宇宙船はどのようにして「翼」を手に入れたのでしょうか?太陽電池の航空宇宙に関するストーリーを1つの記事で読む

航空宇宙に興味のある人なら、一般的に「ソーラーウィング」や「ソーラーパネル」と呼ばれる太陽電池をよく知っています。航空宇宙分野は、人類が太陽エネルギーを大規模かつ総合的に利用する最初の分野です。数十年にわたる航空宇宙技術の探究、開発、応用がなければ、今日の巨大な太陽光発電産業は誕生しなかったかもしれません。

太陽電池は現在、光起電材料と呼ばれることがよくあります。一部の深宇宙探査機はすでに放射性同位元素を電源として利用していますが、月や火星の表面に着陸するものも含め、宇宙船の大部分は、安全で信頼性が高く、技術が成熟しており、核汚染の心配がないため、依然として太陽電池を使用しています。深宇宙探査活動では、巨大な太陽電池アレイを動力源として使用し、太陽光の圧力で推進することもできます。

国際宇宙ステーションの太陽電池パネルは、宇宙で使用された最大の太陽光発電パネルである。

現在、人類が使用している太陽電池の材料には、シリコンとガリウムヒ素の 2 種類があります。

宇宙船では太陽電池はどのように使われていますか?

最初の実用的なシリコン太陽電池は、1954 年 4 月にベル研究所によって導入されました。当初の効率はわずか 6% でした。しかし、ベル研究所の主力事業は通信であったため、太陽電池にはあまり多くの研究開発資源を投資しませんでした。

1954年にベル研究所が開発した最初のチップ

1954 年 4 月 25 日、ベル研究所はシリコン太陽電池の開発に成功したことを公表しました。当時、米軍は秘密裏に衛星の開発と打ち上げを検討していた。ベルの太陽電池は、米国通信部隊の司令官ジェームズ・オコネルの注目を集めた。すぐに、オコネルは、米国陸軍工兵隊の電力機器の主任研究員であるハンス・ジーグラー博士がベル研究所を訪問するよう手配しました。

ジーグラー博士はベル研究所で見たものに衝撃を受けた。訪問後、彼は同僚にこう語った。「シリコン太陽電池は重要な電力源になるかもしれない。町や都市のすべての建物の屋根に太陽電池を設置すれば、アメリカの電力需要をすべて満たすことができるだろう。」

ジーグラー博士

ジーグラー氏とそのスタッフは直ちに調査を開始した。報告書では、宇宙空間の太陽電池は夜間や悪天候などの地上の制約を受けず、「地球の大気圏上での運用は太陽光変換器にとって理想的な環境となる」と記されている。太陽電池は比較的軽量であり、宇宙では太陽エネルギーを燃料として24時間利用することができます。さらに、シリコン太陽電池は、1 か月以内に消耗してしまう他の電源とは異なり、長年にわたって使用できます。そのため、彼らは次のように結論付けた。「動作時間が長く、重量が制限されるため、光起電原理が最も有望であるように思われる。」

当時、アメリカ海軍はアメリカ初の衛星開発競争に勝利していた。しかし海軍は、太陽電池は「管理されておらず、産業基盤がまだ十分に確立されていない」として、使用には関心がない。海軍の決定にジーグラーは激怒し、「人類ができるだけ早くこの発明の恩恵を受けられるように」するために、米国の初期の宇宙計画を監督する責任を負っていた著名なアメリカ人科学者の民間グループに太陽電池のアイデアを伝えた。科学者たちはジーグラー氏の意見に同調し、「宇宙で太陽電池システムを使用することは極めて重要だ」と述べた。科学者たちは海軍に対し、ヴァンガード計画のための太陽光発電システムを設計するよう圧力をかけた。

ベル社はスペクトロラボ社に製造ライセンスを付与し、スペクトロラボ社は米軍の要件に従って最初の一連の太陽電池アレイを製造した。宇宙打ち上げの振動や宇宙環境に耐えられるかどうかをテストするため、ジーグラー氏らは太陽電池を厚いガラスで保護された箱に収め、2機のロケットのノーズコーンに取り付け、衛星の運用環境をシミュレートできるほどの高度まで打ち上げた。

