電気エネルギーと宇宙が作る明るい未来
九州工業大学
工学部電気工学科
趙孟佑(ちょう めんう)
http://laplace.ele.kyutech.ac.jp
http://laseine.ele.kyutech.ac.jp
1
夜の地球
Space Solar Power Developments at Boeing
Mark Henley The Boeing Company, 2002
2
人口増加とエネルギー問題
2000年の世界人口
60億人
2050年には?
87〜112億人
2050年に使ってるエネルギーは今の何倍?
2倍〜3倍
3
国民1人あたりに使っているエネルギーの量
A
B
C
D
アメリカ、ロシア、中国、インドはどこ?
http://www.fepc.or.jp/thumbnail/zumen/1-03.html
4
国民1人あたりに使っているエネルギーの量
http://www.fepc.or.jp/thumbnail/zumen/1-03.html
5
国民1人あたりに使っているエネルギーの量
中国とインドの人口:世界の3分の1
中国とインドで同じように電気を使いだしたら?
6
http://www.fepc.or.jp/thumbnail/zumen/1-03.html
エネルギーの将来
石油の埋蔵量
新たな油田の発見がないと
30年
新たに油田が見つかっても
80年
7
原油価格
原油価格のうつりかわり
年
• 2005年7月1日 58ドル/バレル
8
太陽発電衛星
エネルギーは地球の外から
無限の量
エネルギー問題の解決
環境問題もOK
もしかしたら、
貧困や戦争もなくなる明るい未来
人類の宇宙への進出
9
10
Credit:京都大学臼井
太陽発電衛星の原理
太陽光
太陽
太陽電池
送信アンテナ
受信アンテナ
(レクテナ)
電気
マイクロ波
(電磁波)
電気
家庭
宇宙
地上
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マイクロ波
• 人工衛星との信号のやりとり
– 宇宙空間で伝わりやすい電磁波
– 波長は10cmから1mm
– 1秒に30億回から3兆回振動
12
電磁波のいろいろ
100nm=1万分の1ミリ
ガンマ線(原子の崩壊など)
400nm
波長が短い
X線(レントゲン写真)
紫外線(日焼けする原因)
500nm
可視光線(レーザー)
赤外線(リモコン・ヒーターなど)
波長が長い
マイクロ波(電子レンジ)
600nm
電波(ラジオ・TV電波など)
波長が違うと、色や性質も違う
13
宇宙太陽光発電の利点
有害廃棄物(CO2含)が少ない
埋蔵資源に依存しない
学問的未知数が少ない
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太陽光発電所
地上
宇宙
稼働時間
昼間の晴天時のみ
地上施設
専用
需要地へ
の距離
大
大
大
?
○
?
建設費
安全性
24時間OK
他にも使える
15
宇宙vs地上
宇宙
太陽光強度
(ワット/m2)
地上(夏)
地上(冬)
時刻
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宇宙vs地上
地上太陽光発電が
代替できるところ
宇宙太陽光発電が
代替できるところ
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地上施設
Credit: Space Studies Institute http://www.ssi.org/assets/images/SPS_wi_rectenna.jpg
18
地上施設の設置箇所
アメリカの40%の土地が太陽発電衛星の地上施設に適している
silver.neep.wisc.edu/~neep533/FALL2001/lecture34.pdf
19
地上施設の設置箇所
プランA:電気を直接送る
プランB:水を電気分解して、水素を送る
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太陽発電衛星の応用
レーザ光送電によるロケット推進
21
Credit:Space Studies Institute
太陽発電衛星の応用
月面でのエネルギー伝送
22
http://www.ista.jaxa.jp/res/b05/ssps/11.html
太陽発電衛星の歴史
•
•
•
•
1968年
– Peter Glaser(米国)が提唱
1970年代
– オイルショック
– アメリカで紙上設計
• リファレンスシステム
1990年代
– 日本での研究
• SPS2000
– 地球環境問題(地球温暖化)、エネルギー危機
• 新たな注目
– NASA fresh look study
– NASDA及び経済産業省での検討
2003年
– 原油価格再び高騰
23
NASAリファレンスシステム
1977~80年にアメリカで検討
2000年のアメリカの送電力需要(原子力発電所300個分)を
全て太陽発電衛星でまかなう
縦16kmx横5km
総重量30,000ton
静止軌道上(高度36000km)に60個
出力500万キロワット
(原子力発電所5個分)
建造期間30年
総額200兆円
24
16kmx5km
16km
5km
25
SPS(Solar Power Satellite)2000
リファレンスシステムの反省
巨大過ぎて、現実味を欠く
国家的、社会的な合意が必要
Credit: 宇宙科学研究所
2000年の時点で実現可能な太陽発電衛星
技術的概念設計
経済的環境的検討
赤道上高度1000kmの円軌道で1万キロワットの衛星
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太陽発電衛星研究の現状(日本)
• 宇宙開発事業団(現宇宙航空研究開発機構:JAXA)
– 宇宙についての仕事
• 経済産業省
– エネルギーについての仕事
• 学界
– 太陽発電衛星研究会に100名程の研究者が参加
– 宇宙科学研究所、北海道大学、京都大学、慶応大学、神
戸大学、静岡大学、九州工業大学、東北大学、etc
• マイクロ波送電・受電
• 発電
• 軌道上展開組立
• 環境影響評価
