月面電力供給システムの検討
宇宙開発利用推進研究開発（月面におけるエネルギー関連技術開発（技術課題整理)）
電力WG活動状況のご紹介内田敦(三菱総合研究所)
岡範全、山内健司、○伊地智幸一
(宇宙システム開発利用推進機構)

田中孝治(宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所)
三谷友彦(京都大学)、石村康生(早稲田大学)
本城和彦、石川亮(電気通信大学)
藤野義之(東洋大学)、藤田和久(光産業創成大学)
伊東健治(金沢工大)
川上好弘、石川洋二(大林組)
山口洋司(シャープ)
小川誠仁(IHIエアロスペース)(代表者を表示)

月周回軌道から月面への無線電力送電
1GWクラスの発電設備

2050年頃の月面上の電力システム(予測)クレータ中のPSRにおけるローバー等の活動及び水素製造プラントの稼働

月周辺軌道太陽光発電システム
大規模太陽
光発電

月面上での送電システム

水素製造
プラント

月軌道周回発電衛星群
により電力を供給
月面設置レクテナ

10km

1MW〜100MW程度供給

月面蓄電システム(水素製造プラント側設置)

月面上での送電システム
10km

ローバー等による資源探査活動(蓄電池及び無線伝送)

惑星探査向け設備
月面低緯度地域設置観測施設等

有人居住エリア
月面活動
ローバー等
(蓄電池)

原子力発電
等の他の方
式による大
規模発電

有人活動
住居。施設

1〜10MW程度供給
月面蓄電システム(有人活動施設側設置)

輸送システムロケット、ローバー実用
ホッパー実用

第7回月測位研究会/7th Cis-lunar PNT Conference
2024年5月28日© 2024 Japan Space Systems

1月面におけるエネルギー関連技術開発（電力関係の技術課題整理）
・本業務は令和3年度より、三菱総合研究所殿が経済産業省より委託を受けた「宇宙開発利用推進
研究開発（月面におけるエネルギー関連技術開発（技術課題整理）の中で、電力供給に関係する部分については財団法人宇宙システム開発利用推進機構が宇宙科学研究所、大学、企業より構成するチームを作り、検討を実施したものであり、「月面での水素製造」など、月面活動に必要な電力需要に対しての電力供給システムの検討という位置付けである。
・令和3年度は、月面での発電、蓄電、送電（無線電力送電等）を含む電力供給システムに必要な要素技術等を洗い出し、各アーキテクチャにおいて想定しうる技術、建設・運用シナリオ、課題等を取りまとめて、月面探査における我が国の協力分野や技術開発の必要性を検討し、令和4年度
は、上記に加え、よりシステムとして発電から送電までの一貫した電力ネットワークとしての検討や技術・方式の検討を行い、それぞれ のメリット・デメリットを整理した。さらに令和5年度
は建設のシナリオを想定し、実証項目、 月面への必要輸送量、システムの具体配置、予算規模を含めた実証計画等の検討を実施した。本プレゼンテーションにおいては令和3年度及び4年度におけるシステム検討結果を中心に紹介する。なお本検討は令和6年度においても継続している。
令和3年度報告書は経産省HPに公開（2022年12月6日）
https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/2021FY/000341.pdf
令和4年度報告書は経産省HPに公開（2023年5月18日）
https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/2021FY/050027.pdf
令和5年度報告書については近日中に公開予定© 2024 Japan Space Systems

2

月面電力供給システムの検討
内容
1. 前提条件の整理と検討の全体像
2.月面電力供給全体システム
3.月周辺軌道太陽光発電システム
4.月面設置発電システム
5.月面上での送電システム© 2024 Japan Space Systems

31.前提条件の整理と検討の全体
月面電力供給アーキテクチャの全体システム構成
1.月周辺軌道太陽光発電システム
2.月面設置発電システム
3.月面上での送電システム
4.月面蓄電システム
5.輸送システム

JAXA 国際宇宙探査シナリオ2019 宇宙探査
での「有人活動」の長期的な目標から想定する電力システム構築のシナリオ

2030年〜©JAXAイラストより

n 2030年頃からは無人の小型の探査ローバ及び短期滞在型の有人のローバの極地域で活動が本格化するので、それへの〜数100W程度(暫定)の無線による電力供給を開始する。
n 2035年頃に小規模な恒久的な有人プラントが極地域に設置され、数100kW程度(暫定)の電力を恒久的に必要とする。これはこの時期にレゴリスに1%程度の水含有量を想定した場合に必要とされる水素製造に必要な電力である。
n 大規模な有人滞在を想定すると、電力供給方式は2FT(Two Fault Tolerant)の要求を満たす必要性から、3つの異なる方法にて電力を供給される必要があることに留意する必要がある。
n 2040年頃からは、数10MW(暫定)を極地域で消費することに加えて、15日の越夜が必要な低緯度地域への活動が展開されると想定されることから、その地域での必要な電力供給システムを検討する。その場合有人拠点となることを想定する。
© 2024 Japan Space Systems

4

月面電力供給の対象の規模感とその電力供給システムの規模感並びにそのスケジュール感

小規模軌道上及び着陸した探査機による探査
さらに無人観測ポスト
無人ローバー等による探査開始
さらに短期間有人滞在を含む無人ローバによる資源探査開始
さらに小規模長期有人滞在型プラント設置
自給による資源探査活動

2030年?
2035年?
<電力供給システムの想定する規模感>(水素WGでの認識との整合性要確認)
極地方に点在し、移動する数kW程度の無人ローバーや観測ポス
ト、センサー等への電力供給。
ただし2030年頃からは小規模短期間の有人滞在も考慮する。

