(57)【要約】発電および配電するシステムおよび方法は、天然ガス、石油、固体燃料または地熱エネルギのような自然燃料または電力源に近接する地球上の位置にある１つ以上のマイクロ波電力送信機を含む。燃料またはエネルギ源は、現場で電気に変換され、電気は、次いで、マイクロ波電力送信機から地球周回軌道内のリディレクタ衛星に送信されたマイクロ波電力ビームに変換される。リディレクタ衛星は、次いで、１つ以上のマイクロ波ビームを、電力網に供給するために適切なサイトにある消費国家に位置するレクテナに、あるいは、地球の向こう側に位置するレクテナに向けるための追加リディレクタ衛星に、送信する。
2008507948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
該電源に接続され、電気をマイクロ波ビームに変換するための少なくとも１つのマイクロ波送信機であって、該マイクロ波ビームを方向付ける第一のビームディレクタを含む、少なくとも１つのマイクロ送信機と、
天体周回軌道内にあり、該送信機からの該マイクロ波ビームを受信するための少なくとも１つのリディレクタ衛星と
を備える、配電システムであって、
該衛星は、該受信マイクロ波ビームを複数の出射マイクロ波ビームに変換する送信機と、該出射ビームを所定の方向に向ける第二のビームディレクタとを有する、配電システム。
【請求項２】
前記電源は、発電ユニットである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電源およびマイクロ波送信機は、惑星の表面上に位置する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記惑星は、地球である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
地球上に間隔を空けた位置に複数のレクテナステーションをさらに備え、前記第二のビームディレクタは、少なくとも１つの前記出射ビームを、前記レクテナステーションの１つを備える選択された標的に向ける手段を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第二のビームディレクタは、少なくとも幾つかの前記出射ビームを、地球上のレクテナステーションを備える選択された標的に向ける手段を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記天体周回軌道内に、少なくとも１つの追加リディレクタ衛星をさらに備え、前記第二のビームディレクタは、少なくとも１つの前記出射ビームを、該第一のリディレクタ衛星から前記天体の向こう側に位置する少なくとも１つの受信機ステーションへの方向に該追加リディレクタ衛星を備える標的に向ける手段を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
月周回軌道内に少なくとも１つの第二のリディレクタ衛星をさらに備え、
前記第二のビームディレクタは、少なくとも１つの前記出射ビームを、該第二のリディレクタ衛星に向ける手段を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
前記第二のビームディレクタは、少なくとも１つの前記出射ビームを、月上に位置するレクテナステーションに向ける手段を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項１０】
複数の選択された標的をさらに備え、
前記第二のビームディレクタは、少なくとも幾つかの前記出射ビームを、該選択された標的に向ける手段を備え、
該標的は、地球上の間隔を空けた位置にあるレクテナステーション、月上の少なくとも１つのレクテナステーション、地球周回軌道内の追加リディレクタ衛星、月周回軌道内のリディレクタ衛星、軌道ビークル、地球−軌道ビークル、および、他の宇宙ビークルからなるグループより選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記ビームディレクタは、少なくとも１つの電力ビームを軌道ビークルに向ける手段を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電源は、発電ユニットを備え、該発電ユニットは、該発電ユニットに燃料を提供するための天然燃料源に隣接して位置する、請求項３に記載のシステム。
【請求項１３】
前記発電ユニットに位置し、前記燃料の電気への変換において生成された排ガスを収集するための収集装置をさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記収集された排ガスの少なくとも一部を、前記燃料サプライに注入して戻すためのインジェクタをさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
天然燃料レザボアと、
前記収集された排ガスを該天然燃料レザボアの中に注入するためのインジェクタと
をさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記発電ユニットは、前記燃料源から、１０００マイル以下の距離に位置する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記発電ユニットと前記天然燃料源とは、１０マイル以下の間隔で近くに接近している、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記天体の表面付近から離れた位置にある複数の追加電源と、
少なくとも１つのマイクロ波電力ビームを生成し、該ビームを少なくとも１つの標的に向けるための各電源と関連する少なくとも１つのマイクロ波送信機と
をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項１９】
電力または燃料源を電気に変換するステップと、
該電気を送信機で、少なくとも１つのマイクロ波電力ビームに変換するステップと、
天体周回軌道内にある少なくとも１つのリディレクタ衛星を提供するステップと、
該送信機からの少なくとも１つのマイクロ波電力ビームを該リディレクタ衛星に向けるステップと、
該リディレクタ衛星で、該マイクロ波電力ビームを複数の出射マイクロ波電力ビームに変換するステップと、
該出射電力ビームを、複数の選択された標的に向けるステップと
を包含する、エネルギを輸送する方法。
【請求項２０】
前記出射電力ビームを向けるステップは、少なくとも１つのマイクロ波電力ビームを、前記リディレクタ衛星から、少なくとも１つの第二のリディレクタ衛星にリレーするステップを包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記出射電力ビームを向けるステップは、少なくとも１つの出射電力ビームを、前記リディレクタ衛星から、前記天体の表面上に位置する少なくとも１つのレクテナに向けるステップを包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記出射電力ビームを向けるステップは、少なくとも幾つかの前記出射電力ビームを、前記リディレクタ衛星から、前記天体の表面上に位置する複数の間隔の空いたレクテナに向けるステップを包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記リディレクタ衛星は、地球周回軌道内にあり、前記出射電力ビームを向けるステップは、少なくとも１つの該出射電力ビームを月に向けるステップを包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記リディレクタ衛星は、地球周回軌道内にあり、前記出射電力ビームを向けるステップは、少なくとも１つの該出射電力ビームを月周回軌道内の第二のリディレクタ衛星に向けるステップを包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記天体の表面あたりの複数の位置に複数の発電所を備えるステップをさらに包含し、
各発電所は、電力源または燃料を電気に変換する発電ユニットと、該電気を少なくとも１つのマイクロ波ビームに変換し、該ビームを少なくとも１つの選択された標的に向けるためのマイクロ波送信機とを備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
各位置は、石油、石炭、メタンおよび天然ガスからなるグループから選択される天然燃料源に近接し、
燃料を電気に変換する際に生成される排ガスを収集するステップと、
該排ガスを燃料源に戻して注入し、該燃料源からの燃料回収を促進するステップと
をさらに包含する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記電気を変換するステップは、複数のマイクロ波電力ビームを生成するステップと、
各ビームを前記天体周回軌道内のリディレクタ衛星に向けるステップと
を包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記出射マイクロ波ビームを電力需要に基いて異なる標的に、新たに向けるステップをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記送信機から送信された１つ以上のマイクロ波電力ビームを用いて、前記天体の表面から軌道に向かうビークルに、電力供給するステップをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項３０】