ロケットのノーズコーンには5つの太陽電池が搭載されています。

両方の打ち上げ中、太陽電池は完璧に機能しました。 「これらは衛星機器に使用できるほど強力であり、ロケットが高速で大気圏を通過する際に表面摩擦温度の影響を受けない」と試験報告書は述べている。

しかし海軍はテストの成功に感銘を受けなかった。海軍は、少なくとも最初の4機の衛星は従来の化学電池を電源として使用する可能性が高いと公言している。

しかし、1957 年 8 月までに、ヴァンガード計画は混乱に陥りました。米軍は、迅速に打ち上げるために、まず無線送信機だけを搭載した模擬衛星を一群打ち上げることにした。ジーグラー氏は、改訂された計画は「かなりの重量と容積が空のまま放置されている」ため「太陽電池にとって大きな新たな機会」となると述べた。海軍は最終的に譲歩した。

数回の失敗を経て、太陽電池を搭載した最初の衛星は 1958 年に軌道に乗りました。海軍は太陽電池に自信がなかったため、化学電池を搭載しました。 19日後、ニューヨークタイムズ紙は「化学電池は消耗し、太陽光発電ユニットが稼働している」と報じた。

太陽電池を使用しているため、パイオニア衛星はソ連が打ち上げたメッセンジャー衛星よりも長く運用することができます。後者は宇宙に出てわずか数週間後に機能しなくなった。パイオニア衛星はより長期間稼働し、南太平洋の島々の位置をより正確に地図化し、地球物理学者が地球の形状をより正確に判断できるようにしました。

先駆的な衛星に使用された太陽電池

パイオニア衛星の大きな役割は、宇宙での太陽エネルギーの利用において画期的な進歩をもたらしたことです。今日、太陽電池は宇宙計画において最も重要な装置の一つとなっています。

パイオニア衛星と4つの太陽電池

Spectrolab は、パイオニア プログラムで衛星用太陽電池市場に参入して以来、勢いを止められず、数々のマイルストーンを達成しました。これらには、完全な太陽電池アレイを備えた最初の偵察衛星であるエクスプローラー6号が含まれており、1959年に宇宙から見た地球の最初の写真を提供しました。最初の静止通信衛星「新康」は、機体に搭載された太陽電池を使用しました。 1969年のアポロ11号ミッションでは、月面に最初の太陽電池パネルが設置されました。これらはすべてSpectrolabの製品です。同社はまた、国際宇宙ステーションに275,000個のシリコン電池を提供した。これらは宇宙で使用された最大の太陽光発電パネルであり、総出力は 200 キロワットです。

さまざまな宇宙船で太陽電池がうまく利用されたことで、人々は太陽電池の価値を発見しました。ハンス・ツィーグラー博士は、太陽電池を使ってバッテリーパックを充電すれば、バッテリーを搭載するよりも打ち上げ時の重量がはるかに軽くなると計算した。当時のシリコン太陽電池の変換効率は約10％でした。スペクトラム・ラボラトリーズという米国の企業が、宇宙用途に特化した太陽電池の開発に着手した。それ以来、太陽電池は人工衛星の標準装備となりました。

1970 年代までに、シリコン セルの効率は約 12% まで向上しました。太陽から地球までの距離である太陽から 1 天文単位の距離にあるとき、直径 6 cm のシリコン太陽電池は 0.25 ボルトと 1 アンペアの電流を生成できます。

深宇宙に向かうにつれて、太陽​​電池はどのように強力になるのでしょうか?

1970 年代から 1980 年代にかけて、より強力で効率的な衛星の需要が高まるにつれ、Spectrolab などの太陽電池メーカーは、ますます強力な太陽電池を開発しました。 21 世紀初頭、宇宙用太陽電池の主材料としてシリコンに代わってガリウムヒ素が使われるようになりました。その効率は約30％に達し、すぐに業界の主流になりました。現在最も効率的なのは多接合型太陽電池です。これらは、ガリウムインジウムリン、ガリウムヒ素、ゲルマニウムの複数の層の組み合わせを使用しており、非集中型 AM1.5G 照明下では 39.2% を超える効率、集中型 AM1.5G 照明下では 47.1% を超える効率を実現できます。現在、Spectrolab 社だけでも、年間約 500 MW の多接合太陽電池とパネル (高出力衛星 30 台以上) を生産することができます。米国の火星探査車「オポチュニティ」と「スピリット」に使用されている太陽電池もスペクトロラボ社の製品です。火星探査車オポチュニティの寿命はわずか90日間と設計されていたが、14年間稼働し続けている。