さらに大規模有人滞在
本格的資源探査
火星等への拠点化

2040年?
ローバー等に加え、極地方に100kWクラスの恒久的な小規
模自給的な数十人程度の有人
滞在型のプラントの設置が開始される。

月面の様々な場所への恒久的な有人滞在のプラントや基地の建設運用が開始される。
また低緯度地方にも有人の活動拠点と諸設備が設置される。

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5

インフラとしての一般的な電力供給システムの構成

電力供給システム
発電

集配電(電力グリッド)(電力需要)

需給調整• 通常の発電システムは、急激な電力需要の変化に対応して発電量を制御する
ことには不向きである。そのため急激な電力需要の変化に対応するために、地上と同様に即応的に余剰電力を吸収したり、不足の電力を供給する機能が
電力グリッドに接続される必要がある• 地上のインフラであれば、揚水発電、蓄電池等がその一例である© 2024 Japan Space Systems

6

月周辺軌道太陽光発電システム
軌道上太陽光発電システム

月面電力供給アーキテクチャ概念図
極地域の永久
影への無線電力伝送⽉⾯
探査機等

電力供給の対象
水素精製
プラント
居住区

発送電一体パネル

溶岩チューブ内探査時の無線電力伝送マイクロ波による
電力伝送

月面上での送電システム
月面蓄電システム
月面レクテナ

蓄電システム

無線電力伝送システム(受電部)

無線電力伝送システム(送電部)
月面上太陽光発電

太陽電池パネル

輸送システム
月面設置発電システム

7© 2024 Japan Space Systems

7

水素製造側における設置場所の要求について
上記の考察のもと、水素製造側の要求に従い、南極地方の10km程度以上の大きさの永久影の場所(PSR)の中における水の採掘と抽出を行い、それをPSRのリムの外側に設置した水素製造プラントに運搬して水素にし、さらにその水素を10km程度はな
れた場所の、輸送システムの発着場所へ輸送し、惑星向けの輸送手段の推進薬とする水素製造保管供給システム全体への電力供給全体システムと、そのシステムを構成すする要素技術の方式を選定した。
まず月面設置の太陽光発電は、水素ブラント近傍のPSRのリム設置と、より太陽
光受光の時間の長い、10km離れた高地の設置ということで検討を実施した。
また軌道上からの電力送電おいては、無線送電された電力は、PSRの内部の水採掘場所の近傍にて受電して使用するという過程とした。

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8電力供給アーキテクチャ構築シナリオサマリと適用システム概要
電力供給アーキテクチャ
電力
給求
概要

構成
シス
テム
適用
概要

#1(2030年頃)#2(2035年頃)#3(2040年頃)#4(2045年頃)#5(2050年頃)

規模・目的
活動概要

極地方に探査基地設
置と探査活動開始

水素製造プラント設置開始

本格的水素製造、居住開始、月面実利用開始

水素製造本格化、惑星探査基地化、月面実利
用本格化

惑星探査向け月実利用
本格化、科学観測基地
化

電力規模・形態

10kW程度〜100kW

100kW〜1MW程度

1MW〜10MWクラス

1GW〜

有人/無人

少人数短期滞在

少人数長間滞在

少人数常時滞在100人規模常時滞在

コミュニティー

停電許容レベル

生命維持2FT(脱出船常備)生命維持2FT(脱出船常備)
機器1FT

生命維持2FT(脱出船常備)
機器1FT

生命維持2FT(常備)機器1FT

生命維持2FT(常備)
機器1FT

月周回軌道発電

月周回実証

システム構築

実用配備

実用配備

実用配備

月面
発電

太陽電池

10kW、近傍配置

大規模化試験

大規模設置実用

実用

実用

その他方式

NA

立地条件調査小規模月面実証

月面建設開始実用

マイクロ波

NA、立地調査

小規模伝送試験(ローバ、プラント)

大規模10kmの距離
試験運用

同左、クレータ内、近傍からの送電で実用同左、クレータ内、近傍からの送電で実用

レーザ光

NA、立地調査

月面実証試験

試験運用

実用

実用

有線

ISSの基準、屋内近傍実用

同左、長距離対応中圧化試験

同左、長距離対応
高圧化試験

実用
水素製造、居住区

実用
水素製造、居住区

蓄電池

BU、日陰対応実用

BU、実用

BU、実用

BU、実用

BU、実用

燃料電池

NA

試験運用

実用

実用

実用

ロケット

10tクラス

100tクラス

100tクラス複数

100tクラス複数

100tクラス複数

ランダー

10tクラス(有人)

100tクラス(有人)

100tクラス(有人)

100tクラス(有人)

100tクラス(有人)

ホッパー

NA

技術実証

試験運用

低緯度設備建設

低緯度設備建設

送電

蓄電

輸送

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92.月面電力供給全体システム
月面での本格的な活動時の電力供給全体システムの構想例#4(2045年頃)段階の電力システム
月周辺軌道太陽光発電システム

・100人程度の常時滞在を前提とした水素製造プラント実稼働
・1MW程度の電力を近傍にて発電するめとともに、10km程度離れた地域に10MW程度の大規模な発電所を設置し、伝送する・水素製造プラントや探査ローバ等への無線による電力伝送実施
・電力システムは複数の方式により有人対応は常時2FT確保出来る。
月面上での送電システム
クレータ中のPSRにおけるローバー等の活動及び水素製造プラントの稼働

ローバー等による資源探査活動(蓄電池及び無線伝送)

水素製造
プラント

大規模太陽
光発電

その他の方
式による大
規模発電

月軌道周回発電衛星群
により電力を供給
月面設置レクテナ

10km

100kW〜1MW程度供給

月面上での送電システム

月面蓄電システム(水素製造プラント側設置)

10km

有人居住エリア
月面活動
探査観測施設
月面低緯度地域設置観測施設等

ローバー等
(蓄電池)

有人活動
住居。施設

1MW程度供給
月面蓄電システム(有人活動施設側設置)