前記リディレクタ衛星は、地球周回軌道内にあり、
前記送信機から、および、該軌道リディレクタ衛星から送信された前記マイクロ波電力ビームを用いて、カーゴベッセルに電力供給し、地球からの機材を月の近傍または月に輸送するステップと、
該機材および月の材料を用いて、太陽エネルギの収集および送信システムを月上に建設するステップと
をさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項３１】
前記電気を変換するステップは、複数のマイクロ波電力ビームを生成するステップと、
各ビームを前記天体周回軌道内のリディレクタ衛星に向けるステップと
を包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項３２】
レクテナサイトにある入射マイクロ波ビームの位置を検出するステップと、
該マイクロ波ビームが、該レクテナサイト上で、正しく中心にない場合、該ビームを遮断し、ビーム不均衡信号を前記軌道リディレクタ衛星に送信するステップと、
該不均衡信号に基づいて、該軌道リディレクタ衛星から、該マイクロ波ビームを該レクテナサイト上に導くステップと
をさらに包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項３３】
前記送信機からの前記ビームを向けるステップは、複数のマイクロ波ビームを異なる軌道リディレクタ衛星に送信するステップを包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項３４】
前記ビームを向けるステップは、１つのリディレクタ衛星から少なくとも１つの別のリディレクタ衛星に少なくとも幾つかのビームをリレーするステップをさらに包含し、
ここで、ビームは、前記送信機から前記天体の向こう側にあるレクテナに向けられ得る、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記天体上の前記送信機から、前記天体の月上のオペレーティングステーションに、少なくとも１つのマイクロ波電力ビームを向けるステップをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項３６】
前記天体は、地球を含み、前記送信機は、前記月に直接、少なくとも１つのマイクロ波電力ビームを向ける、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記天体は、地球であり、
少なくとも１つのマイクロ波電力ビームを、前記送信機から、月周回軌道内の月リディレクタ衛星に向けるステップと、
該ビームを、該月リディレクタ衛星から、地球からの月の向こう側にあるオペレーティングステーションに向けるステップと
をさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項３８】
電力源を電気に変換する発電ユニット、および、該電気を少なくとも１つのマイクロ波ビームに変換するための該発電ユニットと関連し、該マイクロ波ビームを向けるためのビームディレクタを含むマイクロ波送信機ユニットを備える、少なくとも１つの発電所と、
該マイクロ波ビームを受信するための少なくとも１つの軌道リディレクタ衛星と、
１つ以上のマイクロ波ビームを受信し、該受信したマイクロ波を電気に変換し、該電気を地方または地域の電力網に提供するために、地球上に複数のレクテナステーションと
を備え、
該衛星は、少なくとも１つの選択されたマイクロ波ビームを、リアルタイムの電力要求によって該地球の周りに分布された複数のレクテナステーションから選択された１つのレクテナステーションに向けるビーム方向付け手段を有する、発電および配電システム。
【請求項３９】
前記発電所は、前記電力源を備える化石燃料源に近接して位置し、
該発電所は、前記発電ユニットによって生成される排ガスを収集するための収集装置ユニットと、該排ガスを前記化石燃料サプライに戻して注入し、該サプライからの燃料の回収を促進するための注入デバイスとをさらに備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記化石燃料サプライは、油田、天然ガス田および炭鉱からなるグループから選択される、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
材料を地球軌道の中へまたは宇宙の中へと輸送する複数のカーゴベッセルをさらに備え、
該カーゴベッセルは、前記発電所または前記リディレクタ衛星から向けられたマイクロ波ビームによって電力供給される駆動手段を有する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４２】
選択された化石燃料サプライサイトで、前記地球の周りに位置する複数の発電所と、
選択された発電所からマイクロ波電力ビームを受信し、該受信されたマイクロ波電力ビームを選択されたレクテナステーションに新たに向けるための複数の軌道リディレクタ衛星と
をさらに備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４３】
前記レクテナステーションに追加電力を提供するために、前記月上に位置された少なくとも１つの月面太陽発電所をさらに備え、
該月面太陽発電所は、太陽放射を収集するための複数の太陽エネルギ収集装置、太陽エネルギをマイクロ波に変換する変換器アセンブリ、および、１つ以上のマイクロ波ビームを選択された軌道リディレクタ衛星に送信するためのマイクロ波送信機を備え、
該マイクロ波ビームは、地球上の選択されたレクテナステーションに新たに向けられ得る、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記軌道リディレクタ衛星は、選択されたレクテナステーションに、軌道ミラー、および、該ミラーを照準するステアリング装置を備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４５】
前記軌道リディレクタ衛星は、
前記マイクロ波ビームを電気に変換する軌道レクテナ、および、１つ以上のマイクロ波ビームを地球上の１つ以上の選択されたレクテナステーションに向けて送信するために、該変換された電気によって電力供給されるマイクロ波送信機を備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４６】
前記軌道リディレクタ衛星は、マイクロ波の単一の入射ビームを受信し、該ビームを、地球上で選択されたレクテナステーションに向けられた複数の出射マイクロ波ビームに分割する反射アレイを備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４７】
各レクテナステーションは、前記新たに向けられたマイクロ波ビームの前記近場にある、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４８】
前記軌道リディレクタ衛星は、非静止軌道内にある、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４９】
仮設位置に置くための複数のフレキシブルなレクテナパネル、および、該仮設位置を１つ以上の軌道リディレクタ衛星に同定する手段を備える仮設レクテナステーションをさらに備え、
１つ以上のマイクロ波ビームは、該仮設レクテナステーションに向けられ得る、請求項３８に記載のシステム。
【請求項５０】
各レクテナステーションは、
前記入射マイクロ波ビームを検出するために、前記レクテナステーションの周囲にアレンジされた複数の検出器と、
該検出器によって受信された電力をモニタし、該検出器によって該受信された電力内に、該ビームが該レクテナステーション上で正しく中心合わせされていないことを示す任意の不均衡を検出すると、出力補正信号を生成する、各検出器の前記出力に接続された均衡ユニットと、
該マイクロ波ビームを該レクテナステーションに送信している前記軌道リディレクタ衛星に、該補正信号を送信する送信機と
をさらに備え、
該マイクロ波ビームの方向は、該レクテナステーションの周囲あたりでの該受信信号内で検出された不均衡に基づいて、補正され得る、請求項３８に記載のシステム。
【請求項５１】
地球上の第一の位置で、燃料または他の電力源を電気に変換するステップと、
該第一の位置にある送信機で、該電気を少なくとも１つのマイクロ波電力ビームに変換するステップと、
該電力ビームを直接、月上の第二の位置にある月面ベース受信ステーションに送信するステップと、
月上の電力供給オペレーションのために、該受信マイクロ波電力を電気に変換するステップと
を包含する、発電および送電の方法。
【請求項５２】
電力ビームを前記送信機から、月周回軌道内のリディレクタ衛星に送信するステップと、
該ビームを、地球から月の向こう側の第三の位置にある月面ベース受信ステーションに向けるステップと
をさらに包含する、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
地球上の第一の位置で、燃料または他の電力源を電気に変換するステップと、