これまでにNASAは着陸船、探査機、ヘリコプターなどを含むいくつかの探査機を火星の表面に送り込んでいる。これらの検出器では、太陽電池技術の発展と変化を見ることができます。

写真に写っている 3 台の火星探査車は、左から順に、スピリット、ソージャーナ、キュリオシティです。

@火星探査車

火星探査車は、操縦、科学機器の駆動、地球との通信に電力を必要とし、火星で掘削を行うにはさらに多くの電力が必要になる。現在、火星探査車の主な電源は依然として複数パネルの太陽電池アレイです。見た目は「翼」のようですが、主な目的は飛ぶことではなく電気を生み出すことです。

さまざまな世代の火星探査機の打ち上げに伴い、使用される太陽電池は継続的に更新され、より高い性能を実現しています。

1997 年 7 月 4 日、ソジャーナ探査車が火星に着陸しました。当初は1週間しか持たない予定でしたが、実際には85日間稼働しました。火星の晴れた日中、ソジャーナのシリコン太陽電池アレイは約 4 時間にわたって約 140 ワットの電力を生成できます。ローバーの動作には約 100 ワット (旧式のタングステン電球に相当) が必要です。

火星探査機パスファインダーが撮影したソジャーナ・ローバー

もちろん、140ワットが最も理想的な条件です。火星にも季節の変化があります。遠日点に到達すると、距離が離れるため太陽光の強度は低下します。地球と同様に、火星の自転軸は傾いており、それが季節の変化をもたらします。ソーラーアレイを覆う塵と相まって、ソジャーナソーラーアレイの発電能力は約 50 ワットに低下する可能性があります。そのため、Sojourner には 40 アンペア時間のリチウム バッテリーも搭載されており、日中に太陽電池で充電されます。夜間は火星探査機の運用がこれにかかっています。

スピリットとオポチュニティの頃には、三接合ガリウムヒ素太陽電池パネルは成熟していました。これらのパネルは 3 層になっており、Sojourner の単層パネルよりも強力です。太陽が最も明るい時間帯には、スピリットとオポチュニティの太陽電池パネルは火星の一日で約900ワット時の電力を供給できる。

火星のスピリット探査車の想像図

火星のソーラーパネルにとって、塵による覆いは最大の問題です。除去する方法がないため、塵の蓄積によって太陽出力は低下し続け、これがNASAが最終的に火星探査車スピリットおよびオポチュニティとの連絡を失う主な要因となった。

この問題を解決するのは難しいため、後継機の「キュリオシティ」や現在運用中の「パーサヴィアランス」では、いずれも放射性同位元素熱動力源を採用している。

@Insight 着陸機が火星での発電記録を樹立

2018年11月26日、NASAの探査機インサイトが火星への着陸に成功し、搭載された2つの太陽電池パネルアレイが火星での1日あたりの発電量記録を樹立しました。

インサイト火星探査機

火星到着初日、インサイトは太陽光発電で4,588ワット時の電力を生成し、これはキュリオシティ探査車が生成した2,806ワット時を大きく上回った。 3位はフェニックス着陸船で、太陽光発電で稼働し、1日あたり約1,800ワット時の電力を生産します。

InSight の太陽電池アレイは UltraFlex と呼ばれ、「超柔軟」という意味になります。これは、現在ノースロップ・グラマンに買収されたオービタル・サイエンシズATK社の製品です。広げると円形になる扇子のような構造です。フェニックス着陸船やシグナス貨物宇宙船にも使用されています。

ノースロップ・グラマンによれば、UltraFlexの効率は29.5%である。セルはSolAero Technologies社によって製造されています。さらに、Insight には 25 アンペア時間のリチウム電池が 2 個搭載されています。