輸送システムロケット、ローバー実用
ホッパー実用© 2024 Japan Space Systems

102.1 月面電力供給システムへの要求及び制約条件の整理
1.電力システム構築としての技術課題
・月面の真空環境での放電問題について技術的な研究と検討が必要である。ISSでは120V DCによる配電方式であるが、月面での有線による電力伝送での電圧をどのぐらいまで上げられるのかについての研究開発が必要である。高電圧で送電出来れば、地上と同様に、長距離を有線により電力伝送が可能となるが、実績のある120V DCでは損失が大きくなり、長距離電力伝送には採用出来ないこととなる。
・月面における電力供給システムは、衛星システム等のように発電からその利用までが一つの系統の上に並んでいるのではなく、地上の商用電力系と同様に、最終形態としては複数の方式による発電方式によるものをネットワークとしてその消費先である、水素製造プラントや設備へ供給される。そのため、地上におけるような電力ネットワーク
システムとしての観点での検討が必要である。
・また有人宇宙システムであることから、人間に対する安全性の確保の観点でのシス
テム構築方針の検討と議論が必要である。すなわち現在のNASAの有人宇宙システムで要求されているTwo Fault Tolerant (2FT)を達成する基本的な考え方について、将来は多数の人間が居住するであろう月面で活動対応でどのように発展運用してゆく必要があるのかの議論が必要である。
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112.1 月面電力供給システムへの要求及び制約条件の整理

月面での電力システムは、ISS等の宇宙システムの電力供給系というよりも、地上における「電力供給グリッド」構築という観点を出発点とし、月面の特殊性を考慮した課題設定となる。
<地球上の電力供給システムの考察と整理><環境>
大気中(1気圧の空気)
雨、湿気
1G環境
建設資材は豊富
輸送も地上や航空機により可能

配電

生産設備

居住エリア

<留意点等>
・電力系統は発電量と消費電力を一致させる必要があり、その管理が必要
・現在はスマートメータ等により全体の管理がなされており、電力線の容量に関わらず電力量を制限する運用がなされている・また人間活動に伴う電力は1シフトなのか3シフトなのかでピーク電力が3倍異なるので要注意
・地上の電力網では単なる電力線によるものではなく、ガスを配って発電する方式も併用している・特に契約をしない限り、供給される側は停電は起こ
りうることを許容している

発電所
変電

送電

発電所
発電

<構成概要>
・電力グリッドを構成している・50Hz又は60Hzの交流である(歴史的に)・長距離の送電は高電圧(有線)で実施
・居住エリアの電圧は100V〜240V程度の低圧・産業用の配電はそれぞれの機器対応の電圧
・なお最近は400DC系統での配電も登場とのこと
・また小電力対応の室内WPTも登場している© 2024 Japan Space Systems

12

<月面の特殊性の観点での月面電力システム検討>
月面の特殊性による月面電力供給システムとして考慮
すべき観点を列挙すると次の通りとなる。

その結果、全体電力システムのイメージとしては次のよ
うなことがシステムの要件となると考えられる。

1)地上において人間(生物)は電力供給が停止しても、生産等の活動は遂行不可能となるが、空気があれば短時間は生きのびることができ、直ちに生存を脅かすものではないが、月面においては、電力供給が停止すると生命を維持するインフラが止まるため、人間の生存が直ちに脅かされる。電力断をカバーする蓄電池が随所に設置されるとともに、2FTの観点での方式の異なる電力源による供給ネットワークの構築が必要となる。

1)居住区室内及びその近傍の”ラストマイルの電力分
配”は、国際宇宙ステーションで実績のある120VDCのシ
ステムをベースに構築する(確立されて実績のある技術の活用)

2)月面では真空の問題により、送配電時の電圧制約がある。また技術的には交流の必要は無く、直流とする。

3)発電所からの長距離送電は無線によるものが資源(重量)の効率を優先することから基本となる可能性がある。

3)物資は地球から運ぶ必要からエネルギー効率よりも物資(重量)の利用効率が優先する省資源でのシステム構築が必要となる。そのため、システム構成は「重量」も含めた効率化・最適化をはかる必要がある。->
エネルギー効率よりも物資(重量)の利用効率が優先されると考えられる

4)有人対応としてはTwo Fault Tolerant (2FT)の電力供給源の確保が必要となる。現在では、
・月面上の太陽光発電システム
・月軌道上での発電システム
・(第三の方式と場所による発電) -> 課題2)室内に於いて必要な小電力機器は室内WPT（ワイヤレス電力伝送）により複数の供給源から無線により送電することによりロバスト性の確保が可能となる。ただし、水素製造プラントやその他の無人の設
備、観測システムへの電力供給は、停電リスクの影響評
価により冗長系の構成を考えることとする。
© 2024 Japan Space Systems

13

<月面の特殊性の観点での月面電力システム検討>
さらに地上の技術の適用の観点で留意すべき事項として、・電力ピークを考える必要がある。人間の活動は一日を三交替で活動するのか、シフト無しでの活動なのかでピーク電力が異なる。1 シフトだと 3 倍となる。
・発熱の熱は、単なる冷却を考えるのではなく、ヒートマス等を利用する等で活用することを考える必要がある。生成した水の凍結防止等に利用可能と考えられる。
・バックアップの電池を随所に配置する必要がある。
・水素製造設備へのラストマイル等、居住区外の設備
では最近の技術動向にて400VDC の使用も考えると良いかもしれない。
・電源系統としては太陽電池との整合性等を考えると直流が良い。交流方式は地上では過去の経緯で使用しているだけのようである。
・車の配線は、筐体をリターンしているため基本的に単線であり、この方式により省資源が可能である。