該第一の位置にある送信機で、該電気を少なくとも１つのマイクロ波電力ビームに変換するステップと、
該電力ビームを軌道宇宙探査機に送信するステップと、
該探査機を地球周回軌道内で推進するために、該電力を用いて、大気を熱するステップと
を包含する、発電および送電の方法。
【請求項５４】
燃料または他の電力源を電気に変換する発電ユニット、および、該発電ユニットと関連し、該電気を少なくとも１つのマイクロ波ビームに変換し、該マイクロ波ビームを向けるビームディレクタを含むマイクロ波送信機を備える、月上の第一の位置にある少なくとも１つの発電所と、
該マイクロ波ビームを受信する少なくとも１つの軌道リディレクタ衛星と、
１つ以上のマイクロ波ビームを受信するために、月上の第二の位置にある少なくとも１つのレクテナステーションと
を備える、発電および配電するシステムであって、
該衛星は、少なくとも１つの選択されたマイクロ波ビームを該レクテナステーションに向けるためのビーム方向付け手段を有する、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、必要とされる人口密集エリアでの発電および配電する方法およびシステム、ならびに、地球と宇宙と月との間の交通システムの支援を地球からの電気エネルギによって、月面太陽発電システムの配備を可能にするために、また、月面上での活動支援を提供するために、その方法を使用することに向けられる。
【背景技術】
【０００２】
２０５０年までに、豊かな世界の１００億人の人々は、少なくとも２０ＴＷｅの電力が必要とされることが、予測されている。今日、電気は、石油、天然ガス、原子力エネルギおよび石炭などの燃料を使用して生成され、これに、太陽、風力、水力発電所などの再生可能なエネルギ源によって生成されるわずかな量が加わる。このような資源は地政学的に分布しているので、独立系石油会社は、石油および天然ガスの膨大な天然埋蔵量へのアクセスの維持に、ますます多くのハードルに直面している。さらに、回収された燃料は、回収地から一般的に遠隔にあり、かつ、異なる国にあることの多い発電設備まで安全に輸送されなくてはならない。これは、パイプライン、船舶、タンカーなどによって行われる。このような輸送は、設置および維持の双方ともに高価であり、結果として生じる事故、生産妨害またはテロの潜在的な危険をはらむ。最終的には、容易にアクセス可能な化石燃料資源は徐々に枯渇するので、そのような燃料の新たな源を見つるための探索が必要となる。ガスおよび石油の新たな源を見つけ出し、開発するための戦いは、時間とともに、困難さを増していく。なぜなら、このような資源は、世界の発電需要によって枯渇されるまで続き、人口が増加するからである。この結果、価格上昇と世界の人々への電力供給不足とが、徐々に生じ、この問題は、時間とともに悪化していくことが予測されている。
【０００３】
本発明は、「Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」に関する発明者の以前の米国特許（特許文献１および特許文献２）に関連し、これらの特許の内容は、本明細書にて参考として援用される。これらの特許において、集電システムは、太陽エネルギをマイクロ波の低強度ビームに変換する太陽エネルギ収集ステーションを備える。マイクロ波ビームは、ビームを電気に変換するマイクロ波受信機またはレクテナに向けられる。レクテナは、マイクロ波を電気に変換する接近した間隔で置かれたアンテナのフィールドである。特許文献１は、地球に商業用電力を供給するために、マイクロ波を用いる月ベースの太陽エネルギシステムについて述べている。このようなシステムは、地上での太陽エネルギシステムに比べ、環境的に全く不便はなく、非常に安全で、信頼性も高い。さらに、月上の太陽エネルギ収集システムは、月の表面には空気も雲もないがゆえに、軌道ミラーを用いて、ソーラ−電気変換器上に太陽光を集中するができる点で、大きな物理的メリットを有する。非常に薄いミラーを作ることは、ソーラ−電気変換器を作ることよりも、かなり容易である。後者のデバイスは、高純度シリコンおよび他の希少な材料（例えば、セレン、ガリウム、テルル、カドミウムおよびゲルマニウム）を必要とする。反射体は、出力のユニット当たりに必要とされるソーラセルの面積をより減らして、太陽光を集中し得る。
【０００４】
月ベースの太陽エネルギ収集および送信システムの初期建設にともなう潜在的な問題の一つは、月に必要な資材を配備し、月上に太陽発電所を設立するコストである。
【特許文献１】米国特許第５，０１９，７６８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２２３，７８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
（発明の概要）
本発明の目的は、ある地球ベースの場所から他の場所へとエネルギを再分布するための新たな改善されたエネルギ輸送システムを提供することである。本発明のさらなる目的は、化石燃料供給への依存を低減し、最終的には排除すべく、地球に膨大な電力を提供する将来完成されるべき月ベースの太陽発電所を可能にするために、地球から宇宙へ、特に地球から月へと安価に資材を輸送する手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの局面に従うと、配電システムが提供される。該システムは、少なくとも１つの電源と、電気を少なくとも１つのマイクロ波ビームに変換し、該ビームを選択された方向に向けるための少なくとも１つのマイクロ波送信機と、該向けられたマイクロ波ビームを受信する少なくとも１つの軌道リディレクタ衛星とを備える。該リディレクタ衛星は、該受信マイクロ波ビームを複数の出射マイクロ波ビームに変換し、該出射ビームを選択された標的に向ける送信機を有する。
【０００７】
例示的な実施形態において、発電ユニットであり得る上記電源、および、上記マイクロ波送信機は、地球上に位置するが、任意の天体上あるいは宇宙に位置し得る。上記標的は、地球上、月上の受信機ユニット、地球周回軌道または月周回軌の追加リディレクタ衛星、軌道内、地球−軌道または宇宙輸送ビークルなどであり得る。
【０００８】
本発明の別の局面に従うと、エネルギを輸送する方法が提供される。該方法において、石油、天然ガス、メタン、固体燃料のような自然エネルギ源、または、地熱、原子力のような電力源、あるいは、再生エネルギからの燃料は、該源から抽出され、地球上の第一の位置で電気に変換され、該電気は、次いで、同じ位置で、１つ以上のマイクロ波電力ビームに変換される。各ビームは、静止軌道である必要のない地球周回軌道内のリディレクタ衛星に向けられる。該リディレクタ衛星は、次いで、多数のマイクロ波電力ビームを選択された標的に照準する。該標的は、地球の様々な消費箇所、２つ以上のリレーステップを介して地球の向こう側にある受信機にビームを向けるための１つ以上のリレー衛星、軌道ビークル、地球−軌道ビークルまたは宇宙輸送ビークル、月面ベースステーション、および／または、月周回軌道内の軌道リディレクタ衛星であり得る。
【０００９】
本システムは、様々な自然発生燃料源からの発電および配電のコストを著しく削減する。今日のシステムにおいて、石油およびガスのような燃料は、典型的には、パイプライン、船舶、トラック、鉄道などによって、その燃料源から主要消費国の１つ以上の配電箇所に輸送される。さらに、固体燃料、地熱または原子力発電プラントで発電された電気は、電力線を介して、長距離にわたって輸送されることが多い。今日の地球ベースのエネルギ輸送システムは、パイプライン、船舶、鉄道線路、タンカー、トラック、電力線などの多大な物的資産を必要とし、これらは、初期建設にコストが掛かり、また同様に、維持および保護にもコストが掛かる。本発明のシステムは、地球上での長距離にわたるエネルギまたは燃料の輸送のための地球ベースのインフラを不要とし、その代わりに、その燃料源において、燃料またはエネルギ源を電気に変換し、次いで、その電気をマイクロ波ビームに変換する。このマイクロ波ビームは、地球から、地球を軌道周回する１つ以上のリディレクタ衛星に向けられる。このシステムは、原子を輸送するのではなく、光子をより速く、より効率的に輸送する。
【００１０】
このマイクロ波エネルギが受信され、次いで、消費者の近くに位置する地球上の受信機ステーション上に、選択的に新たに向けられる。ビーム化された電力は、大容量大重量の燃料の地球での長距離輸送を不要にし、毎秒ベースで、電力を必要とする市場に新たに向けられ得る。さらに、本システムのマイクロ波エネルギは、例えば、パイプライン内の石油の待ち時間に比べると、本質的に待ち時間（ｌａｔｅｎｃｙ）がなく、ほぼ瞬間的に新たに向けられる。
【００１１】
ビームリディレクタは、地球から配備され、低地球軌道内で組み立てられる。本発明の例示的な実施形態において、組み立てられたビームリディレクタは、低地球軌道から、高地球軌道または静止軌道に、Ｗ．Ｂｒｏｗｎ（Ｂｒｏｗｎ，Ｗ．Ｃ．「Ａ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｔｒｏｎｉｃ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｐｒｏｂｌｅｍ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｏｒｂｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ」、ＮＡＳＡ  ＣＲ−１９１１６２／ｐｔ−７４５２、図１〜１１、１９９２年７月）によって提案されているような低コストイオン駆動タイプの輸送ベッセルによって、輸送され得る。この輸送ベッセルは、地球上の送信機から送信されたマイクロ波ビームによって、電力供給され得る。
