研究開発

次世代の太陽電池を宇宙空間で実証する
NESSIE

1Vol.

話を聞いた人NESSIEはシート状の次世代型薄膜太陽電池を特集

実際の宇宙空間で実証するシステムです。

島﨑一紀

惑星分光観測衛星「ひさき」に搭載されたNESSIEの概要と目的について紹介します。

SHIMAZAKI Kazunori
電源グループ 主任開発員※NESSIE： Next-generation Small Satellite Instrument for EPS

2014 Winter

研究開発

３Ｄプリンタによる部品製造を実用化する
ＪＡＸＡの取り組み

宇宙環境の長期間観測を行ったSEDA-APの成果 / 次世代の太陽電池を宇宙空間で実証するNESSIE
Cover Topics

実用化の前に行う宇宙空間での実証実験

ねたリジット（曲らない、固い）タイプの三接電池が配置されています。
また、IMM3Jは、合太陽電池です。三つの層がそれぞれ違う

従来の太陽電池と同じようにガラスでカ波長に対応しているため、太陽光を効率よくバーされたタイプと樹脂フィルムでラミネー太陽電池を使用する宇宙空間には、地表吸収しエネルギーに変換できます。
一般に使トされたタイプの２種類が搭載されており、に届かないようなさまざまな放射線が存在用されるシリコン（Si）太陽電池の変換効率

宇宙環境による影響も調べることになってするため、太陽電池が劣化したり制御用のは、およそ20％程度ですが、代表的なリジッいます。

電子機器に影響を及ぼすといった問題が起トの三接合太陽電池は28.5％の変換効率ときます。そのため、新しく開発した太陽電池なっています。
しかし、三接合太陽電池のGeの結果が得られています。打ち上げから約をそのまま人工衛星の主電源として利用す層は比較的厚みがあり、重量に与える影響２年間は、月に１回程度の試験を行い、それるのはリスクが高すぎます。

が大きいため、電源グループでは、高効率化以降は常時運用での確認試験を行う計画

現在、NESSIEによる計測では、予測通り「宇宙開発の将来のために」研究開発本部の新しいチャレンジ
中橋 和博

NAKAHASHI Kazuhiro

そこで、新しく開発した太陽電池は、まずと軽量化を狙い、Ge層を使用しないInGaPです。実用化はミッション終了後になる予定

小型の人工衛星などを利用して実証実験をとGaAsの薄膜二接合タイプ（TF2J）と、さらです。

行います。にインジウムガリウムヒ素（InGaAs）を重ね薄くて軽く、曲げられる太陽電池が実用研究開発本部は、JAXAの各本部を支える基盤技術

2013年９月14日にイプシロンロケットた薄膜三接合タイプ（IMM3J）を開発しまし化されれば、太陽電池パネルの重量を軽くを研究開発しているところです。
これは大学などと違っ研究開発本部 本部長によって打ち上げられた惑星分光観測衛星た。厚みのあるGe層を使用しないことで、できるだけでなく、太陽電池を宇宙機本体「ひさき」（SPRINT-A）にも、次世代型の太て、ある程度、目的志向的な研究開発になります。将来のTF2JとIMM3Jは非常に薄い太陽電池との曲面に合わせて配置することなどもでき宇宙開発について大きな絵をまず描き、その中でどのよ陽電池を使った実証実験装置、次世代電源なっていて、太陽電池セルを並べたシートるかもしれません。

うな基礎技術が必要なのかを見極め、あるいは社会的な系要素技術実証システム（NESSIE）が搭（SSS：スペースソーラーシート）
はある程度要請に基づき、最終的な出口を考えながら研究開発をし載されており、打ち上げ時の衝撃に耐えら曲げることもできます。
変換効率に関しては、ていくわけで、私たちはそういう意識を高めることが大れるか、想定した出力が宇宙空間で得られTF2Jが25％、IMM3Jが30〜32％です。