・地上の電力網は単なる電力線によるものではなく、ガスを配って発電する等の方式も取っているで、水素の燃料電池との組み合わせによる水素ネットワークも考慮する必要がある。
・各発電所や変電所からの配電や送電は地上においては 2 回線の系統にて冗長構成としている。
・電力系統は発電量と消費電力を一致させる必要がある。現在の地上の電力系統は、スマートメータ等による管理により、使用電力の制限もしている。例えば
1kW しか電力を供給しないとい う計画であれば、仮に電力線の容量が 10kW でも 1kW に制約できる。
・有人居住区等の排出された炭酸ガスが捨てるのではなく有効に活用されるのと同様に、排熱についても捨てるのではなく蓄熱を活用して有効に活用するようにすべきである。また同様に全ての設備の排熱処理についてもうまく活用するようにシステムを構築すべきである。
・直流の場合、マージンを取って送り、蓄電池をバッ
ファとすると良い。

© 2024 Japan Space Systems

14

2.2 月面電力供給全体システム構成の概念
発電

月軌道発電システム
月軌道発電衛星システム
月面受電システム

需給調整

月面太陽光
発電システム月面その他の発電システム

水探索抽出システム
水輸送システム
水素酸素製造システム
水素酸素貯蔵システム
輸送機発着システム

電力グリッド(送電システム)
電力制御システム: 電力収支監視制御
120VDC

120VDC(可能なら400VDC)
有線、マイクロ波、レーザ

集配電
水素製造貯蔵利用システム

蓄電システム

電力変換システム及び排熱システム:
送電方式に合致させるための電力変換
及びその変換に伴う損失による発熱処
理の実施
送電システム有線(導体): 近距離及び室内配電
有線(光ファイバ): 近距離
無線(マイクロ波): 長距離無線(レーザ): 長距離

有人居住区等
電力利用
120VDC(可能なら400VDC)

観測等その他
電力利用
120VDC(可能なら400VDC)© 2024 Japan Space Systems

15

2.2 月面電力供給全体システム構成の概念(続き)

水素WGからの要求

関連設備を含む、プラントシステムの配置・アーキテクチャ
l 検討のポイント： 水素WG所掌設備

インフラ・周辺設備を含め、関連する設備を極⼒もれなく抽出し各ゾーンに配置した。
l 引き続き電⼒WGと協議し、特に取合・共通設備の要件を明確化してい
く。
熱管理
熱管理
熱管理
l

設備

設備

熱輸送

： 電力WGとの取合設備、共通インフラ

熱管理
設備

設備
熱輸送

熱輸送

蓄熱
設備

： 電力WG所掌設備

熱輸送

熱輸送

酸素
液化

酸素
貯蔵

輸送

水素
液化

水素
貯蔵

輸送

酸素
貯蔵

充填

水素
貯蔵

充填

与圧区画

熱抽
出

純水
処理

水
電解

高圧
化

居住区等
プロダクト
輸送

PSR
ｻｰﾋﾞｽ拠点（ｸﾚｰﾀﾘﾑ）
中継拠点

輸送

運転管理・
制御ｾﾝﾀ

ｻｰﾋﾞｽｿﾞｰﾝｻｰﾋﾞｽ拠点

発着ｿﾞｰﾝ
射場設備

発電・蓄電
設備

分散
蓄電設備

電力（無線）

分散
蓄電設備？
資源ｿﾞｰﾝ

分散
蓄電設備
中継ｿﾞｰﾝ

サービスｿﾞｰﾝ

16

発着ｿﾞｰﾝ

さらに電力WGとしての想定
有人居住電力:10kW程度© 2024
Japan Space Systems

16

2.3 水素側の電力供給要求アップデート及びそれに対応する電力供給全体システム構成•

構築シナリオのアップデートに基づき設定された新たな水資源採掘場所の候補(2箇所) (シャックルトンク
レータ近傍のコネクティングリッジ（候補①）と、Ｎｏｂｉｌｅ Ｒｉｍ（候補②）の2か所とし、月面設置発電システム建設場所はその候補地点のなかで日当たりの良い場所に設置されるサービスゾーンとし、処理等を行うアーキテクチャについては下記の図の通りとし、それを前提として電力システムを構築する。

•

シナリオにおいてはサービスゾーン、居住ゾーン及び観測ゾーンについての設置場所についての設定は特に無l 検討のポイント： 水素WG所掌設備
いので、送電方式も含め検討を始めることとする。
インフラ・周辺設備を含め、関連する設備を極⼒もれなく抽出し各ゾーンに配置した。
l 引き続き電⼒WGと協議し、特に取合・共通設備の要件を明確化してい
く。
熱管理
熱管理
熱管理
l

設備

熱輸送

： 電力WGとの取合設備、共通インフラ

熱管理
設備

設備
熱輸送

熱輸送

蓄熱
設備

• オレンジ枠:5[km2以]上のPSR• 青枠:半径5~20[km]のクレータ

設備： 電力WG所掌設備

熱輸送

熱輸送

酸素
液化

酸素
貯蔵

輸送

水素
液化

水素
貯蔵

輸送

酸素
貯蔵

充填

水素
貯蔵

充填

与圧区画

熱抽
出

純水
処理

水
電解

高圧
化

居住区等
プロダクト
輸送

PSR
ｻｰﾋﾞｽ拠点（ｸﾚｰﾀﾘﾑ）
中継拠点

輸送

運転管理・
制御ｾﾝﾀ

ｻｰﾋﾞｽｿﾞｰﾝｻｰﾋﾞｽ拠点

発着ｿﾞｰﾝ
射場設備

発電・蓄電
設備

分散
蓄電設備

電力（無線）

分散
蓄電設備？
資源ｿﾞｰﾝ

前提とする候補地

分散
蓄電設備
中継ｿﾞｰﾝ

サービスｿﾞｰﾝ

発着ｿﾞｰﾝ

前提とする水素アーキテクチャ© 2024 Japan Space Systems

17

2.2 月面電力供給全体システム構成の概念(続き)