【００１２】
本発明の別の局面に従うと、一体化された発電および配電システムが提供される。該システムは、化石燃料源に近接して、少なくとも１つの結合された電力抽出、変換および送信設備を備える。該設備は、該化石燃料を抽出するための抽出ユニットと、該抽出ユニットに近接して位置し、該燃料を電気に変換する発電ユニットと、該発電ユニットに近接して、該電気を少なくとも１つのマイクロ波ビームに変換するマイクロ波ビーム化ユニットも備える。該ビーム化ユニットは、該マイクロ波ビームを向けるためのビームディレクタと、該マイクロ波ビームを受信するための少なくとも１つの地球軌道周回リディレクタ衛星と、マイクロ波ビームを受信し、該ビームを電気に変換するための地球上の複数のレクテナ受信機ステーションを含む。該衛星は、現在の電力要求に応じて、複数のマイクロ波ビームを選択されたレクテナステーションに向けるためのビーム方向付け装置を有する。該マイクロ波ビームは、選択されたレクテナ受信機ステーション上に向けられる前に、少なくとも２つのリディレクタ衛星を介して、リレーされ得る。
【００１３】
本発明の例示的な実施形態において、発電設備は、また、二酸化炭素および加圧ガスまたは蒸気のような排ガスを収集するための収集装置、および、埋蔵化石燃料サプライの中に排ガスを注入して戻すための注入デバイスを有する。このサプライは、油田、天然ガス田または石炭サプライであり得る。これは、枯渇されたフィールドから化石燃料の回収を促進する結果となる他に、注入して戻さなければ、発電ユニットから放出されるガスによる大気汚染を削減または排除する結果となる。多孔性の岩盤から石油を放出する化学物質が、電力を用いて製造され、化学物質は、発電中に放出され得る。
【００１４】
全ての油田において、一次回収（自然加圧および汲み上げ）および二次回収（通常は水攻法）の技術後に相変わらず残っている石油のほとんどは、その限界に到達したことは、周知である。二酸化炭素注入を用いると、一次および二次回収技術を使用して抽出するよりも、さらに石油を潜在的に回収し得ることをが、研究によって示されてきた。油田または他の化石燃料サプライと同じ場所に、発電設備を提供すると、加圧二酸化炭素および他のガスの供給が、わずかな費用で、その場で回収され得、抽出強化のために、油田などの中への注入のために、即使用され得る。これによって、蒸気タービンなどのような発電機のガス状副製品からの汚染が削減または排除される。
【００１５】
大気汚染を削減するために、二酸化炭素固定化あるいは地下タンクまたは天然レザボア内での二酸化炭素の長期保管することが提案されてきた。今日まで、化石燃料産業は、発電事業を制約し得る望ましくない経費として、二酸化炭素固定化を考慮しがちであった。燃焼ガスから二酸化炭素を捕捉し、次いで、固定化のために化石燃料源にそれを戻すように輸送することは、非常にコスト高になろう。本発明の方法およびシステムは、化石燃料源と同じ場所での発電を提供する。それは、燃焼ガスを捕捉し、油田のような化石燃料サプライまたは他の燃料レザボアの中に、それを注入して戻すために、さらにもっと経済的になるようにするためである。このことは、また、石油または他の燃料回収を強化するメリットも有する。これは、二酸化炭素の捕捉および固定化のコストを相殺する以上のものである。
【００１６】
地上での発電およびマイクロ波ビーム化のシステムおよび方法は、地球上での消費者への電力供給に加え、宇宙輸送を目的とする安価な電力を提供するのに、容易に適応され得る。さらに、電力ビームは、地球から月面ベースまたは月軌道周回リディレクタ衛星に、直接照準を合わせられ得る。これによって、上記で確認された特許に記載された月面太陽発電所の建設が、より実現可能になり得る。軌道内に追加のリディレクタ衛星は、宇宙でのオペレーションを支援するために、あるいは、月上のレクテナステーションに、直接送電するために、使用され得る。
【００１７】
マイクロ波ビームまたは幾つかのこのようなビームは、地球ベースの送信機サイトおよび／または周回軌道衛星から向けられ得る。これは、上記で参照された発明者の特許に記載されたような月ベースの電力収集および送信システムを建設するために、カーゴベッセルに電力供給し、地球から月へ必要な機材を輸送するためである。側面にレクテナを有するイオン駆動カーゴベッセルは、このベッセルを低地球軌道から月周回軌道内へと走行する電力を提供するために、地球上および宇宙内の一連のビーム化サイトからマイクロ波ビームを受信する。適切な着地用ビークルによって、機材がこのベッセルから月の表面に輸送された後に、ベッセルは、低地球軌道に戻され得る。この旅行は、従来のロケットシステムよりも長い時間がかかるが、このシステムは、劇的に、必要とされる推進剤重量および月へ資材配備するコストを削減する。なぜなら、複雑なロケットおよびその燃料および機材の大きな負荷が、排除されるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１および図２は、発明者の米国特許第５，０１９，７６８号および第５，２２３，７８１号に記載された先行技術の集電および送電システムを模式的に示す。これら特許の内容は、本明細書に参考として援用される。図１に示されるように、太陽エネルギ収集およびマイクロ波送信ステーション１０は、月４５上に提供され、マイクロ波電力ビーム１５を軌道リディレクタ１３に送信する。この軌道リディレクタ１３から、ビーム１６は、地球２２上の選択された小さな受信機またはレクテナステーション１４上に送信される。図２は、月面上の例示的な太陽エネルギ収集およびマイクロ波送信ステーションを示す。このステーションは、光電池アレイまたはソーラコレクタ１、マイクロ波送信機２、および、マイクロ波反射スクリーン３、ならびに、埋め込み電線を備える。
【００１９】
本明細書の目的において、「向こう側」という用語は、地球または月のような第一の天体に適用されるとき、第二の体または第一の天体上の特定の位置から外を向く側で、その天体または位置と同じ視線にない側を意味する。第二の体は、別の天体または第一の天体または第二の体の周回軌道内の軌道衛星である。
【００２０】
図３は、本発明の例示的な実施形態に従う地球ベースのエネルギ輸送または配給システムを示す。以下に記載されるシステムおよび方法は、地球からの発電および送電に関するものであるが、このシステムは、代替として、他の惑星、月または他の天体上で、ベースとされ得ることは理解される。このシステムは、天体の表面に取り付けられる必要はなく、他の実施形態においては、宇宙で自由浮遊し得る。
【００２１】
図３の例示的な実施形態において、１つ以上の発電所２０は、油田または天然ガス田、または、炭鉱、あるいは、他の自然の発電源（例えば、地熱貯留層、風力源、太陽源など）のような天然燃料源のサイトにある地球２２にベースを置かれている。本明細書の目的において、「発電所」という用語は、任意の電力源を電気に変換する任意の適切な発電ユニット、および、電気をマイクロ波ビームに変換し、そのビームを任意の選択された標的に向ける任意の適切なデバイスを意味する。発電所は、一部の実施形態において、排ガス回収システムのような他のデバイスを含み得る。各発電所２０は、天然発電源を電気に変換する変換器または発電ユニット、および、電気をマイクロ波に変換し、マイクロ波ビーム２４を低地球軌道、高地球軌道または地球の周りの静止軌道３０にある周回軌道リディレクタ衛星２５に向けるためマイクロ波アンテナ構造を含む。
【００２２】
発電所２０は、地上でのオペレーションに適している。各ビームは、リディレクタ衛星を照明し、このリディレクタ衛星は、入射マイクロ波エネルギを受信し、１つ以上の出射ビーム２６を消費者の近くに位置する受信機またはレクテナステーション２８に送信する。リディレクタ衛星２５は、また、電力ビーム２９を１つ以上の追加リディレクタ衛星２５に送信し得、この追加リディレクタ衛星も、また、ビーム４８を、第一のリディレクタ衛星２５を直接見ることのできない第二の受信機（すなわち、第一のリディレクタ衛星から地球の向こう側にある受信機またはレクテナステーション）２８に新たに向け得る。地上の送信機２０は、マイクロ波成分の商用ベンダーを用いて、あるいは、上記で参照した発明者による以前の米国特許に記載された月面送信機と同様の方法で、製造され得る。この配置は、受信機またはレクテナステーションが、上記で参照した発明者による以前の米国特許第５，０１９，７６８号に記載されたように、マイクロ波ビームの近場に位置するようにするためである。
【００２３】
このシステムにおいて生成されるマイクロ波ビームは、適切には約１２センチメートルの波長であり、これは、雲、雨、霧および粉塵をほとんど吸収することなく通過する。規格上は、ビームは、正午の太陽光の強度の２０％未満を有し、数百メートル以上の直径のレクテナステーションに、信頼できるように配電する。各レクテナステーションは、自らが受信するマイクロ波電力の少なくとも８５％を変換し、電気を地方および地域の電力網に提供する。
【００２４】
