SPS (Solar Power Satellite)の概念図

宇宙太陽発電所（SPS）と電離圏電離圏について

宇宙太陽発電所SPS
宇宙空間で発電した電気エネル
ギーを無線で地上に送り、地上でその電気を利用する構想。静止衛星軌道(36,000km)から100万kWの電力を得る設計が主流。
1968年に提案された。

[SPSの特徴]
CO2フリーな電源
CO
フリ な電源橋本 弘藏（京都大学生存圏研究所）

SPS : 20g-CO2/kWh (建設時のみCO2排出)(SPS電力を利用し建設すれば11g-CO2/kWh )石油火力発電 : 846g-CO2/kWh
原子力発電 : 22 gg-CO
CO2/kWh

マイクロ波による無線エネルギー伝送
無線エネルギ伝送

基幹エネルギー源‐適正な売電価格実現のため高効率・軽量・安価なマイクロ波送電システムが必須 ‐昼夜・雨に無関係の発電⇒地上太陽光の7〜9倍のkWh

宇宙開放系への展開
宇宙利用により「成長の限界(ローマクラブ)」を打破

既存技術の延長で実現
2009/10/03

2URSI公開シンポジウム

異なる視点での開発（高効率・軽量・超巨大等)は必要

宇宙基本計画（平成21年6月）
Ｈ 宇宙太陽光発電研究開発プログラム

CO2排出が少ないエネルギー源
石炭火力発電② ５年間の開発利用計画
上記目標の実現に向けて、以下の施策を推進する。
進する・ 宇宙太陽光発電について、関係機関が連携し 総合的な観点からシステム検討を実施携し、総合的な観点からシステム検討を実施する。並行して、エネルギー伝送技術について地上技術実証を進める。その結果を踏まえ、十分な検討を行い、３年程度を目途に、大気圏での影響やシステム的な確認を行うため、「きぼう や小型衛星を活用した軌道上実証「きぼう」や小型衛星を活用した軌道上実証に着手する。

1,225

石油火力発電火 発電

846

LNG火力発電

631

原子力発電

22

SPS(SPS電力以外で発電)

20

SPS(SPS電力で発電)

110

エネルギー白書

200

400

600

800

g-CO2/kWh3

慶応大学での研究による

1,000

1,200

1,400

レクテナ
1002.45 GHz Measured
5.8 GHz Measured
5.8 GHz Scaled from 2.45 GHz
35 GHz Measured
35 GHz Scaled from 2.45 GHzConvversion Efficien
ncy (%)

90

NASA/DOE参照モデル(1978)

http://www.cleandenpa.net/museum/gaku/cont/vol6/vol6_1.htm
鉱石ラジオ回路図

90%
太陽電池アレイ

80

7060

アンテナ
直径1km

50

40

30
0.01

マイクロ波ビ ム
マイクロ波ビーム0.1

1
10Incident Power Density (mW/cm²)

100

レクテナ(受電装置）

Schottky
Barrier
Diode

Antenna
Low
Pass
Filter1000dcBypassFilterレクテナ©Kyoto Univ.
RL

J McSpadden,J.
M S ddandd J.
J C.
C Mankins,
M ki
IEEE Microwave Magazine, 3, 46‐57,
2009/10/03
URSI公開シンポジウム
December, 2002.
アンテナ，低域濾波器，整流器，直流バイパス

10km×13km(緯度35度)
52009/10/03

URSI公開シンポジウム

65

環境への影響

受電レクテナサイトでのマイクロ波電力密度
中心での電力密度(太陽の1/4）

レクテナ端電力密度：安全レベル

排除境界外の電力密度
77•宇宙エネルギー利用システム総合研究，三菱総合研究所，March 2005

8

周波数

5.8 GHz2.45 GHzURSI White Paper on Solar Power
Satellite
ll (SPS)( ) Systems

送電電力

1.3 GW

6.72 GW

http://ursi‐test.intec.ugent.be/files/WP‐SPS%20final.doc

送電アンテナ直径

1.93kmφ

1.0 kmφ

SPSのパラメータ

振幅テーパー励振10 dBガウシアン

On the other hand, currents created byy SPS mayy locallyy affect the medium [40].

送電最大電力密度114 mW/cm2

2.2 W/cm2

送電最小電力密度11.4 mW/cm2

0.22 W/cm2

アンテナ間隔0.75 λ(3.9cm)

0.75 λ(9.2cm)

1 アンテナ当り最大 6.1W

最大 185 W

素子数

5億4千万素子

9700万素子

受電アンテナ直径2.45 kmφ10 kmφ

受電最大電力密度

100 mW/cm2

23 mW/cm2

最大電界強度614 V/m

294 V/m

収集効率96.2 %

89 %only theoretical estimates exist for a frequency of 3 GHz [43]. These estimates indicate that an electron‐p
increase from 200 K to 1000 K in the E layery might
g occur for a power‐fluxpdensityy oftemperature
500 W/m2. Test microwave injections from a sounding rocket have been carried out in Japan [12].
It is uncertain if the SPS microwave power‐flux density would be high enough to cause such effects, orwhether
h th thesetheffects
ff t could
ld affect
ff t theth SPS microwave
itransmissions.
ti i
to create an artificial ozone layer in the stratosphere by high‐power electromagnetic waves. The fieldstrength necessary for this is much higher than the values that would be used by an SPS.
SPS Therefore,
Thereforesuch effects on the atmosphere are not expected.[44]a path length under rain of 4 km, the absorption at 5.8 GHz is 0.16 dB, 1.2 dB, and 2.8 dB for
precipitation rates of 10 mm/h,mm/h 50 mm/h,mm/h and 100 mm/h,mm/h respectively [45].
[45] Although rain rates of100 mm/h are rare [1],© RISH, Kyoto Univ.

