実用的なパワービームが実現

1世紀後、ニコラ・テスラの夢が実現

PowerLight Technologies が開発したパワービーム システムは、2019 年にシアトル港で行われたデモンストレーション中に数百ワットの電力を伝送しました。

ワイヤーはたくさんあります電力を移動させるという点では、これらを採用していますが、欠点もあります。 結局のところ、携帯電話やその他の充電式機器を抜き差しすることにうんざりしていない人はいないでしょうか。 迷惑だよ。

電線は電力会社にも課題をもたらします。電力会社は、途中で電力の大部分が散逸するのを避けるために、送電ケーブルに印加する電圧を非常に高い値に上げるのに苦労する必要があります。 また、電車や路面電車などの公共交通機関に電力を供給する場合、ワイヤーを転がり接点や滑り接点と併用する必要がありますが、メンテナンスが面倒で、火花が発生する可能性があり、状況によっては問題のある汚染物質が発生する可能性があります。

多くの人々がこれらの問題の解決策を切望しています。過去 10 年にわたり、主にポータブル家庭用電化製品だけでなく車両にもワイヤレス充電が広く採用されていることを目の当たりにしています。 ワイヤレス充電器を使用すると、ケーブルを繰り返し接続したり取り外したりする必要がなくなりますが、この方法でエネルギーを供給できる距離は非常に短くなります。 実際、空隙がわずか数センチメートル、ましてや数メートルである場合、デバイスを充電したり電力を供給したりするのは困難です。 ワイヤーなしでより長距離に電力を送信する実用的な方法は本当にないのでしょうか?

ワイヤレス電力伝送という概念全体が、高電圧コイルから小型の稲妻を吐き出すニコラ・テスラのイメージを思い起こさせる人もいます。 これはそれほど愚かなつながりではありません。 テスラは確かに、長距離送電のための導管として地面と大気を何らかの形で利用するというアイデアを追求していたが、この計画は失敗に終わった。 しかし、電線を使わずに遠くまで電力を送りたいという彼の夢は変わりません。

このシステムがいかに安全であるかを強調するために、BBC の科学番組「Bang Goes the Theory」の司会者は、顔を完全にパワービームに突っ込みました。

テスラと同時代のグリエルモ マルコーニは、長距離に信号を送信するために「ヘルツ波」、つまり今日私たちが呼んでいる電磁波を使用する方法を考え出しました。 そしてその進歩により、同じ種類の波を使ってエネルギーをある場所から別の場所に運ぶ可能性がもたらされました。 結局のところ、これが、木材、石炭、石油、天然ガスに蓄えられたすべてのエネルギーが最初にここに来た方法です。エネルギーは、数百万年前にそのほとんどが電磁波（太陽光）として宇宙を1億5千万キロメートルも伝わりました。

同じ基本的な物理学を利用して、今日のワイヤーを置き換えることはできるでしょうか? ワシントン DC にある米国海軍研究所の同僚と私はそう考えています。その理由をいくつか紹介します。

過去 1 世紀にわたって、無線電力伝送の手段として電磁波を使用する取り組みが散発的に行われてきましたが、これらの試みはさまざまな結果をもたらしました。 おそらく、無線電力伝送の研究にとって黄金の年は 1975 年でした。当時、レイセオンで働いていたウィリアム ブラウンと NASA ジェット推進研究所 (現在は退職) のリチャード ディキンソンがマイクロ波を使用して、50% 以上のエンドツーで研究室全体に電力をビームしました。 -エンド効率。 別のデモンストレーションでは、約 1 マイル (1.6 キロメートル) の距離にわたって 30 キロワット以上の電力を供給することができました。

これらのデモンストレーションは、NASAと米国エネルギー省による大規模な太陽光発電衛星の実現可能性を探るキャンペーンの一環であり、いつか宇宙で太陽光を集め、そのエネルギーをマイクロ波として地球に放射することが提案されている。 しかし、この一連の研究は主に 1970 年代のエネルギー危機によって動機付けられたため、少なくとも米国では、その後数十年で太陽光発電衛星への関心は薄れていきました。

研究者らはある程度の規則性で太陽光発電衛星の考えを再考しているが、実際に電力ビームの実証を行っている研究者たちは、1975年に到達した効率、距離、電力レベルの最高水準点を超えるのに苦労している。しかし、その状況は変わり始めている。最近の送受信技術のさまざまな進歩のおかげで。

メリーランド州ベセスダの海軍水上戦センターでの 2019 年のデモンストレーション中、このレーザー ビームは 325 メートルの距離にわたって 400 ワットを安全に伝送しました。米国海軍研究所