レクテナステーション２８は、マイクロ波を電気に変換する狭い間隔を空けて置かれたアンテナのフィールドを備え、電力を地方電力網に出力する。レクテナは、入射マイクロ波ビームの約８５％を、１，１１０Ｗｅ／ｍ２の電力に変換できることが証明されてきた。レクテナは、クリーンな電力を地域に供給するために、商業エリアまたは農村エリア内の一区画に建設され得る。
【００２５】
図４は、図３の発電所２０からのマイクロ波電力ビーム化に使用され得るフラットフェース正方形アレイの一部を示す。このタイプのマイクロ波電力ビーム化アレイは、Ｂｒｏｗｎ，Ｗ．Ｃ．による、ＮＡＳＡ  Ｃｏｎｔｒａｃｔ  ＮＡＳ３−２５０６６（Ｒａｙｔｈｅｏｎ  Ｃｏｒｐ）の「Ａ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｒｏｎｉｃ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｐｒｏｂｌｅｍ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｏｒｂｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ」（１９９４年）の１６６ページに記載されている。このアレイは、４００ＭＷｅのマイクロ波ビームを軌道内の受信機またはリディレクタ衛星に投影し得るフラットフェースアレイを形成する一連のスロット付き導波管３２を備える。この特定のアレイの幾何学的形状は、ビームを垂直方向から東西に６０度掃引し得る。スロット付き導波管は、圧延およびダイカッティングのプロセスによって、薄壁のアルミ板から製造され得る。
【００２６】
地球を周回し、発電所２０からの電力ビームを受信するリディレクタ衛星２５は、地球上の任意の場所に電力を提供するために、地球上の多数のレクテナ２８に受信電力を再送信し得る。これらのリディレクタ衛星によって、エネルギを蓄積する必要がなくなる。これらの衛星は、電力ビームが向けられ得る場所を制限する静止軌道または固定軌道内にいる必要はない。その代わりに、衛星２５は、幅広い範囲の軌道内にあり、電力ビームを地球上の任意の位置に提供し得る。リディレクタ衛星２５は、また、電力ビームを１つ以上の二次衛星に送信し、そのビームを第一の衛星から直接見ることのできない受信機に新たに向け得る。
【００２７】
衛星２５内で使用され得るリディレクタには、３つの一般的なタイプがある。第一のタイプは、ビームを直接反射して、地球の方に戻す軌道ミラーである。イオン駆動とリアクションホイールを用いて、高精度にミラーを絶えず照準することが、必要になる。１００ｍを超える直径の反射体が空輸されたことが報告されている。（Ｃｒｉｓｗｅｌｌ，Ｄ．Ｒ．（１９９８）「Ｌｕｎａｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｒｏｓｐｅｒｉｔｙ  ｉｎ  ｔｈｅ  ２１ｓｔ  Ｃｅｎｔｕｒｙ」、１７ｔｈ  Ｗｏｒｌｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ、テキサス州Ｈｏｕｓｔｏｎ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｏｒｌｄｅｎｅｒｇｙ．ｏｒｇ／ｗｅｃ−ｇｅｉｓ／ｐｕｂｌｉｃｔｉｏｎｓ／ｄｅｆａｕｌｔ／ｔｅｃｈ−ｐａｐｅｒｓ／ｌＴｔｈｃｏｎｇｒｅｓｓＡｌ  １  ３３．ａｓｐ）。
【００２８】
リディレクタに対する第二の選択肢は、軌道レクテナである。これは、ビームを電気に変換し得、次いで、１つ以上のビームを地球上の受信機に向かって中継する関連マイクロ波送信機に電力供給し得る。３便のスペースシャトルで空輸された「合成開口レーダ」は、マイクロ波電力を地球へ送信できることを証明してきた。Ｃｒｉｓｗｅｌｌ，Ｄ．Ｒ．による「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｒｏｓｐｅｒｉｔｙ  ｗｉｔｈｉｎ  ｔｈｅ  ２１ｓｔ  Ｃｅｎｔｕｒｙ  ａｎｄ  Ｂｅｙｏｎｄ：  Ｏｐｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｕｎｉｑｕｅ  Ｒｏｌｅｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｕｎ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｍｏｏｎ」（２００２年７月）（「Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ＣＯ２  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｒ．Ｇ．Ｗａｔｔｓ編集、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、第９章、３４５〜４１０ページ。
【００２９】
第三の選択肢は、図５に示されるような反射アレイ３４である（ＮＡＳＡ（１９９９）「Ｉｎｆｌａｔａｂｌｅ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙ  Ａｎｔｅｎｎａｓ」、ＮＡＳＡ  Ｔｅｃｈ  Ｂｒｉｅｆｓ、１９９９年１０月、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｓａｔｅｃｈ．ｃｏｍ／Ｂｒｉｅｆｓ／Ｏｃｔ９９／ＮＰＯ２０４３３．ｈｔｍｌ）。これは、固体マイクロ波回路のアレイである。単一の強烈なマイクロ波ビームを受信し、その電力を多数の出射マイクロ波ビームに直接分割する。出射ビームは、異なる標的へと独立に向けられ得る。図５は、本発明のシステムでも使用され得る反射体アレイの従来技術のプロトタイプの図である。図５の反射体アレイは、１９９９年にカリフォルニア州ＰａｓａｄｅｎａのＪｅｔ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙで、実証された。このデバイスは、円盤状のプラスチック膜上にプリントされたＸバンドマイクロストリップ回路網の直径１メートルの平面アレイを備える。このフレキシブルな膜３４は、膨張プラスチックのトラス３５によって、平坦に保たれる。
【００３０】
反射アレイは、磁界層内のプラズマと相互作用し得る大きな電流を除去する。反射アレイは、一次電力ビーム２４の個々に向けられたビーム２６への変換効率を、潜在的に９８％に近づけることができる。反射アレイは、ゆっくりと劣化するが、フル稼働の際に修復され得る。反射アレイによって、高精度な物理的アンテナの必要がなくなり、送信システムの物理的質量と複雑さとを非常に軽減し得る。
【００３１】
反射アレイ用のビームリディレクタコンポーネントは、地球から配備され、低地球軌道内で組み立てられねばならない。国際宇宙ステーションのソーラアレイをサポートするために使用される低質量伸張性トラスと同様なトラスからなる。トラスは、電力ビームを受信し、次いで、多数の独立した電力ビームを生成する反射アレイプリント回路網をサポートする。一度組み立てられると、ビームリディレクタは、高地球軌道に配備され得る。これは、Ｗ．Ｂｒｏｗｎ（Ｂｒｏｗｎ，Ｗ．Ｃ．、「Ａ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔｒｏｎｉｃ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｐｒｏｂｌｅｍ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｏｒｂｉｔａｌ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ」（ＮＡＳＡ  Ｃｏｎｔｒａｃｔ  ＮＡＳ３−２５０６６、Ｒａｙｔｈｅｏｎ  Ｃｏｒｐ．）１６６ページ）によって提案されているように、イオン駆動輸送によって行われ得る。適切なカーゴベッセルは、図６（Ｂｒｏｗｎ，Ｗ．Ｃ．前出参照）に示されるようなイオン駆動３６を使用し得る。カーゴベッセルは、恒久的に宇宙内のベースとなり得る。カーゴベッセルは、低質量トラス３８、プリント回路網レクテナ４０、および、イオンスラスタ（ｉｏｎ  ｔｈｒｕｓｔｅｒ）またはロケット状ノズル４２を備える。イオンスラスタ４２は、図６において、比較的大きいが、これは説明を目的とするだけであって、実用的には、数百の小さな個々のスラスタに置き換わる。既知のイオン駆動ベッセルは、今のところ、月周回軌道に向かい、その中に入る欧州のＳＭＡＲＴ−１宇宙探査機に電力供給するために、太陽エネルギを使用している。
【００３２】
本発明の例示的な実施形態に従うシステムにおいて、１つ以上のカーゴベッセル３６は、低地球軌道と深宇宙との間を移動し、地球の表面には決して戻らない。各ベッセルは、イオン駆動であり得、地球上の同じマイクロ波設備２０によって、電力供給される。このマイクロ波設備は、地球の周りの自然源エネルギを移送するために使用される。レクテナによって受信されたマイクロ波電力は、イオン駆動用の電力を提供する。イオン駆動ベッセルは、それを第二のベッセルに取り付け、それを新たな軌道に電力供給することによって、宇宙タグとしても使用され得る。
【００３３】