プラズマのオーム加熱© RISH, Kyoto Univ.

Report of the URSI Inter‐Commission
Working Group on SPS• 理論計算 [Perkins and Roble (1978)]磁力線

http://ursi‐test intec ugent be/files/ICWGReport070611 pdf
http://ursi‐test.intec.ugent.be/files/ICWGReport070611.pdf
マイクロ波ビームマイクロ波ビーム :3GHz‐10GW
中心(0k )強度 50mW/cm
中心(0km)強度50 W/ 2
高度200km以下 :ビームに沿って温度上昇
高度100km付近（E層） :200K → 900Kに温度上昇
高度200km以上 :磁力線に沿って温度上昇

11© RISH, Kyoto Univ.

(1) Ohmic heating; Several authors have calculated the heating effect of 3 GHz waves. They estimate that, for apower density of about 16 mW/cm2, the electron temperature could increase from about 200 K in the E region
to about 1000 K. A temperature increase would result in a decrease of electron density. (On this rocket flight,the expected heating effect was less than 100K, which was below the detection limit of the Langmuir probe.)(3) Three‐wave interactions; there is,is to our knowledge
knowledge, only one other report of plasma waves being causedin the ionosphere by powerful microwave transmissions. This was from a 830W, 2.45 GHz transmitter on amother‐daughter Japanese rocket experiment (MINIX) where electrostatic electron‐cyclotron waves at 3/2 thelocal electron gyrofrequency and electron plasma waves above the local plasma frequency were observed.
4.1.3 Effects of electric propulsion on the magnetosphere; In the process of SPS construction, large high‐power electric propulsion systems are needed. The electric propulsion systems inject heavy ions accelerated byelectrodes powered by the photovoltaic cells.

The interaction between the heavy‐ion beam and the magnetic field has been studied theoretically., As an
initial response to the injection, a shock structure can be formed in the ambient plasma along with generationof magneto‐hydro‐magnetic waves and associated heating of the background plasmas
plasmas.

© RISH, Kyoto Univ.

October 2003 geomagnetic storm

衝突周波数が低い場合の伝搬(often called the Halloween storm)

X = (ω p / ω ) 2 , Z = ν / ω(nr + jni ) 2 = nr2 − ni2 + 2 jn r ni
XX (1 + jZ )= 1−
1+ Z 2
1 − jZ
Xnr = 1 −⎯⎯ ⎯⎯→1 − X
1 + Z 2 X <<1, Z <<1XZ− XZni =⎯⎯⎯⎯→ −
2X <<1, Z <<12(1 + Z )2= 1−

高度100km以下で高度以下でfp=18MHz
Ne=4x1012という過大な仮定で計算した

Γ = ∫ knk i dx
d = ∫ πXZdxd /λΓ = ∫ f p2ν /( 2cf 2 )dx = f p2/(2cf 2 ) ∫νdxf p = 9 Ne [m −3 ][ Hz ]Robinson, et al., 2004.

© RISH, Kyoto Univ.

October 2003 geomagnetic storm

世界初の電離層マイクロ波送電実験MINIX(日本，1983)(often called the Halloween storm) [42] Robinson et al.
大電力マイクロ波が電離層に与える影響を調査（松本紘現京都大学総長他）[i]1009595909085858080
Altitude

Altitudee

1007570

Matsumoto, H., et al. MINIX Project toward theSolar Power Satellite--Rocket experiment of
microwave energy transmission and associatednonlinear plasma physics in the ionosphere,

7570656560

ISAS Space Energy Symposium,Symposium 69-76,
69 76 1982.
1982

60555550
4.555.5

66.5log10(nu)

77.5

850
0.88

0.9

0.92
0.94
0.96
Power under fp=18MHz

0.98

1

© RISH, Kyoto Univ.

©Kyoto University

1616MINIXロケット実験で観測された波動のスペクトル
電子サイクロトロン高調波とラングミュア波の励起予測

電子サイクロトロン高調波
ラングミュア波

MHz帯の低周波プラズマ波動の励起→ マイクロ波とプラズマとの非線形イク 波とプラズ との非線形相互作用を示唆(波動 波動 粒子相互作用)(波動-波動-粒子相互作用)© RISH, Kyoto17Univ.
松本他,“大振幅マイクロ波と宇宙プラズマとの非線形相互作用の計算機実験”, 信学論誌B-II, Vol.78-B-II, No.3, 1995, pp.119-129

むすび• 今のところSPSの電力では問題はない。しかし、知られていない何が起こるかわからない Æ安全とはいえない。（何にでも反対できる！）• 電離層の変化はSPSの伝搬に影響を与えるか？
例えば強力な電磁波を入れたときに、全ての相互作用を起せるコードを作れたとする• 何かが起これば、閾値が分かる• 各種物理パラメータを得るのは容易
現象 理解も早• 現象の理解も早い
理想のシミュレーションÆ今はどこまで可能？
挑戦の価値があるのでは？
© RISH, Kyoto Univ.