します。 第4のステップは「伝送」であり、36,000キロメートル先からマイクロ波を送信することです。どのようにして地上の受信局に確実に命中させるのでしょうか？その方法は双方向通信であり、まず地上から宇宙に向けて誘導信号を送信し、宇宙側で受信局の位置をリアルタイムで算出します。その後、送信側ではアクティブ・フェーズドアレイアンテナを使用します。これは、無数の微小な送信ユニットが地上のフィードバックに基づいて自身の波送信タイミングを調整し、無数のマイクロ波の波形を特定の方向で同期させて衝突させ、最大のエネルギーを引き出し、地上の受信局に正確に照射する仕組みです。最新のビーム集束効率は88％に達しています。 最後のステップは「受信」だ。将来的には、地上にアンテナアレイで構成された巨大複合施設が設置され、マイクロ波を捕捉して電気に変換し、整流・インバーター処理を経て送電網に電力を供給するようになるかもしれない。これはまだはるか先のビジョンではあるが、ふと気づいた。多くのネットユーザーが、張院長が取り組んでいる分野を「未来史学」だと冗談交じりに言っているが、まさにその通りだ。彼は政治秩序とエネルギー利用の関係についてよく語っている。例えば、英米は石炭や石油によって台頭したが、現在、中国は前例のない新エネルギーの飛躍を遂げている。実は、人類学者のレスリー・ホワイトや天文学者のカルダシェフも同様の論点を述べており、文明の進化や先進性は、文化・政治・道徳の水準ではなく、一人当たりの利用可能エネルギーの量によって決まるというものです。 技術的な観点から見れば、人類文明とは、エネルギー密度を絶えず高め、より大規模で高度に複雑な社会組織を支えていくための進化ゲームに他なりません。科学者のカール・セーガンはかつて、人類文明のスコアがおよそ0.7程度であると計算したことがある。これは母星に縛られたタイプ0文明に属し、太陽光が大気圏を通過し、減衰して地表に到達するのを受動的に待ち、それを利用することしかできない。「太陽追跡プロジェクト」の本質は、惑星の境界を打ち破り、能動的に宇宙へ出て恒星のエネルギーを捕捉し、惑星レベルのタイプI文明へと飛躍を試みることにあります。私は、人類をこの一歩へと導くのが、中国の科学者や技術者たちであることを願っています。