るか、どの程度の寿命があるのかなどを試験しています。

高近似二光源ソーラーシミュレータを使用し真空状況下で太陽電池の性能を確認

NESSIEの太陽電池パネルには、TF2JとIMM3Jに加え、比較用としてシリコン太陽事であると考えています。
これまでの日本の宇宙開発は、先を走っていたアメリカになんとか追いつこうとして頑張ってきました。最近
では、技術がかなりレベルアップし、アメリカやヨーロッNESSIEに搭載された次世代型薄膜太陽電池とは太陽電池パネル（KKM-PNL）

リチウムイオンキャパシタ（LIC）

パと対等になるところまできています。
これからは、自国の衛星やロケットに使うだけでなく、世界に打って出て、技術的にも、価格的にも競争力のある部品を開発してい

NESSIEは550×463×205mmの立方く。そうした積極的な姿勢で研究開発を進めていくこと

体で、太陽電池パネル（KKM-PNL）と、リが、新生JAXAにおける研究開発本部のスタンスであるチウムイオンキャパシタ（LIC）および制御回路の二層構造になっています。そのうち電源グループが担当したのは、太陽電池パ

IMM3J
NESSIEの外観ネル部分です。
現在、宇宙機に使用される太陽電池は、
イ
ンジウムガリウムリン（InGaP）、ガリウムヒ
素（GaAs）、ゲルマニウム（Ge）の三層を重スペース
ソーラーシート
（SSS）

TF2J

制御ユニット

直流交換

LIC

太陽電池パネル（KKM-PNL）の諸元
発生電力
10W以上（太陽光垂直入射時）
スペースソーラーシート

ガラスラミネートタイプ

セル（SHARP製）

・薄膜二接合太陽電池セル（TF2J）
・薄膜三接合薄膜太陽電池セル（IMM3J）・シリコン太陽電池セル

重量約264ｇと考えています。
それからもう一つ、例えば宇宙ゴミの除去のような、チャレンジングでリスキーな研究テーマに取り組んでいくことも必要です。今まではある決まった仕様を満たす部品をいかにつくるかという努力がメインだった面もありましたが、これからは、何らかのブレイクスルーをもたらすような革新的な研究をしていかなくてはなりません。
世界の先頭を走るような基盤技術の研究開発、そして研究開発本部 広報誌
宇宙開発最前線！
2014年2月発行

発行：JAXA（宇宙航空研究開発機構）研究開発本部
発行責任者：JAXA研究開発本部 研究推進部長 今井良一
〒305-8505 茨城県つくば市千現2-1-1
TEL:029-868-5000 FAX:029-868-5969
ホームページ : http://www.ard.jaxa.jp/

革新をもたらすチャレンジングな研究、この二本立てが私たちの目標です。

研究開発

スラスタ
（将来は「こうのとり」のスラスタにも活用される可能性）

３Ｄプリンタによる部品製造を実用化するＪＡＸＡの取り組み話を聞いた人印刷するように立体物を製造できる３Ｄプリンタ。

升岡

人工衛星や探査機などの部品製造に革命をもたらすかもしれない
３Ｄプリンタによる部品製造の実用化に向けた研究を紹介します。

一層、一層を積み重ねて作る
３Ｄプリンタ正MASUOKA Tadashi
推進系グループ 開発員

チで実用化に向けた研究を進めているそう

使用できる耐久性や熱によって変形や破損です。

しない耐熱性が求められます。

３Ｄプリンタの多くは造形素材として樹脂

３Ｄプリンタによる金属部品の製造は株（プラスチック）を使用していますが、金属を式会社コイワイに依頼しており、スラスタのＤプリンタによる金属積層製造技術で作製利用した３Dプリンタもあります。金属造形

３次元データを元に３Ｄプリンタで部品を製する研究を行っています。
「 ある学会で、３Ｄプリンタは、チタンなどの金属をパウ造しています。

ヨーロッパが人工衛星の部品を３Ｄプリンタ

ダー状にしたものを素材に、電子ビームの金属パウダーを融かして作られるため、で作ったことを知り、日本でも３Ｄプリンタ照射によって生じた熱により金属パウダー表面はざらついています。燃料や空気などJAXAでは、現在、宇宙機などの部品を３の活用方法を検討するようになりました」

