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電気エネルギーと宇宙が作る明るい未来

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. 夜の地球. Space Solar Power Developments at Boeing Mark Henley The Boeing Company, 2002. 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？

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電気エネルギーと宇宙が作る明るい未来

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 夜の地球 Space Solar Power Developments at Boeing Mark HenleyThe Boeing Company, 2002

  3. 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

  4. A D C B 国民１人あたりに使っているエネルギーの量 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

  5. 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

  6. 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？ http://www.fepc.or.jp/thumbnail/zumen/1-03.html

  7. 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

  8. 原油価格のうつりかわり 原油価格 • 2005年7月1日　58ドル/バレル 年

  9. 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

  10. Credit:京都大学臼井

  11. 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. 400nm 500nm 600nm 波長が違うと、色や性質も違う 電磁波のいろいろ 100nm=1万分の1ミリ 波長が短い 波長が長い ガンマ線（原子の崩壊など）  Ｘ線（レントゲン写真）  紫外線（日焼けする原因）  可視光線（レーザー）  赤外線（リモコン・ヒーターなど）マイクロ波（電子レンジ）  電波（ラジオ・ＴＶ電波など）

  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

  14. 太陽光発電所 地上 宇宙 昼間の晴天時のみ 24時間OK 稼働時間 他にも使える 地上施設 専用 大 需要地へ 大 の距離 大 ？ 建設費 ○ 安全性 ？

  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

  16. 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

  17. 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

  20. 太陽発電衛星の応用レーザ光送電によるロケット推進太陽発電衛星の応用レーザ光送電によるロケット推進 Credit:Space Studies Institute

  21. 太陽発電衛星の応用 月面でのエネルギー伝送 http://www.ista.jaxa.jp/res/b05/ssps/11.html

  22. 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

  26. 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

  27. 太陽発電衛星研究の現状(日本） 1GW=100万キロワット 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 経済産業省における検討モデル http://www.usef.or.jp/f4_cyousa/frame_4.html http://giken.tksc.nasda.go.jp/seika/gaiyou/H12/51files/

  28. 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

  32. 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

  34. 打ち上げ費用の削減 打ち上げ価格（億円） 100万円/kg 5トン 高度200kmへの打ち上げ能力 0

  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

  36. 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

  38. 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 国際宇宙ステーション 2010 15年〜20年,75kW スプートニク1号 1957年10月 3週間 1W

  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 • 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. 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 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

  49. 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

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