月軌道発電衛星

水素からの電力要求に対応する電力供給システム構成(基本システム構成)

その他発電システム
蓄電システム(需給調整)

月軌道発電システム

遠距離送電

レクテナ

月面太陽光
発電システム(マイクロ波)(レーザ)

電力変換(変電所)(排熱が必要)観測等その他
電力利用

直近の送電
(導体)

電力監視制御有人居住区
電力利用
電力グリッド(送電システム)

電力監視
制御システム
電力変換
(中継)

電力変換
(複数)

水素WGからの要求
PSR

熱輸送

熱輸送

Rim

熱抽
出

熱輸送

熱輸送

酸素
液化

酸素
貯蔵

輸送

水素
液化

水素
貯蔵

輸送

酸素
貯蔵

充填

水素
貯蔵

充填

与圧区画

地形高度のイメージ

純水
処理

水
電解

高圧
化

居住区等

水素製造
貯蔵利用
システム

輸送

PSR
ｻｰﾋﾞｽ拠点

輸送（ｸﾚｰﾀﾘﾑ）
中継拠点

運転管理・
制御ｾﾝﾀ

ｻｰﾋﾞｽｿﾞｰﾝｻｰﾋﾞｽ拠点

発着ｿﾞｰﾝ
射場設備

電力（無線）

分散
蓄電設備？
資源ｿﾞｰﾝ

資源ゾーン

パイプラインの全長は２６ｋｍ（サービスゾーン～資源ゾーン：25km

中継ゾーン

サービスゾーン～発着ゾーン：1km）
サービスｿﾞｰﾝ

サービスゾーン

発着ｿﾞｰﾝ

発着ゾーン© 2024 Japan Space Systems

18

3.月周辺軌道太陽光発電システム
月軌道上7機のSSPS

From #34 Moon Village Study
Meeting material on Sept. 26, 2023
by Dr. Koji Tanaka ISAS

月軌道上
SSPSモデル軌道
Apoapsis: 1000km
Periapsis: 100km

月軌道上SSPS:
Φ23mアンテナ径
f:50GHz
P:10〜100kW程度

PSRモデル

レクテナ径
φ 500m から 700m
90%のビーム効率.
19

シャックルトンクレータ上空を通る月極軌道の例

From #34 Moon Village Study
Meeting material on Sept. 26, 2023
by Dr. Koji Tanaka ISAS

シャックルトンクレータ上空を通る月
極軌道衛星の数と上空通過時間の例

20月軌道発電衛星の概要の一例
From #34 Moon Village
Study Meeting material
on Sept. 26, 2023 by Dr.
Koji Tanaka ISAS

= 月極軌道衛星から月の極地域への発電衛星について、その軌道、極地域との距離、アンテナサイズ及び送電システムの規模についての検討の実施= 周波数を上げることにより軌道上発電衛星のアンテナ及び月面での受信レクテナのサイズは小さくなるが、その表面精度が要求されることとなる
21

ISAS検討資料
月周辺軌道太陽光発電システム<極域の可視時間><月極域への送電のための軌道>
近月面高度 100km
遠月面高度 1,000km
5,000km
10,000km

45度の可視時間

周期
遠⽉⾯⾼度 最⼤El

機体数
(s)

9820.18325189.
87.1167250145.
87.48445

1000km

84.1955000km
10000km

(h)

(s)

(h)

2.7

1426

0.39

6.9

7.0

11945

3.3

2.1

14.0

33294

9.2

1.5

候補地１、候補地2、シャックルトンクレーターでほぼ等しい<可視時間中の電力変動>
τ=1(=63 %)、周波数50 GHz、受信電力10 kW時の時間-受信電力変化を示す
El[deg]El[deg]
-30

-15

0

15

30

-45

45

-15

0

El[deg]
15

30

45

-45

15

レクテナ出力電力[kW]15

レクテナ出力電力[kW]

-30

14
13
12
11

14
13
12
11
10

10
-500

-250

0

250

500

時間[s]

750

-15

0

15

30

45

・PSR内での水探査と水素製造への月軌道
上発電システムの電力を利用であればPSR
内に受電レクテナを設置し、直接受電して利用することが電力効率の観点からは最適と考えられる

14
13
12
11
10

-5000

-2500

0

2500

時間[s]
シャックルトン
候補地1
候補地2

シャックルトン候補地1
候補地2

遠月面高度 1,000km

-30

15

レクテナ出力電力[kW]-45・10kW送電を想定した場合の電力プロ
ファイルは左記の通りとなる。100kW送電のへの拡大は技術開発課題である

遠月面高度

5,000km

5000-15000-10000 -5000

05000 10000 15000

時間[s]シャックルトン
候補地1
候補地2

遠月面高度

10,000km

・有人居住区へも供給するのであれば、PSRの外の居住区の近くにも受電レクテナを設置し、ビームの方向制御により両方に送電可能と考えられる

シャープ資料

4.月面設置発電システム
4.1 太陽発電セルに関する検討
太陽光発電アレイ⽤ユニットシート形状と特性等の調査検討を実施した。
235 mm

特性値(1シート)
出⼒(typ.値）

20.8 W 18セル分合計

重量46.5 g ガラス厚み100um

出⼒重量⽐
サイズ
267 mm

備考

2.2 g/W
0.447 W/g
267×235 mm

厚み約0.4 mm
ガラス
透明接着剤
セル
褐⾊接着剤

バックシート

断⾯構造
図
イメージ画像・6 m × 3 m ×2翼だと572シート。出⼒(BOL):11.9 kW

重量:26.6 kg

23
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大林組資料4.2 太陽光発電環境の検討
⽉極域での⽉⾯設置太陽光発電システムの検討には、⽇照時間の経緯を把握することが重要であるため、国交省スターダス
トプログラムの「⽉⾯における展開構造物の要件定義および無⼈設営検討の技術開発」で作成した⽉南極域の3Dモデルを基に⽇照環境の年間の変化を求めた。
候補地１