インサイトの2つの太陽電池アレイはそれぞれ直径2.2メートルで、展開すると着陸機全体は「1960年代の大型オープンカー」ほどの大きさになる。この2つのセルは、晴れた日に地球の約半分に相当する600〜700ワットのピーク電力を供給できる。たとえほこりで覆われていても、少なくとも 200 ～ 300 ワットのピーク電力を供給できるはずです。

@スマート火星ヘリコプター

2020年、NASAの火星探査車「パーセベランス」が火星に着陸した際、ユニークな装置である小型ヘリコプター「インジェニュイティ」を搭載しました。この無人ヘリコプターの飛行により、火星における太陽エネルギーの応用と維持について新たな理解が得られた。火星の大気は薄く、ここで空気より重い物体を打ち上げるには、地球よりもはるかに大きな回転力が必要になります。では、太陽電池はこれほど膨大な電力需要を支えることができるのでしょうか?

インジェニュイティ火星ヘリコプターが地上でテスト中

Ingenuity のソーラーパネルは、いわゆる「反転変形可能マルチ接合パネル」技術を使用して、SolAreo という会社によって提供されています。このタイプの太陽電池パネルは、従来のガリウムヒ素セルの 30% を上回る 33% の効率を備えているだけでなく、従来の宇宙グレードの太陽電池パネルよりも 40% 以上軽量です。パネルの軽量さと超高効率により、インジェニュイティの飛行が可能になります。

Ingenuity のソーラーパネルは幅約 425 mm、長さ約 165 mm です。発電能力は飛行を直接サポートするには不十分であり、飛行する前にリチウム電池パックを完全に充電する必要があります。太陽電池は火星の1日あたり90秒間の飛行に十分なエネルギーを供給します。

現場で撮影された写真では、インジェニュイティの太陽電池パネルは埃まみれに見えたが、NASAは影響は小さいだろうとして心配していないようだ。 Ingenuity のソーラーパネルはローターの上に設置されていることがわかります。これには大きなメリットがあります。前回の記事では、ダストカバーのせいで火星探査車の太陽電池の効率がどんどん低下していると述べました。しかし、インジェニュイティの飛行中は比較的高い対気速度があり、これは風を使って太陽電池に吹き付けるのと同等であり、ほこりを吹き飛ばして発電能力を回復することができます。これにより、火星の大気圏で回転翼航空機の飛行を実現できるという自信がさらに高まります。

イノベーションが成功すれば、太陽電池は「変革」した後、どのような姿になるのでしょうか?

近い将来、太陽電池は衛星、宇宙船、宇宙ステーション、探査機の主な電源であり続けるでしょう。月面基地の運用の初期段階では、基地の運用をサポートするために大量の太陽電池が配備される予定だ。月面への原子力発電所の配備については、まだ議論が続いている。実現したとしても太陽電池より劣るのは確実だ。

太陽光パネルには 2 つの主要なパフォーマンス指標があります。 1 つ目は比出力です。これは、生成できる電力を太陽電池アレイの質量で割ったものです。もう 1 つの重要な指標はスタッキング効率、つまり展開された発電量をスタッキングされた体積で割った値であり、これはアレイが打ち上げロケットにどれだけ簡単に収まるかを示します。もちろん、3 番目の重要な指標として、ワットあたりのコストがあります。

比出力を高めるために、宇宙船の一般的な太陽電池パネルでは、太陽から見える太陽電池パネルの領域のほぼ 100% をカバーする密集した長方形の太陽電池が使用されています。しかし、宇宙船がボディマウントバッテリーを使用する場合、つまり太陽電池パネルが衛星本体の外面に取り付けられている場合、太陽が見える領域ははるかに小さくなります。

最大限の電力を得るために、宇宙船の移動に合わせて太陽電池パネルを回転させることができます。したがって、宇宙船がどこを向いていても、太陽電池パネルは常に太陽に向けられます。しかし、衛星の運用者は、太陽と直接重ならないように太陽電池パネルを意図的に少し傾けることがあります。これは、搭載バッテリーがすでに満充電されているか、ペイロードにそれほど多くの電力が必要ないためであることが多いです。国際宇宙ステーションでは、軌道抵抗を減らすために太陽電池パネルを傾けることもあります。

