特 集2

サステナブルでしなやかな社会を実現する環境エネルギー分野での取り組み
URL

https://journal.ntt.co.jp/article/24534

DOI

https://doi.org/10.60249/24015103

宇宙太陽光発電実現に向けた長距離レーザエネルギー伝送技術と地上での利用
NTT 宇宙環境エネルギー研究所では，クリーンで持続可能な次世代エネルギーの実現に向けて宇宙太陽光発電の研究を進めています．本稿では，現在 NTT で構想中の宇宙太陽光発電システムを説明し，その中で必要なレーザによるエネルギー伝送技術や，太陽光をレーザ光に変換する技術，レーザを高効率で電力に変換する技術について，課題と取り組み内容を紹介します．

落合 夏葉/ 鈴木優紀子

柏倉 一斗/鳥海 陽平

NTT 宇宙環境エネルギー研究所研究キーワード：# 宇宙太陽光発電，# エネルギー伝送，# レーザ

宇宙太陽光発電とは宇宙太陽光発電は地球の静止衛星上で太陽エネルギーをレーザ光やマイクロ波に変高強度ビームエネルギー変換技術についての検討状況を紹介します．また，これ太陽光→レーザ光らの技術の地上での展開例についても紹介します．

換して，地上に伝送し電力等として利用する次世代エネルギー技術です．静止衛星の軌道は地表から 3 万6000 km 上空にあるため，衛星が地球の影に入ることがほとんど■回折と大気擾乱なく，地上の太陽光発電と異なり昼夜問わ宇宙太陽光発電では，静止衛星から地上ず発電を行うことができます．さらに，宇に向けて 3 万6000 km レーザ光を伝搬させ宙空間では雲や大気による散乱・吸収がなます．レーザ光は伝搬とともに回折が起こいため，太陽光の単位面積当りのエネルギーり，ビームが広がるという性質があります．

は年間で地上の約10倍程度になると見込ま

一 般 的 な Gaussian ビ ー ム ＊2 は 細 い ほ ど

れています．遮るもののない宇宙空間で，ビームが広がりやすくなるため，長距離伝無尽蔵とみなせる太陽エネルギーを活用す送させるためにはビームを太くすることでるクリーンかつ大規模なエネルギーとして広がり角を小さくする必要があります．例

注目を集めているエネルギー技術です．宇えば，直径 1 cm のビームが 3 万6000 km宙から地上へのエネルギー伝送方式として伝搬すると，約 1 km にまでビームが広がは，マイクロ波とレーザの 2 つが提案されり，これでは地上での受光設備がとてつもています．NTT では，マイクロ波と比較なく大きくなってしまいます．ビーム広がしてビームの広がり角が小さく，システムりを抑えてビームを伝搬するには，数 m 程の小型化が期待できるレーザを用いた宇宙度まで送光側のビーム径を太くする必要が太陽光発電の研究を進めており，図 1 のよあります．

うなシステムを構想しています．まず，静さらに，地表から上空100 km 程度まで止衛星上で太陽エネルギーをレーザ光に変は大気が存在します．図 2 に示すように，換し，地上に向けて 3 万6000 km 伝送させ大気中には大小さまざまな大きさの渦が存た後，地上の受光設備で太陽電池のような在し，これにより大気の屈折率が空間・時

光電変換素子 によりレーザ光を電力に変間によってランダムに変化します．レーザ換します．地上ではレーザ光のエネルギー光が大気中を伝搬すると，空気の渦によっを利用して水素などの化学原料を生成するて波面が乱れ，ビームの強度分布に揺らぎことも可能になると考えています．

が生じます．これを大気擾乱と呼びます．

＊1

42

レーザエネルギー伝送技術

本稿では，宇宙太陽光発電実現に必要ビームの強度分布に揺らぎが生じると光電なレーザエネルギー伝送技術の課題や取変換素子を複数枚並べた受光パネルでレーり組み内容のほか，太陽光励起レーザ技術，ザ光を電力に変換する際，パネルに均一に

2024.1

空間伝送
3万6000 km(静止衛星軌道 ）レーザ光→電気，水素 等

図1

レーザを用いた宇宙太陽光発電システム
図1
レーザを用いた宇宙太陽光発電システム

Atmosphere
wavefront

Laser

eddy
図2

大気中のビーム伝搬の概念図
図2 大気中のビーム伝搬の概念図＊ 1 光電変換素子：光を電気に変換する半導体素子．半導体は，光電効果によって，光が照射されると起電力が発生します．半導体の組成を変えることで，効率良く起電力を得ることができる光の波長を変化させることが可能．
太陽電池も光電変換素子の一種．
＊ 2 Gaussianビーム：光学ビームの伝搬モードの1つで，その強度分布がガウス関数に従うもの．ビームの中心部から離れるに従って強度がガウス関数型に減少します．