を融かし立体物を成形していきます。一つが通る部分には滑らかさが求められるたと、研究を開始したきっかけを話してくれたの層を作ったら、金属パウダーをその上にめ、そのままでは使用できません。そこで精のは、推進系グループの升岡正開発員で散布し、さらに電子ビームを照射して次の密加工の実績がある株式会社由紀精密にす。すでに３Ｄプリンタによる部品製造を実層を作る。
これを繰り返すことで、一つの金部品表面を研磨加工してもらい、JAXAの用化したヨーロッパに続き、NASAも急ピッ属部品を作り上げていきます。

求める精度を出しています。
通常、人工衛星のスラスタは、一塊の金３Dプリンタのしくみ
電子ビームや紫外線などJAXAにおける３Ｄプリンタ製造技術の研究

属を旋盤やNC加工機などの工作機械で少しずつ削る、いわゆる削り出しという方法で作られます。削り出しで作られた部品は衝推進系グループで現在３Ｄプリンタによるデータを元に金属パウダーや樹脂などの素材を一層敷きつめ、そこに紫外線や電子ビームを照射して融解する。
これを繰り返し、何層にも重ねていくことで、立体形状の物を製造することができる。

撃や熱にも強いですが、製造に時間がかか部品製造を検討しているのが、人工衛星のる上にコストも高くなります。一方、
３Ｄプリ

姿勢制御や軌道変換に使用されるスラスタ

ンタで作った部品は、保管に手間のかから（噴射器）です。スラスタは燃料から燃焼ガない金属パウダーから作られるため、材料スを発生させ噴き出すことで推進力を生みの調達費用も抑えられます。
また、製造時の出します。姿勢制御は、人工衛星の運用中くずもほとんど発生しません。強度について頻繁に行われるため、スラスタには長期間も、「 削り出しの部品とほとんど遜色ないものが作れるようになりました」と升岡開発員

ゆえに、微々たるものですが層ごとのずれは話します。積み重ねる方向を変えて作っが生じ、部品全体がわずかに変形することた部品についても、強度や熱伝導性を評価もあります。実際に試作試験では、部品ごとしています。に性能のばらつきが見られるといいます。

125cm
2cm

一定の品質を得るためには、日本の製造業さまざまなメリットを持つ３Ｄプリンタが得意とする精密加工の技術と組み合わ34せた技術が必要です。それを日本独自の技術として確立できれば、先行する海外の技３Ｄプリンタには、複雑な形状を作り出せるという特長もあります。
たとえば蜂の巣の術にも対抗できるでしょう。
現在、使用できる材料はチタンなど一部ような中空のメッシュ構造も製造することがの金属に限られていますが、推進系グルーでき、部品の断熱性を高めると同時に、重量プでは、将来、別の金属でも３Ｄプリンタでも軽くできます。
また、従来は複数の部品を利用できるよう、東北大学と連携して研究組み合わせて構成していた部品も、同じ素を進めています。
また、サイズについても現材であれば一つの部品として製造できま在は最大でも200×200×350mmまでのす。部品を一体化すれば、強度や精度の高部品しか作れませんが、升岡開発員は「将い部品をコストを抑えながら製造すること来はノズルのような大きな部品も作れるよができるでしょう。

うになれば」と希望を語ってくれました。

2016年頃までに３Ｄプリンタによる実用多くの種類を少しずつ作る少量多品種生部品の製造技術を確立することが研究の目産が得意な３Ｄプリンタは、人工衛星などの標ですが、実用化に向けてはまだ越えなけ

宇宙機で使用する部品に適した製造方法ればならないハードルもあります。融かしたであり、将来の宇宙産業にとって必須の技金属の層を積み重ねて作るという製造方法術となるでしょう。

5
1 ３Dプリンタで製造する際の素材となる金属パウ
ダー 2 メッシュ構造の試作 3 4 スラスタに使用されている噴射器やノズルへの適用を目指す 5 3Dプリン
タによる部品製造実用化に向けて研究を行っているスタッフ。後列左より、
草間光治(AES)、長田泰一、
畑井啓吾、増田井出夫、藤井 剛。前列左より、池田博英、香河英史、升岡 正、毛利和生