2

1月め:100%

1.5

2月め:98.3%

3月め:95.6%

4月め:91.1%

5月め:70.6%

6月め:56.7%

7月め:54.4%

8月め:63.9%

9月め:82.2%

10月め:95.6% 11月め:97.8%

12月め:100%

13月め
:100%

太陽高度（周期：365.24日）

高度（度）

1

⽉南極域の多⽬的タワー設営候補地点
24（国交省スターダスト計画）

0.50

地形影響（周期：29.53日）

-0.5
-1
-1.5

2
1.5

2月め:100%

3月め:100%

1
高度（度）

4月め:100%

5月め:92.8%

6月め:83.9%

7月め:81.1%

8月め:87.2%

9月め:92.8%

10月め:100%

11月め:100%354.36324.83295.30265.77236.24206.71

経過時間（地球日）

177.18147.65118.12

88.59

29.53

1月め:100%

59.06↑ 0日：最高高度時
0.00

-2

候補地２

12月め:100% 13月め
:100%

太陽高度（周期：365.24日）

0.5
地形影響（周期：29.53日）

0

-0.5
-1

太陽⾼度と候補地点からみた太陽⽅位の最⾼地形⾼度の⽐較

CONFIDENTIAL ©2022 Obayashi Corporation

354.36324.83295.30265.77236.24206.71

経過時間（地球日）

177.18147.65118.12

88.59

59.06

↑ 0日：最高高度時
0.00

-2

29.53

-1.5

大林組殿検殿討結果
及びその分析検討

各発電方式特色の整理
4.3 月面設置太陽光発電システム
電力プロファイルは正確に予測でき、計画的な利用が可能である
時間当たりの発電電⼒量（年間表⽰）

100%

大林組
検討結果

年間プロファイル
80%

時間当たりの発電電⼒量（年間表⽰）

100%

年間プロファイル

大林組
検討結果

80%

365日程度

365日程度
60%

60%

場所候補1

場所候補2
40%

40%

20%

108日程度

104日程度

0%
0

2000

4000

6000

8000

20%

96日程度

100日程度

0%
0

2000

4000

6000

8000

<月面太陽光発電システムの特色の分析>
・月面太陽光発電システムは、設置されている南極地域であればほぼ月面水平線方向から照らされるため、太陽光を遮蔽する地形から太陽が顔を出すと100%の発電が可能となる。
・太陽と月の動きについての時刻は正確に予測できるため、太陽電池にいつ太陽光が照射されるかについては正確に予測が可能となる。このため、発電プロファイルは正確に予測でき、計画通りに電力使用が可能となる。

大林組資料4.4 既存事例調査
NASAからプロトタイプ作成・環境試験実施者として選定された3社、国交省スターダストプログラム「⽉⾯における展開構造物の要件定義
および無⼈設営検討の技術開発」で作製された構体BBMを使⽤したタワー型太陽光発電システム等の事例調査を実施した。

Astrobotic

Honeybee Robotics

Lockheed Martin

国交省スターダストプログラ
ムで作製された構体BBMを使⽤したタワー型太陽光発電シ
ステム等の事例

26
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大林組資料

4.5 建設方法、仕様の検討

年代毎の太陽発電システム仕様

項⽬
①建設⽅法
タイプ
掘削・整地が必要となると⼤掛かりな⼯
太陽電池セル
発電電⼒容量事になるため、簡易に設置できる⽅法が必展開・収納機要である。傾斜や沈み込みに対応できるよ構う設置⽅法の検討を⾏った。
回転機構
⾼さ
②仕様
寿命
NASA等の国内外の開発、検討状況等か
対応傾斜⾓度
ら各年代ごとの必要な仕様の検討を⾏った。

〜2030年〜2035年〜2040年

展開型太陽電池タワー
多接合型化合物
1〜10kW

10〜50kW

50〜100kW

有（⾃動）

有（⾃動）

有（⾃動）

無（多⾯体型）or有

有（１軸）

有（１軸）

10数m

10数〜30m

10数〜数10m

5年

10年

10年

10°

15°

15°

建設⽅法案
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IA資料

5.月面上での送電システム
極域のクレータのリム上に基地を建設して月面活動を行えるようにすることを目標に、水素WGの必要電力算出結果を踏まえ、そこで必要と考えられる送電システムを検討しました。

出典：https://www.jaxa.jp/press/2008/10/20081024_kaguya_j.html※1

リム上の基地配置（ゾーン方式）の例
ゾーン配置案（月の南極の場合）※2 参考文書より。
※1 第4回水素WG資料より、太陽光発電施設はサービスゾーンに設置される前提とする。
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69D-M-2023-038

28

IA資料

5.1 送電方式の選定方法の検討
送電方式決定するための現時点で考えられるフローを検討しました。各種送電方式を採用し得る部分については、地球からの輸送がボトルネックと考えられるため、最も質量の小さいものを採用することとし、送電電力に応じた距離と質量の関係を基に送電方式を選定することにしました。
なお、必要器材は着陸ゾーンに一旦到着してから必要な場所に輸送することが考えられ、有線のケーブ
ル敷設と無線の送受電装置にはそれぞれ送受間での器材の輸送が必要となるため、敷設に関する優劣は
ここでは検討対象外としました。
送電方式検討
判断ポイント①
NO
移動体？
判断ポイント③
YES

送電電力に応じた距離と質量の関係に基づき方式を検討

判断ポイント②
移動・稼働中
送電？

NO

YES

無線
（マイクロ波）

無線
（レーザ）

有線
（導体ワイヤ）有線（光ファイバ）※室内の局所的な給電については、地上における電源コードに加え、室内WPTの採用が考えられる。
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69D-M-2023-038