太陽光に長時間さらされると、太陽電池の性能は年間約 1 ～ 2 パーセント低下し、太陽フレアからの粒子放射線にさらされると、その低下はさらに急速に進みます。宇宙にはさまざまなレベルの電磁放射線と電離放射線が存在します。放射線の発生源は 4 つあります。地球の放射線帯 (ヴァン・アレン帯とも呼ばれます)、銀河宇宙線 (GCR)、太陽風、太陽フレアです。ヴァン・アレン帯と太陽風には主に陽子と電子が含まれていますが、GCR には主に高エネルギー陽子、アルファ粒子、およびより重いイオンが含まれています。これらの種類の放射線により、太陽電池パネルの効率は時間の経過とともに低下し、低下率は太陽電池の技術と宇宙船の位置によって異なります。ホウケイ酸ガラスパネルカバーの場合、年間効率損失は 5 ～ 10% になる可能性があります。溶融シリカや鉛ガラスなどの他のガラスカバーを使用すると、効率損失を年間 1% 未満に抑えることができます。

そのため、太陽電池の研究開発と改良は今後も長く続くことになるでしょう。最近の成功したイノベーションは、柔軟で折り畳み可能な太陽電池です。

柔軟に展開可能な太陽電池アレイは ROSA と呼ばれます。従来、航空宇宙用の太陽電池は高価でかさばり、操作が複雑になることが多かった。 ROSA はコンパクトで手頃な価格であり、低地球軌道から恒星間旅行まで、さまざまな科学的および商業的ミッションに使用できます。現在、ROSA は国際宇宙ステーションや二重小惑星方向転換ミッションで使用されています。将来的には地球・月軌道宇宙ステーションでの使用も予定されています。いくつかの商用衛星でもROSAの利用が議論されている。 ROSA は、ROSA を製造・生産する会社である Red Line Aerospace によって開発されました。これはもともと、NASA の宇宙技術局の支援を受けて、Deployable Space Systems (DSS) によって開発されました。 2021 年、Redline Aerospace は DSS を買収し、ROSA のアプリケーション市場の開発を継続しました。

宇宙飛行士が国際宇宙ステーションにROSAを設置

レッドライン・エアロスペースの事業開発担当副社長ケン・スティール氏は、太陽は宇宙最大のエネルギー源であり、過去70年間に人類が消費したエネルギーよりも多くのエネルギーを毎秒生み出していると語った。ほとんどの宇宙船は、太陽の継続的なエネルギーを利用して、熱エネルギーやペイロード操作などのさまざまなニーズに電力を供給するために太陽電池パネルを使用します。しかし、ソーラーパネルの設計には、サイズと信頼性という最適化が難しい 2 つの重要な要素があります。パネルのサイズは打ち上げコストに影響し、温度変動、放射線、微小隕石の衝突などの厳しい宇宙環境に耐える高い信頼性が求められます。したがって、人類は上記の問題を解決するために、太陽電池の新しい概念を緊急に開発する必要があります。

ROSA の出現により、これらの問題は解決されました。 ROSAは従来の太陽電池に比べて構造がコンパクトで、カーペットのように丸めて簡単に打ち上げることができますが、広げた時の面積はかなり大きくなります。さらに、ROSA はさまざまなミッション要件を満たすために拡張可能かつモジュール化されており、小型衛星だけでなく深宇宙ミッションにも使用できます。

国際宇宙ステーションに展開された後の ROSA は、古いバッテリーに対して斜めになっています。

レッドライン・エアロスペース社の国際宇宙ステーションにおけるROSAの技術ディレクター、マット氏は、大型の太陽電池アレイの展開には通常、モーターとケーブルシステムが使用され、多数の人員と高出力の電気システムが必要になると語った。対照的に、ROSA は複合ブームの変形位置エネルギーを利用して、単独で展開することができます。さらに、複合ブームの使用により、機構の詰まりやモーターの故障の可能性が大幅に低減します。

ROSA は従来の太陽電池アレイよりも小型ですが、高効率の太陽電池を使用しており、1 枚の太陽電池パネルで 30 キロワット以上の電力を生成できます。将来的には、発電能力を高めるためにコンセントレータが使用される可能性があります。さらに、複合ブームは構造的な剛性に優れ、動的環境、振動、破片や微小隕石の衝突に耐えることができ、長期間のミッションでも信頼性を発揮します。