ビームパワーへの初期の取り組みのほとんどは、今日 Wi-Fi、Bluetooth、その他のさまざまな無線信号が溢れている電磁スペクトルの同じ部分であるマイクロ波周波数に限定されていました。 この選択は、効率的なマイクロ波送受信装置が容易に入手できるという単純な事実によってもたらされました。

しかし、効率が向上し、より高い周波数で動作するデバイスの可用性が向上しました。 電磁スペクトルの特定のセクション内のエネルギーの効果的な伝達には大気による制限が課せられているため、研究者はマイクロ波、ミリ波、および光周波数に焦点を当ててきました。 効率の点ではマイクロ波周波数が若干優れていますが、より大きなアンテナが必要です。 したがって、多くのアプリケーションでは、ミリ波または光リンクの方がより適切に機能します。

マイクロ波とミリ波を使用するシステムの場合、送信機は通常、ソリッドステート電子アンプとフェーズドアレイ、パラボラ、またはメタマテリアル アンテナを使用します。 マイクロ波またはミリ波の受信機は、レクテナと呼ばれる一連の素子を使用します。 この言葉は、整流器とアンテナを組み合わせた造語で、各要素が電磁波を直流電力に変換する仕組みを表しています。

光パワー伝送用に設計されたシステムでは、ファイバー レーザーなど、ビームが厳密に制限されたレーザーを使用する可能性があります。 光パワー伝送用のレシーバーは、単一波長の光を非常に高い効率で電力に変換するように設計された特殊な太陽電池です。 実際、効率は 70% を超える可能性があり、これは一般的な太陽電池の 2 倍以上です。

米国海軍研究所では、過去 15 年間の大部分をパワービームのさまざまなオプションの検討と潜在的な用途の調査に費やしてきました。 これらには、ドローンの飛行時間とペイロード容量の延長、暗闇の中で軌道上の衛星に電力を供給すること、月の永久に影に覆われた領域で動作する探査車に電力を供給すること、宇宙から地表にエネルギーを送信すること、戦場の軍隊にエネルギーを分配することが含まれる。

空気中に狭いビームで大量のエネルギーを送信する装置というと、殺人光線のように聞こえると思うかもしれません。 これは、電力密度という重要な考慮事項の核心になります。 低すぎて役に立たないものから、危険であるほど十分に高いものまで、さまざまな電力密度が技術的に可能です。 しかし、これら 2 つの極端な中間点を見つけることも可能です。 また、高出力密度のビームを安全に使用できるようにする賢い方法もあります。 それはまさに私が所属していたチームが 2019 年に行ったことであり、それ以来、私たちはこの取り組みをうまく拡張してきました。

当社の業界パートナーの 1 つである PowerLight Technologies (以前は LaserMotive として知られていました) は、10 年以上にわたってレーザーベースのパワービーム システムを開発してきました。 2009 年の NASA パワー ビーム チャレンジで優勝したことで知られるこの企業は、ロボット テザー クライマー、クアッドコプター、固定翼ドローンに電力を供給することに成功しただけでなく、レーザーで安全にパワーをビームするという課題にも深く取り組んでいます。 これが重要なのは、海軍研究所、近畿大学、北京工科大学、コロラド大学ボルダー大学、JAXA、エアバスなどのチームを含む多くの研究グループが長年にわたってレーザーパワービームを実証してきたが、その例はほんのわずかだからである。あらゆる考えられる状況下で真に安全な方法でそれを達成しました。

長年にわたり、マイクロ波 [青] またはレーザー [赤] を使用したパワー ビームの実証が数多く行われており、ピーク電力記録は 1975 年に樹立されました [上]。 2021 年、著者と彼の同僚は、はるかに小型のアンテナを使用して 1 キロメートルを超える距離で 1 キロワット以上のビームを送信し、そのような実験で達成されたピーク電力レベルで 2 位と 3 位を獲得しました。デビッド シュナイダー

おそらく、私たちのチームの取り組み以前の安全なレーザーパワービームの最も劇的なデモンストレーションは、2012 年に Lighthouse Dev 社によって行われたものでした。システムがいかに安全であるかを強調するために、BBC の科学番組「Bang Goes the Theory」の司会者が顔を完全に突き刺しました。メリーランド大学の建物間に送られるパワービーム。 この特定のデモンストレーションでは、一部の赤外線波長は赤外線スペクトルの他の部分よりも目にとって一桁安全であるという事実を利用しました。

この戦略は、比較的低電力のシステムに有効です。 しかし、レベルを上げていくと、使用する波長に関係なく、すぐに安全上の懸念が生じる出力密度に達します。 じゃあ何？ ここが、私たちがデモしたシステムが他と異なる点です。 300 メートルを超える距離で 400 ワット以上の電力を送信している間、ビームは仮想エンクロージャ内に封じ込められ、そのエンクロージャは物体の衝突を感知し、損傷が生じる前に装置を作動させてメイン ビームへの電力を遮断することができました。 他のテストでは、伝送距離が 1 キロメートルを超える可能性があることが示されています。