29

IA資料

5.1 送電方式の選定方法の検討（ Cont.）
判断ポイント③（固定点間送電における送電電力ごとの方式） （つづき）
各方式は以下の特徴を有するため、送電電力が増加すると、システム規模への影響が小さいマイクロ波方式が優位になると考えられる。
Ø マイクロ波は、一定の空間伝送効率を得るためには送電電力に関わらず一定の規模（アンテナサイズ）が必要。一方で、送電電力を上げても、システム規模で支配的なアンテナサイズへの影響は小さい。
Ø レーザは、照射エリアの広がりが小さく、距離によって質量は変わらないが、高出力化には複数レーザを束ねる必要があり、電力に比例して質量は増加する。
Ø 有線（導体）、有線（ファイバ）は、距離の増加に伴って質量は増加する。また、高出力化には導体断面の増加やファイバを束ねる必要があり、電力に比例して質量は増加する。

送電電力10kWの例
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送電電力100kWの例
69D-M-2023-038

5.1 システムの検討状況
5-1-2 システム構成及び建設シナリオの検討
電力供給システム候補の内、「ケース1」の電力供給システム構成案を下記に示します。
▶ ケース１における電力供給システム構成案
月周辺軌道太陽光発電システム
月軌道発電衛星

サービスゾーン
レクテナ

資源ゾーン
掘削・水抽出・候補地１
ローバー輸送：19km／130kW
パイプライン： 19km／135kW・候補地2ローバー輸送：9km／
130kW
パイプライン： 9km／135kW

0.1km／3kW

その他発電所

太陽光発電所

居住ゾーン
自家太陽光発電所

1km／10kW＋3kW

蓄電システム発着ゾーン

5km／10kW

有線（導体）
無線（マイクロ波）※図中の電力は利用側で必要とされる電力である。

観測ゾーン

無線（レーザ）

31
69D-M-2023-038

CLARCS （CLAS-based RTK Correction System)
CLASを利⽤したRTK測位補強システム

5.2 月面上での送電システム(ミリ波による方式の構成例)
送信周波数 25GHz、送電距離 10km を想定した場合、現技術レベルで実現の可能性を有する送受電システムの構成例

送電アンテナ
16.1m矩形開⼝
出⼒電⼒0.1W/素⼦
素⼦数222万個変換効率（GaN）0.45
合計送電電⼒ 222kW
熱放射率 0.9

DC444.4kWマイクロ波
222.2kW

ビームウエスト位置
送受の中央

電⼒バジェット

受電レクテナ
16.1m開⼝
⼊⼒電⼒0.13W/素⼦
素⼦数166万個
変換効率(GaAs)0.5
直流電⼒発⽣量100kW
放射率 0.5〜0.9

マイクロ波
200kW

DC
32
100kW

© 2024 Japan Space Systems

32

光産業創成大学資料より

3.月面上での送電システム(レーザ光による送電システム構成例)
レーザー系
冷媒

電源

送電系

排熱I/F

冷却系

LD⽤
DC電源
出⼒制御系

DC

冷却系

冷媒

LDs

（ファイバー端など）

冷媒
励起光

ファイバー

伝送光

受電系

伝送系
伝送系

排熱I/F

伝送光学系

出射

（受動冷却/積極冷却/熱利⽤）（積極冷却/熱利⽤）

PV部

電⼒変換部

パイロット信号
送信部（受動/積極)

電源・制御系

パワービーム⼊射

出⼒計測系

制御系

・製品例10kW（米国IPG社）
850x800x1400mm
https://www.ipgphotonics.com/en/products/lasers/hi
gh-power-cw-fiber-lasers/1-micron/yls-sm-1-10-kw
・国産はフジクラ開発品5kWなど

⽅向制御パイロット送信

電源
供給<レーザ光送電系>
・レーザ送電系は排熱が課題
・100kW供給と受光変換効率を想定すれば、レーザー出力は200kW超級が必要
・レーザー系は110kW以下程度のモジュールの統合、もしくは複数の送電システムにより構成される<受電系>
・冷却系は高効率の低温運転のために必要・送電システム側が受光システムをターゲッティングするために、受動的なコーナーキューブリフレクターか、積極的なパイ
ロットレーザービーム送信か、要検討
・レーザー系は1系統で200kW級の10km伝送ビーム生成は難しく、10kW以下程度のモジュールの統合もしくは、複数の送電システ
ムにより全200kW級の構成が考えられる。

課題としては、現状では電気・レーザー光変換（30～50％）と光・電力変換（20～40％）の効率が発展途上であること

5.3 光ファイバーケーブル

光創成大学資料【例】高出力用光ファイバーケーブル
別物（藤⽥撮影）QBH Fiber Optic Cable: 1030 nm to 1090 nm Datasheet
https://www.coherent.com/content/dam/coherent/site/en/resources/datas
heet/components-and-accessories/qbh-fiber-optic-cable-1030-1090nmds.pdf

ファイバーコア径≦1,000um
ファイバーケーブル重量 200 g/m = 200 kg/km（参考）裸線の場合
π(φ0.1cm/2)^2 x 100cm/m x 2.2g/cm^3 = 1.7 g/m = 1.7 kg/km
34

5.4 レーザによる電力伝送方式
レーザー発振器：将来有望な国産技術
フォトニック結晶レーザー（PCSEL）

図 1. (a) フォトニック結晶レーザーのデバイス構造の模式図。

【解説】• 原⼦配列を制御できる精緻な半導体設計・製作技術により，光の閉じ込めと放出を⾃在に制御できるフォトニック結晶を⽤いた，
京⼤野⽥先⽣が世界トップを⾛る新しいレーザー発振技術．
• 従来の半導体レーザーは積層端⾯からの放射で低ビーム品質（絞れない）だが，これは⾯発光（surface emission）型で，⼤きな⾯積からの⾼ビーム品質（絞れる，広がらない）の放射が特徴．
• 50Wのシングルモード動作確認済．kW級設計出来(2023年6⽉）• ⽅向制御は従来ミラー⽅式で別途対応として，ビーム⾃体はこのまま送光できる可能性あり．⼩型軽量化に有利．除熱がポイント．
35