Sustainable Society𝑖𝑖𝑖𝑖 th plane𝑖𝑖𝑖𝑖 + 1th plane

𝑛𝑛𝑛𝑛th plane(Output)≈≈？

von Karman スペクトラムがあります（2）．
Kolmogorov スペクトラムは基本的なモデルとして広く使われていますが，大気揺らぎの空間周波数に影響する空気の渦の大きさを考慮できず，正確性に欠けてしまいま

特 集

1st plane(Input)

す． 一 方，von Karman ス ペ クト ラ ム やmodified von Karman スペクトラムはそ

図3

れぞれ，空気の渦の大きさの最小値や最小

大気擾乱シミュレーションのモデル値・最大値を考慮することができ，本研究ではより正確な modified von Karman ス
ペクトラムをモデルとして用いています．

図3 大気擾乱シミュレーションのモデル

modified von Karman スペクトラムでは，空気の渦の大きさの最小値（内部スケールと呼ぶ）・最大値（外部スケールと呼ぶ）のほかに，大気の屈折率構造定数と呼ばれる屈折率変化の強さを表すパラメータを用います．内部スケールの典型的な値は地表付近で 1 mm 〜10 mm オーダであり，外（a） 真空中の伝搬（b） 大気中の伝搬

図4部スケールは通常地面から100 m までの領域では，高度に比例して減少するとされてGaussian ビームの伝搬の様子

います（2）．屈折率構造定数は季節や時間にも よ り ま す が 通 常10 −17 m−2/3 か ら10 −13

図4 Gaussianビームの伝搬の様子

表

計算パラメータ

波長1064 nm

ビーム径（1/e2の全幅）

60 mm

波面曲率250 m

伝搬距離

1 km

内部スケール

1 mm

外部スケール1m

屈折率構造定数10−13m−2/3

位相スクリーン枚数21

ピクセル数

4084×4084

ピクセルピッチ

0.1 mmm−2/3 といった値を取ります．これらのパラメータを modified von Karman スペク
トラムに代入し，フーリエ変換を用いて位相スクリーンを生成します（3）．図 4 にシミュ
レーションによって求めた Gaussian ビー
ムの大気伝搬後のビームパターンを示しています（計算で用いたパラメータは表のとおり）．大気中を伝搬することで，ビームの強度分布が細かく乱れている様子が確認できます．
■実 験
宇宙太陽光発電では，静止衛星から地上光が照射されないために発電量が低下してという手法が有効です．この手法では，図に向けてレーザ光を照射しエネルギーを伝しまうという問題が生じます（1）．そこで，3 のように複数の位相スクリーンにより伝送するため，伝送方向は地面に対して鉛直大気擾乱の影響を受けにくいビーム設計や，搬光路を複数の区間に分けて伝搬計算を行方向となります．しかし，鉛直方向では安ビーム形状に合わせた受光パネルの光学系います．この位相スクリーンに大気の屈折全対策や適切な実験場所の手配が困難とな設計が重要となります．

率分布を反映することで，通常の伝搬によります．そこで，まずは地上かつ地面に水■大気中のビーム伝搬シミュレーション

る回折と併せて大気擾乱の影響を再現する

平方向でのエネルギー伝送実験を三菱重工

ビームが伝搬時に受ける回折・大気擾乱ことができます．この位相スクリーンを生業株式会社と共同で実施し，大気中のビーの影響を予測するため，大気中のビーム伝成するためには大気のスペクトラムモデル

ム伝搬シミュレーションの検証を行うとと搬シミュレーションを行いました．大気擾が必要となります．よく知られているモデ

も に， エ ネ ル ギ ー 変 換 効 率 を 調 べ ま し

乱のようにランダムな媒質中の伝搬を再現

ル と し て は Kolmogorov ス ペ ク ト ラ ム，，5）．レーザ波長1064 nm の Gaussian
た（4）（するにはスプリットステップビーム伝搬法

von Karman ス ペ ク ト ラ ム，modified

ビームのほかに，Laguerre-Gaussian（LG）
2024.143

特 集 2サステナブルでしなやかな社会を実現する環境エネルギー分野での取り組み

実験とシミュレーションの結果が完全にTransmitter-sidePV panel≈

Beam width:
60mm一致することはないのですが，ビームのM4１km
propagation M3

BSBB1

M1状がおおむね一致していることが分かります．取得した強度分布の積算値からビーム径を計算したところ，実験とシミュレーションの誤差は Gaussian ビーム，LG ビー