• 経済社会性評価
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太陽発電衛星研究の現状(日本)
1GW=100万キロワット
経済産業省における検討モデル
http://www.usef.or.jp/f4_cyousa/frame_4.html
宇宙開発事業団&京都大学に
よるマイクロ波送電実験設備
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http://giken.tksc.nasda.go.jp/seika/gaiyou/H12/51files/
太陽発電衛星研究の現状(日本)
経済産業省での検討モデル
29
太陽発電衛星研究の現状(日本)
マイクロ波による伝送
レーザによる伝送
JAXAにおける検討モデル
30
太陽発電衛星研究の現状(日本)
2010年頃迄に打ち上げを予定している実証衛星の概念図
31
太陽発電衛星研究の現状(米国)
1995-97年
SPS フレッシュルックプログラム
1998年
NASAにおいて予算$2M(3億円)で
概念設計
1999-2000年
NASAは予算$15M(18億円)(単年
度)で先行研究及び技術開発プログ
ラムに着手
現在
秘密
NASAのサンタワー構想
Credit: NASA artwork by Pat Rawlings/SAIC
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太陽発電衛星の今後
33
太陽発電衛星実現への課題
打ち上げコストの低減 -> 現在の100分の1
マイクロ波の環境への影響解明
マイクロ波機器の高効率化
宇宙空間での大型建造物の組立て
宇宙環境に耐える
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打ち上げ費用の削減
打
ち
上
げ
価
格
(
億
円
)
100万円/kg
0
高度200kmへの打ち上げ能力
5トン
35
打ち上げ費用の削減
Space-X社 Falcon-1
SpaceShipONE
DC-X
1993~1996
6ton を15億で200kmに
25万円/kg
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電磁波の安全性
電磁波の安全基準は1mW/cm2の桁(例:電子レンジ)
1mW/cm2=1平方センチメートルに千分の1ワット
100万キロワットのマイクロ波電力を10km四方の面積で
受けると1mW/cm2
これからの調査で上がることもあるし、下がることもある。
電磁波は目に見えない
社会からの理解を得ることが重要
マイクロ波ガーデン、マウス実験(日本)
37
宇宙組立
組立てはロボットで
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宇宙環境に耐える
•
•
•
•
普通の人工衛星の寿命は最大15年
国際宇宙ステーションは20年
地上の発電所は30年
太陽発電衛星は人工衛星ではなく、発電所
と同じ
• 30年間宇宙環境で動かないといけない
39
宇宙環境の難しさ
• 空気がない
– 熱が逃げにくい。極端な高温と低温(300度を超える
温度差)
• 電気を帯びたプラズマ(電子やイオン)に覆われている
– 高い電圧(100V以上)を出すと、放電しやすい
• 放射線や紫外線が強い
– 材料がすぐに傷む
• 超高速(秒速8km,音速の25倍)で飛び交う微粒子
– 大きいもの(1cm以上)があたると致命傷
• 壊れても、直しに行けない
– 長期間(10年超)故障しないことが求められる
40
宇宙環境の難しさ
•
宇宙で長い間故障せずに動き続けるものを作るのは、チャレンジである。
大型化
長期化
有人化
www.gifu-keizai.ac.jp/ news/soccer_place.jpg
www.toysrus.co.jp/ images/6/8/9/689173000M.jpg
スプートニク1号
1957年10月
3週間
1W
国際宇宙ステーション
2010
15年〜20年,75kW
41
選択講座の内容
•
太陽発電衛星に関連した4つのテーマ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
宇宙環境での帯電・放電
衛星周辺のプラズマ環境
光エネルギー伝送
イオンエンジンロケット
宇宙エレベータ
クイズ大会
42
宇宙環境での帯電・放電
• 本物の宇宙用太陽電池を使って、どのような放電
が起きるかを観察する
43
宇宙環境での帯電・放電
• 本物の宇宙用太陽電池を使って、どのような放電
が起きるかを観察する
44
衛星周辺のプラズマ環境
• 衛星のまわりの宇宙環境がどうなっているかを調べる
• プラズマ:電子とイオンの集合
45
光エネルギー伝送
• 光によるエネルギー伝送の実験
• 太陽電池の出力測定
46
イオンエンジンロケット
• 太陽発電衛星を高い軌道まで運ぶイオンエンジン
ロケットの原理を体験
47
宇宙エレベータ
• 100年後には打ち上げロケットが要らなくなる!?
48
クイズ大会
選択講座で勉強した内容について、クイズ大会を開催
一等賞は
JAXA純正、野口宇宙飛行士スペースシャトル飛行記念プレミアワッペン
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宇宙に関連した仕事をするには?
• 国内派
–
–
–
–
工学部に進んで航空宇宙関連の企業に就職する
JAXAに就職する
大学で研究する
宇宙ベンチャービジネスを立ち上げる
• 海外派
– 海外留学して航空宇宙関連の企業に就職する
– 海外留学して宇宙ビジネスを始める
50
宇宙に行くための3つの方法
1.宇宙飛行士になる
– パーフェクトな日本人を演じる。理系の博士号と英語
– 海外に行って帰化するのも一つの手段
2.お金を儲ける
1週間20億円
30分 2000万円
3. 誰もが簡単に宇宙に行けるように、宇宙開発を担う1人と
51
して頑張る
ダウンロード

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