カーゴベッセルのレクテナ４０は、片側で約２２０ｍになる。このカーゴベッセルは、地球の赤道に沿った一連のビーム化サイトから４００Ｗ／ｍ２のビームを受信し得る。このカーゴベッセルは、高地球軌道内にビームリディレクタ２５を置くために使用され得る。直径（または片側上で）１ｋｍのリディレクタは、約３００トンの質量を有する。リディレクタコンポーネントは、地球上で構築され、スペースシャトルまたはスペースシャトル派生ビークルの数回の飛行で打ち上げられ、低地球軌道で組み立てられる。リディレクタは、次いで、ベッセル３６で所望の軌道に運ばれる。
【００３４】
この技術は、化石燃料源を用いる地球ベースの発電を補い、最終的には、それにとって代わる月面発電所のために、月への材料の経済的な輸送を可能にするように拡張できる。図７は、発明者の２つの上述の以前の特許に記載されたタイプの月面発電所を建設するために、図６に示すようなイオン駆動カーゴベッセル３６、または、Ｃｒｉｓｗｅｌｌの米国特許第４，８３６，４７０号（この特許の内容は、本明細書で参考として援用される）に記載されたタイプの飛行翼ビークルを用いて、月に設備を輸送する方法を示す。このようなビークルは、イオン駆動を取り入れて、改変され得る。代替として、外部推進サプライを受信する手段を提供されたビークルは、例えば、Ｃｒｉｓｗｅｌｌの米国特許第５，２２４，６６３号（この特許の内容も、また本明細書に参考として援用される）に記載されたビークルを使用し得る。
【００３５】
図１２および図１３は、飛行翼１００を示し、この飛行翼１００は、そのボトム表面に組み込まれたレクテナ１０２を有する。これらのレクテナは、電力ビーム２４を地球から受信し、リード線または電線１０５を介してエンジン１０４に供給される電力を出力する。電力によって生成された電気アーク（図１３参照）は、入口１０６から出口１０８へとエンジン１０４を介して流れる大気を熱するために使用される。エンジンから出る熱せられた大気は、機内に推進剤を必要とせずに、推進力（ｔｈｒｕｓｔ）をビークルに配送する。
【００３６】
地球上の発電所に近接する１つ以上の送信機ステーションからのマイクロ波ビームは、ビークル近傍の大気を熱するために向けられ、ビークルを地球の大気圏の外へと駆動するための推進用質量を提供し得る。ビークルは、ビークルが地球の大気圏を離れたとき、マイクロ波ビームによって直接電力供給され得るイオン駆動を提供され得る。一度、ビークルが、月軌道に到着したら、ペイロードを供給するために着地し得る。地球周りのマイクロ波送信機２０は、リディレクタ２５を月４５の低軌道４４の中に配備するために使用される同じイオン駆動カーゴベッセルを電力供給し得、それらを低地球軌道３０の中に戻す。月面太陽集電および送電システムに必要とされる材料および機材は、図２に模式的に示し、発明者の以前の特許に記載されたように、スペースシャトルまたは類似のビークルを介して、低地球軌道内に輸送され、１つ以上のイオン駆動カーゴベッセル３６上にロードされ得る。地球からのマイクロ波電力ビームは、各カーゴベッセルのレクテナ４０上に向けられ得、イオン駆動に電力供給をして、カーゴベッセルを低月軌道の中に搬送する。
【００３７】
図３に示される基本的なエネルギまたは電力輸送システムによって、その天然ガス源から液化した形態で天然ガスを安全に発電プラントに輸送する経費は、完全に除去され、そして、天然ガスおよび他の自然発生エネルギ源から製造されたエネルギが、地球上の任意の所望の位置へ迅速に再配分される。このシステムは、ガスの液化、および、再拡張設備、ならびに、建設および維持の双方ともコストが掛かるトラック、船舶、列車、パイプラインなどの地球ベースの輸送システムに対する必要性を完全に排除する。
【００３８】
本システムによって、大きなフィールドでの天然ガスは、その場で電気に変換され得、次いで、その電気は、マイクロ波電力ビームに変換され得る。これによって、ガスをその自然の形態で輸送するコストが完全に排除される。各ビームは、リディレクタ衛星２５を照明し、この衛星２５は、次いで、１つ以上のマイクロ波ビームを、適切な位置にあるレクテナ２８に送信する。電力ビーム化によって、船舶に載せて、あるいは、パイプラインを介して、極低温ガスの液化および輸送が不要になる。ビーム化された電力は、次いで、電力を必要とする市場へと、毎秒ベースで向きを変えられ得る。天然ガスまたは石油によって生成されたエネルギの輸送に特にメリットがあるが、本システムは、石炭または地熱エネルギによって燃料供給された発電所からのエネルギの輸送に対しても、また使用され得る。電力ビームによるエネルギの配送によって、このクリーンな電力を受信する地域において、発電からの物理的汚染を制御する必要が排除され、環境に対する損失と関連コストの削減に導かれる。
【００３９】
図８は、本発明の別の実施形態に従う修正された発電および配電のシステムを示す。このシステムは、発電およびマイクロ波電力送信のための１つ以上の一体化設備または発電所２０を含む。図３の実施形態において、発電所２０は、発電ユニット５４、および、発電ユニットと関連するマイクロ波ビーム送信機またはアンテナアレイ５２を含む。ユニット５４は、自然燃料サプライまたは電力源５５に近接する。発電ユニット、マイクロ波送信機、および／または、燃料または電力源は、例示的な実施形態においては、数マイルの間隔で置かれているが、互いに接触しあうほど近接することも、あるいは、１０００マイル以上の間隔を空けて置かれることもあり得る。
【００４０】
この実施形態において、一体化発電設備は、発電ユニット５４によって生成した二酸化炭素および加圧ガスまたは蒸気のような排ガスを収集するための収集ユニット５６、および、埋蔵化石燃料サプライ５５の中に排ガスを注入して戻すための注入デバイス５８を有する。このサプライ５５は、その地域の油田、天然ガス田、炭田または炭鉱、あるいは、他の燃料サプライフィールドであり得る。インジェクタは、二酸化炭素、他の排ガスおよび他の材料を、その一部が枯渇されてきた元の燃料サプライフィールドおよび／または他の天然燃料レザボアに戻し得る。例えば、排ガスを天然ガス田に再注入しても、回収は促進されない。それゆえ、一次燃料源が、天然ガス田である場合、収集された排ガスは、油田または炭田へ輸送され、その中に注入され得る。これは、枯渇されたフィールドから化石燃料の回収を促進する結果となる他に、注入されなければ、発電ユニットから放出されたであろうガスが結果として引き起こす大気汚染を削減または排除する結果となる。さらに燃料回収を促進するために、多孔性の岩から石油を放出する化学物質が、発電された電力を用いて製造され、化学物質は発電中に放出される。
【００４１】
排ガス収集ユニットは、業界で既知の方法で、発電プラントの燃焼ガスからの二酸化炭素および他の排ガスを捕捉し得、タンクなどに捕捉されたガスを保管し得る（Ｈｅｒｚｏｇ  およびＧｏｌｏｍｂ、「Ｃａｒｂｏｎ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ｆｒｏｍ  Ｆｏｓｓｉｌ  Ｆｕｅｌ  Ｕｓｅ」、Ｔｈｅ  Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ、第Ｉ巻、２７７〜２８７ページ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｉｎｃ．、（２００４年）参照)。インジェクタは、排ガスを収集ユニットから汲み出し、埋蔵化石燃料サプライに汲み入れるために、一連のポンプおよびパイプを備え得る。
【００４２】
発電プラントからの大気汚染を削減するために、二酸化炭素固定化あるいは二酸化炭素を地下のレザボアに長期保管することが、提案されてきた。今日まで、化石燃料産業は、発電事業を制約し得る望ましくない経費として、二酸化炭素固定化を考慮しがちであった。燃焼ガスから二酸化炭素を捕捉し、次いで、固定化のために化石燃料源に戻すように輸送するコストは非常に高くなるであろう。本発明の方法およびシステムは、燃焼ガスを捕捉し、それを油田のような化石燃料サプライの中に戻すために、よりもっと経済的になるように、化石燃料源と同じ場所で、発電を提供する。このシステムおよび方法は、また、石油または他の燃料回収を強化するメリットも有する。これは、二酸化炭素の捕捉および固定化のコストを相殺する以上のものである。燃料または電力源、発電ユニットとマイクロ波送信機との間の間隔の上限は、以下の性能基準によって、決定される。
【００４３】
（性能基準）
（ライフサイクル）
ＥＴ＝一次レザボアおよび／または回収強化レザボアから抽出され得るエネルギの総量。
【００４４】
ＥＰ＝収集、生成、再注入およびビーム化のシステムを建設、維持、稼動および閉鎖するのに必要とされる全エネルギ。これには、環境要求に応えるために消費されるエネルギを含む。
【００４５】
ＥＤ＝ビームに配給されるエネルギ。
【００４６】
ＥＤ＝ＥＴ−ＥＰは、システムコンポーネントが「近接」してあるためには、正すなわち０より大きくなくてはならない。
【００４７】
ＥＰ＝収集および再注入システムは、エネルギシステムの寿命にわたって輸送される材料の総長さと総トン数が大きくなればなるほど、ＥＰは大きくなる。
【００４８】
「近接」は、ＥＤ＞０の要求によって、制限される。これは、燃料レザボア、燃料収集システム、生成システム、排ガス収集および輸送、ならびに、再注入の各システムによって、推定されなくてはならない。
【００４９】
例示的な実施形態において、燃料または電力源、発電ユニット、マイクロ波送信機および排ガス収集装置（ある場合）は、接触または比較的近くに（すなわち、せいぜい数マイルの間隔で）接近している。しかしながら、これらのユニットは、他の実施形態において、ＥＤ＞０の要求が満たされる限り、より大きな間隔であり得る。