京⼤HP 2023年6⽉23⽇ https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/fxjtuf.pdf DOI 10.1038/s41586-023-06059-8

5.5 月面上での有線による電力伝送
・電力伝送における「ラストマイル」の電力伝送(配電方式)について= 全てのエネルギーは最終的には有線による電力エネルギーにて必要としている装置に配電され、必要な機能を果たす。
= ISSにおいては1984年における議論を経て、120V直流による配電方式となっており、対応する配電機器も充実し運用実績もある。
・上記の直流120Vの技術の延長線上での長距離の電力伝送は、電力損失を許容される範囲内にするにはケーブルの重量が膨大となり、それを地球から運搬する必要があるという観点で課題が多いと考えられる。
・オーダーの異なる高電圧にするには放電対策と絶縁確保の観点で新たな課題があり、新たな技術開発が必要である。
・月面は高真空であることからパッシェン法則からは高電圧での電力伝送が可能な可能性はあるが、局所的なアウトガスによる真空度の劣化、絶縁材料の問題、レゴリス
等による帯電による影響等、不確定な要素が多いのが課題である。

「きぼう」の電力分配系統
国際宇宙ステーション日本実験モジュール「きぼう」で獲得した有人宇宙技術.よりhttps://www.google.co.jp/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEw
ilm8qQ27X1AhU4s1YBHWcGBA0QFnoECAMQAQ&url=https%3A%2F%2Fjaxa.repo.nii.ac.jp%2
F%3Faction%3Drepository_action_common_download%26item_id%3D4195%26item_no%3D
1%26attribute_id%3D31%26file_no%3D1&usg=AOvVaw1RZXCoyc9LAQLzgwJ8XQmS© 2024 Japan Space Systems

36

導体による有線による送電の検討

3.電力線の方式の選定「アルミニウムの電気伝導率は銅の60%ですが、比重が約3分の1であり、そのため同じ重さの銅に比べて2倍もの電流を通すことが可能」ということからアルミニウム電力ケーブルにて試算することとする。

1.前提条件の整理
・送電電圧 120VDC、400VDC -> VL(受電側の電圧で定義)
・送電距離 100m、500m、1000m -> L
・送電電力 10kW、100kW、1MW -> Pout
(受電側の電力で定義)
上記の条件にて有線送電システムの 電力線重量及び送電効率を算出する

4.前提とする電力ケーブルの仕様
住友電工製 600V 単心より合せ形架橋ポリエチレン
絶縁 ビニルシースケーブル(アルミ導体)[記号 : 600V AL-CVT]

2.計算方法https://www.hst-cable.co.jp/products/pdf/HST-SS302300(600VALCVT).pdf
仕様書に示されているのは地上の三相交流向けのケーブル向け三本の撚り線なので、月面直流送電向けとしてはの重量は仕様書の重量を2/3として二本の依線相当とする

電流 I

種類と仕様概要

電圧 VL
送電電力
Pout = I x VL

負
荷

供
給

電圧 VS

https://www.hst-cable.co.jp/products/pdf/HSTSS30-2300(600VALCVT).pdf

入力電力
Pin = I x VS

電流 I

km当たりの抵抗 R
km当たりの重量 M
距離(km) L(重量)= M x L(効率)= Pout / Pin

試算のケーブルのケース「導体抵抗」は3本の撚り線の内の一本分の抵抗値とする
往復でこの2倍の抵抗を仮定す
ることとする「概算質量」は3本撚り線の重量なので、直流送電のためには2本で十分なので、2/3と仮定する© 2024 Japan Space Systems

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5.5 有線による電力伝送方式<方針>
・月面上の室内及び近距離の120VDC系の電力システムは、基本的にISSの電力システムにおいて確立した技術を基に実現可能である。
・またNASAの方針としても、Gatewayについては基本的にISSの技術によりNASA、ESA、及びJAXAにて分担して構築するようであり、月面上でも同様とするのがまず第一歩である。
(IAC2023 “Systems and Infrastructures to Implement Sustainable Space Development and Settlement –Systems”のセッションにおいて、D3.2A.1 Gateway at the Crossroads of Sustainable Lunar Exploration by
Mrs. Molly Anderson (NASA) United States の講演)

<課題>
・ISS JEMにおける電力システムにおける「電力システム設計基準」等、又はさらにNASAの設計基準や関連する「要求仕様」に基づき、それを月面上の環境に適用するための改良設計の実施という観点にての取組となるが、課題はそれらの「情報」の入手方法である。

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38

まとめ
月面における電力供給システムとしては、「宇宙システムの電源」という観点に加え、「電力グリッドとしてのネットワークシステム」となる。そのためそのベースとなる地上用の電力供給システムの要件に加え、・月面の資源が利用できない時点においては地球からの輸送をミニマムにするという観点から、電気的な効率よりも「重量効率」が重要な判断基準となる。
・その観点にて送電においては送電電圧を高くして電流損を減らすことができないため、10km程度を超える距離の送電についてはその「重量効率」の観点から無線による方式が優位となる。
・蓄電の方式としては同様に「重量効率」観点から水素による燃料電池によるものとなる。(ただし、随所にリチウムイオン等によるバッテリーにより無停電は実現する必要がある)
・人間の生命維持のために最低3種類の方式の異なる電力供給システムによるネットワークとする必要があり、軌道上での太陽光発電、月面上太陽光発電、燃料電池等を揃える必要がある。(NASAの安全基準に則れば)
等がシステム構築において留意すべきこととなる。
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