慎重なテスト (BBC 科学番組の司会者は使用されませんでした) により、この機能の機能が満足のいくほど検証され、海軍のレーザー安全審査委員会の審査にも合格しました。 私たちのデモンストレーションの過程で、何度か鳥がビームに向かって飛んでビーム​​を遮断したとき、このシステムはさらに実証されましたが、それはほんの一瞬でした。 ご存知のとおり、システムはビームが占める体積とその周囲を監視し、経路が再び空になったときに電力リンクが自動的に再確立できるようにします。 これは、ガレージ ドアの安全センサーのより高度なバージョンと考えてください。ガード ビームが遮断されると、ドアを駆動するモーターが作動して停止します。

私たちが送信できた 400 ワットは、確かに大した量ではありませんでしたが、コーヒーを淹れるには十分でした。

私たちのデモンストレーションでは、出席した観察者は、レーザー安全メガネを着用したり、その他の予防措置を講じたりすることなく、送信機と受信機の間を歩き回ることができました。 それは、システムが自動的にシャットダウンできるようにシステムを設計することに加えて、受信機からの反射やビームの経路に沿って空気中に浮遊する粒子からの光の散乱の考えられる影響を考慮することに注意を払ったからです。

昨年、著者と彼の同僚は、ワシントン DC の南にある米軍のブロッサム ポイント試験施設でデモンストレーションを実施しました。彼らは、9.7 ギガヘルツのマイクロ波を使用して、直径 5.4 メートルの放物線を備えた送信機から 1,649 ワット (ピーク電力) を送信しました。アンテナ皿 [上] は、タワー [下] に取り付けられた 2 × 2 メートルの「レクテナ」 [中] まで 1,046 メートルの距離を越え、ビームを使用可能な電力に変換しました。米国海軍研究所

私たちが送信できた 400 ワットは、確かに大した量ではありませんでしたが、コーヒーを淹れ、この一連の実験で必須となっている、温かい飲み物を作るのを続けるには十分でした。 (2015 年にこの伝統を始めた日本の研究者たちは、自分たちでお茶を用意しました。)

私たちの次の目標は、完全に統合された安全対策を備えたパワービームをモバイルプラットフォームに適用することです。 そのために、走行距離と供給される電力量の増加が期待されます。

しかし、私たちだけではありません。世界中の他の政府、既存企業、新興企業も独自の電力ビーム システムの開発に取り組んでいます。 日本は長年、マイクロ波とレーザーパワービームの分野でリーダーであり、中国は韓国と同様に、先を行かないまでもその差を縮めてきた。

家庭用電化製品レベルでは、Powercast、Ossia、Energous、GuRu、Wi-Charge など、多くのプレーヤーが存在します。 そして、多国籍テクノロジー大手のファーウェイは、「2～3世代」以内にスマートフォンの充電に電力を供給すると予想している。

産業用途では、Reach Labs、TransferFi、MH GoPower、MetaPower などの企業が、ロボットやセンサー用のバッテリーを倉庫などで充電してすぐに使用できる状態に保つという厄介な問題を解決するために、パワー ビームの採用を進めています。 電力網レベルでは、エムロッド氏らは電力ビームを新たな高みに拡張しようとしている。

研究開発の面では、私たちのチームは過去 1 年以内に、1 キロメートルの距離にわたって 1.6 キロワットの安全なマイクロ波ワイヤレス電力伝送を実証しました。 II-VI Aerospace & Defense、Peraton Labs、Lighthouse Dev などの企業も、最近目覚ましい進歩を遂げています。 現在、Solar Space Technologies、Solaren、Virtus Solis など、ステルス モードで運用する野心的なスタートアップ企業が、宇宙から地球への実用的な電力ビーム送信を最初に実現するために懸命に取り組んでいます。

このような企業が安全性に関して実証済みの実績を確立し、自社システムの有用性について説得力のある議論を行っているため、場所から場所へ電力を送るためのまったく新しいアーキテクチャが登場する可能性があります。 無期限に飛行できるドローンや、常に電源に接続する必要のない電気機器があれば、ハリケーンやその他の自然災害が地域の電力網を破壊したときに、世界中のどこにいても人々にエネルギーを供給できることを想像してみてください。 燃料、バッテリー、またはその他の形式の貯蔵エネルギーを輸送する必要性を減らすことは、広範囲にわたる影響を及ぼします。 電線を張ることができない場合はこれが唯一の選択肢というわけではありませんが、同僚と私は、遠く離れた場所に電力を供給するための一連の可能な技術の中で、文字通りパワービームが輝くと期待しています。

この記事は、2022 年 6 月の印刷号に「遠く離れた不気味な力」として掲載されます。