【００５０】
前述の実施形態のように、マイクロ波送信機５２は、１つ以上のマイクロ波ビームを１つ以上の周回軌道リディレクタ衛星２５に向けるように制御され得る。このリディレクタ衛星は、次いで、１つ以上のマイクロ波ビームを、電力が地方の電力網６４に配給される適切な場所にある受信機またはレクテナステーション６２に送信する。リディレクタ衛星６０およびレクテナステーション６２の双方は、前述の実施形態とともに関連して上述したものと、同一であり得る。受信機ステーションの比較的シンプルなレクテナは、砂漠、浅い海、工業中心地、または、汚染された土地に置かれ得る。農地に置かれた場合、レクテナは、生育期間を延長し得、必要に応じて、凍結防止のために、追加の排熱を放出し得る。送信機５２は、また、電力ビームをイオン駆動宇宙タグレクテナ３６、地球から軌道への宇宙探査機１００内のレクテナに直接、あるいは、月でのオペレーション用の月面ベースのレクテナ１１２に直接、送信し得る。同様に、周回軌道リディレクタ衛星２５も、また、電力ビームをイオン駆動宇宙タグレクテナ３６、地球から軌道への宇宙探査機１００内のレクテナに、あるいは、直接、月面ベースのレクテナ１１０に、送信し得る。
【００５１】
本発明の配電システムは、宇宙にベースが置かれるので、輸送システムの建設およびシステムの保護が困難になり得る様々な政治的領域を侵害することはない。このシステムは、建設、維持および保護されねばならない大きな物的資産を必要としない。電力は、ベースロードのユーザおよびピークのユーザの双方に、容易に販売され得る。システムは、低地球軌道およびそれ以遠へ／からの輸送を提供するために拡張され得、月面太陽発電所の建設などの様々な建設目的のために、ペイロードを月に輸送するための電力を提供する。システムは、また、第一の月面太陽発電所から、月面の影の側に現在ある第二の月面発電所に送電するためにも使用され得る。第一の発電所からのマイクロ波電力ビームは、軌道リディレクタ衛星に向けられ、第二のマイクロ波電力ビームは、その軌道リディレクタ衛星から第二の発電所に、向けられ得るか、あるいは、必要に応じて、第二のリディレクタ衛星を介してリレーされ得る。
【００５２】
各レクテナに向けられるマイクロ波ビームの強度は、レクテナのエリア全体にわたって、ほぼ一定で製造され得る。このような配置は、各レクテナステーションが、マイクロ波ビームの近場（すなわち、約Ｄ２／λ未満の距離Ｒ）に置かれるようにしてなされる。ここで、Ｄは、有効放射開口の直径であり、λは、マイクロ波の波長である。上記で参照した発明者の米国特許第５，２２３，７８１号に記載されたように、衛星から発せられる１つまたは複数のビームは、１つ以上の所望のレクテナステーションへ電気的に導かれ得る。
【００５３】
図９は、レクテナ設備９０を示す。この設備９０は、自然災害、遠隔地の開発または軍事用途のように一時的な電力要求に応じて、設定され得る。レクテナ設備は、ネッティングまたはＭｙｌａｒ（登録商標）のような電気的絶縁材料で織られ、適切な導電性表面に処理された複数のパネル９２を備える。パネルは、事前に製造され得るか、必要あるときまで保管される。クロスコネクタ９４は、隣接するパネル間に提供され得る。仮設発電設備は、図９に示されるように、地面の上にパネル９２を敷設することで迅速に容易に設定され得る。レクテナの位置は、適切な位置にある周回軌道リディレクタ衛星に同定され得、電力ビームは、迅速に仮設レクテナに向けられ得る。仮設レクテナ設備は、また、月上に設定され得、地球上の送信機から直接、あるいは、リディレクタ衛星２５を介して、受信され得る。他のタイプのレクテナも、また、月上で使用および製造され得る。
【００５４】
図１０は、所望のレクテナサイト（単数または複数）で、マイクロ波ビームを集めるために、恒久または仮設レクテナステーション２８、６２または９０で使用する自動方向または自動焦点制御アセンブリを示す。信号検出器９５は、レクテナステーションの周囲の少なくとも３つの位置に配備される。入射ビームの強度は、モニタされる。均衡または変動検出器９６によって入射電力ビームの不均衡が検出されると、不均衡の方向および量に関する適切な制御信号および情報が、送信機９８に送信される。この送信機は、送信の焦点および方向を適切に調整する衛星に信号を送信する。入射電力ビームが、新たに焦点合わせされ、および／または、新たな方向に向けられると、検出器は、入射ビームが新たな均衡と適切な方向付けを確認する。このフィードバックシステムによって、レクテナステーション上に電力ビームの適切な焦点合わせの維持を確保できる。検出器システムは、また、電力ビームを遮断することもできる。
【００５５】
図１１は、地球から月面ベース１２０に、ビーム１２４から直接と、軌道ビームリディレクタ１２２から新たに向けられたビーム１２６からとの双方で、電力供給するためのシステムの模式図である。ビームリディレクタ１２２によって、任意の時間に、月の向こう側の月面ベースにある受信機またはレクテナ設備１２０に送電が可能になる。この用途において、月の向こう側とは、任意の時間に、地球または地球の旋回軌道から直接視線を向いていない側を意味する。電力ビームは、また、地球と月との間の宇宙タグまたは輸送ベッセル３６、あるいは、地球または月を周回軌道する宇宙タグまたは輸送ベッセル３６にも向けられ得る。月の周りのビームリディレクタ衛星１２２は、また、月の向こう側のビームにある宇宙タグにも向けられ得る。図１１に示されるように、任意の送信機２０は、また、図１２および図１３と関連して上述されたような航空宇宙機または飛行翼ビークル１００に電力供給するために、電力ビームを送信し得る。
【００５６】
上述のような地球ベースの発電および配電のシステムおよび方法は、従来システムに比べ、数多くの利点を有する。このシステムは、地球と月との間の輸送システムに電力供給するために、および、月上でのオペレーション（月面太陽発電所の建設オペレーションを含む）に電力供給するために、使用され得る。
【００５７】
地球ベースのシステムも、また、地球上での人口密集地域に配電する現在の方法に比べ、数多くの利点を有する。現在の発電用の主たる燃料源は、石油、石炭、天然ガス、原子力燃料およびバイオマスである。化石燃料源における一つの問題は、これら燃料源が、しばしば、発電して即使用できる便利な場所で見つからないので、これら燃料源は、しばしば、パイプライン、列車、船舶および他のビークルで、電気へ変換するための発電所に輸送されなくてはならず、事故またはテロの危険をともない、多大なコストを要することである。このため、電気の値段がかなり高くなる。もう一つの問題は、一部の燃料源は遠隔地にあるので、輸送コストが高いことである。また、石油または天然ガスのような燃料を大量に回収することも困難であり、石油またはガスの二次回収または強制回収の技術にも、コストを掛けることを要求される。最終的に、天然ガスのような燃料のかなりの割合が、発電プラントでの液化、処理および輸送で失われる。
【００５８】
図８の発電および送電を統合したシステムは、これらの問題のほとんどまたは全てを克服する。第一に、発電プラントは、燃料源の直近に位置され得るので、遠隔の発電プラントへの輸送に関連するコスト、危険および損失を排除できる。これは、輸送中に通常失われる天然ガスのような燃料の割合（典型的には、約５％）も保たれ、これが直接発電に使用され得ることを意味する。第二に、開発困難なガス（ｓｔｒａｎｄｅｄ  ｇａｓ）または他の燃料源の近くにある発電およびビーム化の設備が位置するので、このような燃料源を開発するコストが削減される。第三に、発電プラントから生成される主として二酸化炭素である排ガスを回収し、ガスを直接、近接する油田またはガス田の中に注入することで、石油またはガスの回収を、わずかな追加コストで、増やすことができる。この技術によって、また、大気中に放出される汚染物質が減少する。このタイプの設備は、強制燃料回収のための二酸化炭素の注入などを、より経済的に実行可能にする。なぜなら、回収された排ガスは、遠隔地に輸送する必要はなく、その代わりに、その場で、近接する燃料サプライまたは燃料床に再注入できるからである。
【００５９】
発電および配電設備の送信機は、上述のような開放格子状の表面であり得る。これによって、マイクロ波ビームを、太陽光、雨および風の中を介しても、送信可能となる。注意深く設計すれば、燃料抽出およびビーム化設備は、陸上で最小の足場面積とすることが可能になり、燃料サプライが枯渇したときに容易に撤去できる。
【００６０】
本発明の地上の発電およびビーム化のシステムは、この分野で熟練した労働力を提供し、地球上でのシステムに拡張するため、また、月上での月面太陽発電所にも展開するために労働力およびビジネス構造を創造し得る。このシステムは、潜在的に、月面太陽発電所のコスト効率よい実行を可能にし得る。これは、地上のシステムで使用される地球上の同じ電力受信ステーションまたはレクテナステーションにビーム化するために、太陽エネルギをマイクロ波に変換し得る。地球ベースの電力ビーム化設備は、上述のように、宇宙旅行および月への材料の輸送のために、また、電力を月に直接ビーム化して、月面オペレーション用の電気を月に提供するために、低コスト電力を提供する。
【００６１】