DOE

BB2

M2

ム共に 5 ％以内となりました（5）．また，動画の各フレームで計算したビームの重心ずれの平均値は，実験とシミュレーショ

M1-M3: ミラー M4: 方向制御ミラー BB1, BB2: ビームブロック BS: ビームスプリッタ DOE: 回折光学素子 BE: ビームエキスパンダ PV: 太陽電池

図5

大きさや擾乱による強度の乱れ方など，形光学系の模式図（5）ンで 2 ％の誤差となり（5），シミュレーションが精度良く実験での擾乱を再現できていることが分かります．
次に，IV 測定を実施しエネルギー変換効(b)(a)率を計算しました．すると，Gaussianビー
ムと LG ビームで変換効率は約 3 ％という低い結果となりました（5）．これは，図 6 からも分かるように，大気擾乱によりビームの強度分布が不均一となり，受光パネルに均一なレーザ光を照射することができなかっ（a），（b） 実験で得られたGaussianビーム，LGビーム(c)たことが原因であると考えられます．大気擾乱中でも均一に照射できるビームや，照(d)射光量変動の影響を受けにくい受光パネルなど，大気擾乱中でも伝送効率の高い，擾乱にロバストな伝送方式が必要です．

（c），（d） シミュレーションによって得られたGaussianビーム，LGビーム
スケールバー（黄線）：100 mm
図6

1 km 伝搬後のビームパターン（5）ビーム＊ 3 という特殊なビームを用意し，自由空間中を 1 km 伝送させ，400 mm 四方ため，ビームの様子を赤外線カメラで 1 分の太陽電池パネルに照射しました（図 5 ）．

間撮影し，強度分布を取得しました．また，長距離かつ高出力のビーム伝搬においては，伝送効率を調べるため，太陽電池パネルかレンズなどの光学素子の収差＊ 4 や，熱レンら取り出せる電力をＩＶ測定＊ 6 によって計

ズ効果＊ 5 の影響が問題になります．本実験

測しました．

では，これらの影響に注意し，Gaussian

1 km 伝送後のビームパターンについて，ビーム，LG ビーム共に，太陽電池パネル実験結果とシミュレーション結果を図 6に照射される際に300 mm 程度になるように示します．シミュレーションでは，実にそれぞれ光学系を設計・調整し ，収差験時に測定した大気構造定数を使用してを防ぐよう大口径のレンズや，低収差のエいますが，擾乱の影響を再現する位相スキスパンダを用意しました．計測内容としクリーンはランダムに生成しているため，（3）

44ては，大気擾乱シミュレーションの検証の2024.1＊ 3 Laguerre-Gaussian ビ ーム：強 度 分 布 がGaussianとは異なり，リング状になるビーム．
軌道角運動量を持つビームとして，通信などさまざまな分野で注目を集めています．
＊ 4 収差：レンズやミラーなどの光学素子のゆがみなどにより生じる，理想的な波面からのずれ．本稿のような長距離ビーム伝搬では，収差の中でも特に球面収差と呼ばれる，光軸からの距離に応じて集光位置がずれる収差によってビームの広がり方が理想からずれてしまうことが問題となります．
＊ 5 熱レンズ効果：レンズなどの光学素子が，強いレーザ光を照射されるとその部分だけ温められ，屈折率が変化する現象．収差と同じく，ビームの広がり方や強度分布に影響を与えるため問題となります．
＊ 6 IV 測定：光電変換素子やダイオードなど，（I）‑ 電圧（V）特性を評価する
半導体の電流方法．縦軸を電流，横軸を電圧としてグラフ化し太陽電池の発電能力を示すIV カーブが得られます．

宇宙太陽光発電に関するその他取り組み性をかんがみて，NTT 研究所では単結晶発を宮崎大学と共同で行っています．レーのレーザ媒質について光産業創成大学院大ザの波長として想定している波長1064 nm

学と共同で研究を行っています．これまで，に お い て 高 い 光 電 変 換 効 率 を 持 つ，In-レーザエネルギー伝送のほかに，宇宙太Nd, Cr：YAG 単結晶，Nd, Cr, Ce：YAG