宇宙環境の長期間観測を行った

SEDA-APの成果

宇宙開発に不可欠な宇宙環境の計測を長期間にわたって続けている、日本の宇宙環境計測ミッション装置(SEDA-AP)の目的や概要、成果について紹介します。
ⓒJAXA/NASA

「きぼう」
日本実験棟

※SEDA-AP: Space Environment Data Acquisition equipment - Attached Payload

宇宙機設計に欠かせない宇宙環境の観測が発生した際に、地球軌道までどれだけの測する⑤「電子部品評価装置」などの計測

高エネルギー粒子が飛来するのかを知るた器が搭載され、また軌道上の微小粒子を捕めです」と説明します。以前の観測衛星にも獲する⑥「微小粒子捕獲実験装置」が計測後回収されました。

マ、原子、微小粒子などが飛び交っていま宇宙環境を計測する装置は搭載されていましたが、SEDA - APは、地表から400kmとす。
このような宇宙の環境を知ることは、人いう比較的低い軌道上の環境を長期間、観測はISSでは日本だけが行っているもので、工衛星や探査機などの宇宙機を設計・製造測するというこれまでにないミッションです。SEDA-APのデータは、将来の有人宇宙ます。

宇宙空間にはさまざまな放射線やプラズする上で非常に重要です。
宇宙環境計測ミッション装置（SEDA-AP）

特にリアルタイムの中性子スペクトル計
太陽フレアの研究に役立つと期待されてい飛行などにも役立てることができます。

は、ISSが飛行する高度400km付近の宇宙環境を測定する、いわば「宇宙の百葉箱」です。2009年７月に国際宇宙ステーション②重イオン計測装置

長期間にわたって有益なデータを収集したSEDA-AP（ISS）へと運ばれ、「きぼう」日本実験棟の船外実験プラットフォームに据え付けられまSEDA-APは、縦横が１×0.8m、中性子モニタを搭載した先端を伸ばすと長さが約した。
SEDA - APについて、開発を担当した宇2.85mになり、空間の中性子量をリアルタ

宙環境グループの古賀清一主任開発員はイムで計測する①「中性子モニタ」、電子部「観測を行う目的は、人工衛星を設計する際品の誤作動の原因となる重イオンの粒子別に使用する環境モデルのためのデータ収集

エネルギー分布を計測する②「重イオン計と太陽フレア（太陽表面で起こる爆発現象）測装置」、宇宙空間プラズマの密度や電子⑤電子部品評価装置④原子状酸素モニタ⑥微小粒子捕獲実験装置③プラズマ計測装置

SEDA-AP搭載機器

温度を計測する③「プラズマ計測装置」、断話を聞いた人

熱材や塗料を劣化させる原子状酸素の量古賀清一を測定する④「原子状酸素モニタ」、部品のKOGA Kiyokazu

シングルイベント（宇宙放射線が電子回路

宇宙環境グループ 主任開発員に誤作動や損傷を与える現象）・劣化等を計

SEDA-APの開発に携わったスタッフ。
左より、山田理子、古賀清一、木本雄吾①中性子モニタ研究開発

次世代の太陽電池を宇宙空間で実証するNESSIE
話を聞いた人NESSIEはシート状の次世代型薄膜太陽電池を実際の宇宙空間で実証するシステムです。
惑星分光観測衛星「ひさき」に搭載された

島﨑一紀

NESSIEの概要と目的について紹介します。

SHIMAZAKI Kazunori※NESSIE： Next-generation Small Satellite Instrument for EPS

実用化の前に行う宇宙空間での実証実験
太陽電池を使用する宇宙空間には、地表ねたリジット（曲らない、固い）タイプの三接電源グループ 主任開発員電池が配置されています。
また、IMM3Jは、合太陽電池です。三つの層がそれぞれ違う