地球上よりも、月上に、ソーラコレクタを置くことの大きな物理的な利点は、電力出力の単位当たりに必要とされるソーラセルの面積が、かなり小さくできる。それによって、ソーラ−電気変換器上での太陽光を集中するために、ミラーが月上で使用され得ることである。ソーラ反射体の軌道周回は、月の表面に空気も雲もないために、月にとって、実用的である。２０ＧＷｅ／ｙの新たな商業用光電池ソーラパワーシステムを地球上に置くために必要とされるガラスモジュールは、５０年以上で、２２３，０００ｋｍ２／年のオーダーであると推定される。これは、２０００年の世界での全シートガラスの生産量の５４倍に相当する。２ｋＷｅ／ｙを提供するためには、５２０ｍ２／年のガラスモジュールの生産を必要とする。これは、先進国の一人当たりガラス生産量をはるかに上回るものである。ソーラ変換器のために使用され得る他の特殊材料は、地球で必要とされるソーラセル面積が大きいために、実現可能ではなく、地球では、ソーラコンセントレータが実用的ではない。このような地球上のソーラ変換器は、必要とされる特殊材料の地上での生産を大幅に増やす必要がある。このように、地球上では、小規模な太陽エネルギ収集装置が実現可能であったとしても、このようなシステムは、今日の再生不可能な電力源にとって代わる満足いく経済的な電力を提供できず、また、材料利用に制限があるために、拡張され得ない。
【００６２】
月面太陽発電所は、ソーラコンセントレータまたは反射体の使用によって、これらの問題を避けることができ、ソーラセルに必要とされる面積も減らすことができる。これによって、ガラス、プラスチック、コンクリート、鉄鋼、アルミおよび銅のように必要とされる一般材料の全質量も大幅に低減できる。このような低減で、月から２０ＴＷｅの電力を得ることが道理にかなうようになり、地球上で同じレベルの太陽発電所を得ようとするために、これら材料を大増産する必要も避けられる。本発明の発電および配電のシステムおよび方法は、１つ以上の月面太陽発電所を月面上に建設することを、経済的に実現可能とする。これは、このような発電所の建設用に月へ材料を安価に輸送するための電力ビーム、および、建設中にこのような発電所を稼動するための直接電力供給を提供することによってである。
【００６３】
このシステムの他の利点は、油田の有効寿命を伸ばすので、それゆえ、油田のオーナーおよび電力会社（例えば、ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌおよび米国やサウジアラビアのような国々）の経済的な価値を高めること、および、「よりグリーンな」あるいは、より環境に優しい電力を、コスト効率よく提供することである。また、これによって、同じ場所に位置する幾つかのタイプの電力源の相乗的な使用も可能になる。地球での潜在的に危険で爆発性の燃料輸送の必要がなくなるので、長期間にわたって法的責任を追われることも減り、また、様々な政治的地域の中にこのような輸送システムが入り込む必要性も少なくなる。このシステムは、維持および保護が困難なパイプライン、船舶、港湾施設、電力線などの大量の物的資産に対するニーズも大幅に低減する。
【００６４】
クリーンな低コストの電気によって、海水または汽水からの真水の経済的な生産、ならびに、消費者用および農業用の水のリサイクルが可能となる。レクテナサイトは、遠隔地、未使用の土地に位置され得る。工業、エネルギ集約型農場、漁業の多くは、レクテナサイトの下または近傍に位置され得る。
【００６５】
地球のかなたから地域の生活圏に来るビーム化電力は、環境的には中立である。この電力は、生活圏内のネットヒートを導入する必要がない。ガス井戸や油井または他の化石燃料源の近くからの天然ガスまたは石油エネルギをビーム化する地上の送信機は、ビームリディレクタ衛星によって増強されるので、現在は、このような場所から天然ガスまたは石油を輸送するのが困難なために立ち入りできない場所も、開発エリアとして、切り開くことができる。燃料を電気に変換し、次いで、電気をその場で１つ以上のマイクロ波ビームに変換することによって、このような輸送問題は完全に排除される。周回軌道リディレクタ衛星からビーム化電力を受信するレクテナサイトは、消費者による直接消費用の純粋な電気を出力する。このシステムは、世界中のより多くの人々に利用可能になり得るように、電気コストを著しく削減し得る。電気のコストが安くなると、枯渇が避けられない化石燃料供給への依存を減らして、水からの水素などの燃料製造、および、合成燃料の製造が、より実現可能となる。
【００６６】
本発明のシステムは、非常に多彩な用途を有する。なぜなら、多くの異なる電力ビームは、地球の多数の場所から発せられ得るからである。世界中の多数の異なる衛星、および、受信機またはレクテナサイトに、ならびに、宇宙輸送の目的で宇宙の中に、および、直接月面ベースに、向けられ得るからである。このシステムのマイクロ波エネルギは、例えば、パイプライン内の石油のような待ち時間に比べ、本質的に待ち時間がなく、ほとんど瞬間的に新たに向けられ得る。
【００６７】
燃料源の近くの中央化設備は、地方の発電所より大きな容量であり得、追加的に規模の経済のメリットを有する。夜間における地方の発電所での問題は、大幅に削減できる。なぜなら、発電所は、地方の電力網から遠隔地にあるからである。これは、２４時間ぶっ通しで、ただ単に、リディレクタ衛星を介する電力をレクテナサイトに向けるだけで、フル能力で動作され得る。このサイトでは、電力需要は、時間の任意の瞬間に、最大である。世界の異なる地域が昼間および夜間であるために、その電力は、各２４時間の間に、必要に応じて、再配分される。これは、潜在的に、粗利を約１０％増にする結果となり得る。
【００６８】
排ガスが捕捉され、油床またはガス床の中に注入される図８に示す実施形態において、発電プラントと関連する通常の物理的汚染（二酸化炭素、酸性雨）は、実質的に削減または排除される。これらの汚染の影響は、塵灰に加え、地方自治体にとっての問題であるが、これらを排除し得る。なぜなら、この発電設備は、人口密集地帯に隣接して位置しないからである。発電プラントの欠陥、および、供給と能力との不確実性に対する危険も、また、地方自治体にとっての問題であるが、これも排除される。その代わりに、唯一の地方の設備は、レクテナサイトである。このレクテナサイトでは、汚染が一切なく、損傷を生じるような事故のリスクもほとんどない。
【００６９】
この発明の地上の電力輸送および配給のシステムは、単独に、あるいは、月面太陽発電所とともに使用され得、船舶および陸上でのオペレーションにエネルギ供給ラインに対するニーズを完全に排除する。本システムによって、より安定なコストでエネルギを供給でき、民間および防衛の利益となる。また、本発明システムによって、米国の船舶、飛行機および他の設備が、レーダビームを発する必要がなくなり、完全にレーダーで捕捉されなく（ｓｔｅａｌｔｈｙ）なり得るコード化されたバイスタティック（ｂｉ−ｓｔａｔｉｃ）なレーダが可能になる。また、本システムによって、監視ステーションを軌道内に低コストで置くことで、非常に低コストで、地球上の活動をより広大に連続的にモニタすることが可能になる。
【００７０】
本発明の一部の実施形態は、ただ単に例示として以上に記載されてきたが、添付の請求項によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に変更がなされ得ることは、当業者には理解される。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
本発明は、添付図面とともに関連付けて、本発明の一部の例示的な実施形態の以下の詳細な説明から、よりよく理解される。添付図面において、同様の番号は、同様のパーツを意味する。
【図１】図１は、従来技術の月面エネルギ集電および送電システムの模式図である。
【図２】図２は、月上の集電および送電ステーションの模式図である。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態に従う地球ベースのエネルギ輸送または配給システムを示す。
【図４】図４は、マイクロ波電力ビーム化用のフラットフェース正方形アレイのセグメントを示す。
【図５】図５は、システム内で使用するために、考えられる軌道リディレクタを示す。
【図６】図６は、イオン駆動輸送ベッセルを示し、このベッセルは、低地球軌道から高地球軌道内への材料の輸送および軌道周回リディレクタの移動に使用され得る。
【図７】図７は、地球からのマイクロ波ビームエネルギを用いて、月面発電所の建設のために、月に機材を輸送するためのシステムを示す。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態に従う発電および配電システムのブロック図を示す。
【図９】図９は、仮設発電設備を提供するための仮設レクテナシステムを示す。
【図１０】図１０は、配電システムの一部を形成する仮設または恒久レクテナ設備で使用するための焦点制御システムを示す。
【図１１】図１１は、本発明の別の実施形態に従うシステムを示し、地球から直接、あるいは、新たに向けられたビームによって、月面ベースに電力供給する図８のシステムを用いるシステムである。
【図１２】図１２は、図８の配電システムからマイクロ波ビームによって電力供給され得る宇宙探査機を示す。
【図１３】図１３は、図１２の宇宙探査機の張り出しチャンバの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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