GaAsP 光電変換素子の試作を行い光電変陽光発電の実現に向けて NTT で研究を進単結晶を育成し，レーザ発振を行うための換の特性向上や大面積化に向けた検討を進めている技術について紹介します．

．こロッド型に加工しています（図 7（a））

めています．図 8（a）は外周円形電極により■太陽光励起レーザ技術

れらのレーザロッドに太陽光を放物面鏡で電気抵抗の低減をめざしたデバイスです．

発電衛星に搭載するレーザシステムとし集光させ，レーザ発振強度を測定する系を

図 8（b）に示した測定治具を用いて1064 nmて既存のレーザ装置を利用しようとする場構築し，屋外での発振実験を行いました（6）

レーザ光をデバイスに照射し，電力変換効合，太陽光を太陽電池パネルで受光し電力（ 図 7（b））． 発 振 実 験 の 結 果，Nd, Cr：率の測定を行いました．結果は図 8（c）のとに変換し，その電力を用いてレーザ光を発YAG，Nd, Cr, Ce：YAG 単結晶共に太陽おりです．比較のため，外周円形電極のな生させる必要があります．しかし，この方光入射によるレーザ発振を確認することがい網目電極のみを持つデバイスの特性も載法では，エネルギー変換過程が多く，シスできました．しかし，同材料のセラミックせていますが，外周円形電極を用いた場合テムが複雑化することが懸念されます．そ媒質と比較すると，発振しきい値＊ 7 やスの電力変換効率は最大27％であり，外側にこで NTT 研究所では，太陽光をレーザ媒ロープ効率においていずれの単結晶もセある円形電極を用いることで導体の抵抗値

質に直接照射しレーザ励起を行う，太陽光ラミックの特性を下回る結果となりました．

が下がり効率が向上していることが分かり励起レーザ技術を検討しています．この方今後，単結晶媒質内で生じているレーザ励ます（7）．今後は，無反射コーティング加工式によりシステムの小型・軽量化が期待で起のメカニズムを分析し，より発振効率がや電極デザインの改善を行い，さらなる変きます．太陽光励起レーザ媒質としては，高く，宇宙太陽光発電に適したレーザ媒質換効率向上をめざします．

幅広い波長スペクトルの太陽光のエネルの研究を行っていきます．

ギーを吸収し波長1064 nm のレーザ発振が■高強度ビームエネルギー変換技術＊8

ただし，このような半導体による光電変換素子を用いた場合，光電変換効率は50〜可能な Nd, Cr: YAG や Nd, Ce: YAG 等の宇宙から届く高強度のビームを地上で電60％程度が限界といわれており，残りは熱共添加媒質がこれまで検討されてきました力に変換するための光電変換素子の研究もとなってしまいます．そこで，例えばレーが，その多くはセラミック製であり，高品進めています．前述のとおり，宇宙太陽光ザエネルギーを超高温の熱源として利用し質な単結晶媒質については報告がありませ

発電では数 m ほどのビーム径で M Ｗ級の水素生成や CO2 の還元を行い燃料や化学んでした．単結晶では結晶粒界がないことエネルギーが降り注いできます．このエネ原料をつくるなど，電気以外の形態でレーからセラミックと比べて熱伝導性が高いとルギーをできる限り無駄なく利用するためザエネルギーを効率的に使用する方法も検され，放熱が難しい宇宙空間での応用可能に，高効率かつ高出力な光電変換素子の開討しています．

集光用
放物面鏡

赤道儀
(太陽光追尾) 発振光（a） 育成したレーザ単結晶のロッド
図7

レーザ
ロッド・共振器鏡（b） 太陽光入射発振評価系

太陽光励起レーザ発振実験

図7 太陽光励起レーザ発振実験

特 集Sustainable Society

地上利用
宇宙太陽光発電は2050年以降の実用化を見込んでいますが，実現に先立ち地上でこれらの要素技術を応用し，早期に社会に貢献していきたいと考えています．ケーブル＊ 7 発振しきい値：光励起固体レーザにおいて，レーザ発振が起こる最小の入射光パワー．
レーザ媒質は注入する電流が少ないと光の増幅が減衰を下回り，レーザ発振が起こらない．電流を大きくしていくと増幅が大きくなりレーザ発振が起こります．発振しきい値が小さいほど高性能のレーザとなります．
＊ 8 スロープ効率：発振しきい値を超えた入射光パワーに比例して，レーザ出力が増加します．
この増加の割合をスロープ効率と呼びます．
スロープ効率が高いほど高性能のレーザとなります．