従来の太陽電池と同じようにガラスでカ波長に対応しているため、太陽光を効率よくバーされたタイプと樹脂フィルムでラミネー吸収しエネルギーに変換できます。
一般に使トされたタイプの２種類が搭載されており、に届かないようなさまざまな放射線が存在用されるシリコン（Si）太陽電池の変換効率

宇宙環境による影響も調べることになってするため、太陽電池が劣化したり制御用のは、およそ20％程度ですが、代表的なリジッいます。

電子機器に影響を及ぼすといった問題が起トの三接合太陽電池は28.5％の変換効率と現在、NESSIEによる計測では、予測通りきます。そのため、新しく開発した太陽電池なっています。
しかし、三接合太陽電池のGeの結果が得られています。打ち上げから約をそのまま人工衛星の主電源として利用す層は比較的厚みがあり、重量に与える影響２年間は、月に１回程度の試験を行い、それるのはリスクが高すぎます。

が大きいため、電源グループでは、高効率化以降は常時運用での確認試験を行う計画

そこで、新しく開発した太陽電池は、まずと軽量化を狙い、Ge層を使用しないInGaPです。実用化はミッション終了後になる予定

小型の人工衛星などを利用して実証実験をとGaAsの薄膜二接合タイプ（TF2J）と、さらです。

行います。にインジウムガリウムヒ素（InGaAs）
を重ね薄くて軽く、曲げられる太陽電池が実用2013年９月14日にイプシロンロケットた薄膜三接合タイプ（IMM3J）を開発しまし化されれば、太陽電池パネルの重量を軽くによって打ち上げられた惑星分光観測衛星た。厚みのあるGe層を使用しないことで、できるだけでなく、太陽電池を宇宙機本体「ひさき」（SPRINT-A）にも、次世代型の太TF2JとIMM3Jは非常に薄い太陽電池との曲面に合わせて配置することなどもでき陽電池を使った実証実験装置、次世代電源なっていて、太陽電池セルを並べたシートるかもしれません。

系要素技術実証システム（NESSIE）が搭（SSS：スペースソーラーシート）はある程度載されており、打ち上げ時の衝撃に耐えら曲げることもできます。
変換効率に関しては、れるか、想定した出力が宇宙空間で得られTF2Jが25％、IMM3Jが30〜32％です。

るか、どの程度の寿命があるのかなどを試験しています。

高近似二光源ソーラーシミュレータを使用し真空状況下で太陽電池の性能を確認

NESSIEの太陽電池パネルには、TF2JとIMM3Jに加え、比較用としてシリコン太陽NESSIEに搭載された次世代型薄膜太陽電池とは太陽電池パネル（KKM-PNL）

リチウムイオンキャパシタ（LIC）

NESSIEは550×463×205mmの立方体で、太陽電池パネル（KKM-PNL）と、リチウムイオンキャパシタ（LIC）および制御

IMM3J回路の二層構造になっています。そのうち電源グループが担当したのは、太陽電池パNESSIEの外観ネル部分です。
現在、宇宙機に使用される太陽電池は、
イ
ンジウムガリウムリン（InGaP）、ガリウムヒ
素（GaAs）、ゲルマニウム（Ge）の三層を重研究開発本部 広報誌
宇宙開発最前線！
2014年2月発行

スペースソーラーシート
（SSS）

TF2J

制御ユニット

直流交換

LIC

太陽電池パネル（KKM-PNL）の諸元
発生電力
10W以上
（太陽光垂直入射時）
スペースソーラーシート

ガラスラミネートタイプ

セル（SHARP製）

・薄膜二接合太陽電池セル（TF2J）
・薄膜三接合薄膜太陽電池セル（IMM3J）・シリコン太陽電池セル

重量約264ｇ

発行：JAXA（宇宙航空研究開発機構）研究開発本部
発行責任者：JAXA研究開発本部 研究推進部長 今井良一
〒305-8505 茨城県つくば市千現2-1-1
TEL:029-868-5000 FAX:029-868-5969
ホームページ : http://www.ard.jaxa.jp/