2024.145

サステナブルでしなやかな社会を実現する環境エネルギー分野での取り組み

Power Conversion Efficiency (%)

特 集 2

Incident laser power (mW)（a） 外周円形電極デバイス画像（b） 特性評価時の外観写真

図8（ｃ） 測定した電力変換効率

試作した光電変換素子の測定評価実験（7）図8 試作した光電変換素子の測定評価実験（7）を引くことが難しい離島や，災害によってを送る技術や，真空の宇宙空間における放電力網が遮断された被災地などに遠隔から熱技術などさまざまな技術が必要となりま電力を供給することができると考えています．他機関とも協力しながらこれらの技術す．またドローンや HAPS（High Altitudeを成熟させ，宇宙太陽光の実現を通して持Platform Station）＊ 9 など移動体への給電続可能な社会をめざしていきます．さらに，に適用できる可能性も検討しています．移

レーザエネルギー伝送技術を用いたワイヤ

動体は小型軽量化が重要な課題とされていレス給電システムなど地上での早期展開をます．飛行時間の短さや給電に手間や時間進めていきます．

がかかるという点もアプリケーションを制限する要因となっています．そこで，レーザエネルギー伝送技術により飛行中の移動体へのエネルギー供給が可能になれば，バッテリーの搭載量を最小限に抑えることができ，飛行時間も伸ばすことができるため，そのアプリケーションの幅が広がることが見込まれます．

今後の展望
宇宙太陽光発電の実現に向けて，本稿で紹介したレーザエネルギー伝送技術，太陽光励起レーザ技術，高強度ビームエネルギー変換技術の研究を今後も進めていきます．
また，宇宙太陽光発電を実現させるためには，今回説明した技術以外にも静止衛星を姿勢制御し地上の受光設備に正確にビーム＊ 9 HAPS：高高度プラットフォーム．地上20km 以上の高度で飛行する航空機や気球などに通信機器を搭載し，通信インフラ等を提供するシステムのこと．

46

2024.1

Device with Circular Outer Electrodefor 1.06-µm-Range Optical Wireless andFiber Power Transmission,” CSW2023,
FrA1-5, 2023.

■参考文献（1） K. Jin and W. Zhou：“Wireless Laser
Power Transmission: A Review of
Recent Progress,” IEEE Trans. PowerElectron., Vol. 34, No. 4, pp. 3842-3859,
2019.
（2） L. C. Andrews and R. L. Phillips：“LaserBeam Propagation through Random
M e d i a S E C O N D E D I T I O N ,” S P I E
PRESS BOOK, 2005.
（3） J. D. Schmidt：“Numerical Simulationof Optical Wave Propagation with
Examples in MATLAB,” SPIE PRESS
BOOK, 2010.
（4） 落合・鳥海・鈴木・柏倉・田中・恩田・川添・竹内・津村：“ 宇宙太陽光発電に向けたレーザエネルギー伝送技術の地上検討状況，” 第67回宇宙科学技術連合講演会 ,2023.
（5） 落合・鳥海・鈴木・柏倉・田中：“ 宇宙太陽光発電に向けた光無線給電，” レーザー学会
学術講演会第44回年次大会 ,2024.
（6） 鈴木・鳥海・落合・田中・長谷川・元廣：“ 宇宙太陽光発電に向けた太陽光励起レーザー用単結晶の作製・特性評価，” レーザー学会
研 究 会 報 告 = Reports the on topicalmeeting of the Laser Society of Japan
RTM23, pp. 1 -6, July 2023．
（7） M. Arai, A. Kushiyama, Y. Motomura, Y.
Suzuki, N. Ochiai, Y. Toriumi, and K.
Nishioka：“InGaAsP Photovoltaic（左から） 落合 夏葉 / 鈴木 優紀子/
柏倉 一斗/ 鳥海 陽平
NTT 宇宙環境エネルギー研究所では，広大な宇宙空間に視野を広げ，無尽蔵でクリーンな太陽エネルギーを利用した宇宙太陽光発電の研究を進め，持続可能な社会の実現に貢献していきます．

◆問い合わせ先NTT 宇宙環境エネルギー研究所
企画担当
TEL 0422-59-7203
E-mail se-kensui-pb ntt.com