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「光と色と」の別館「光と色と THE NEXT」を新設しました

ココログピックアップで紹介されました(2020年9月9日)

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2021年9月14日 (火)

宇宙太陽光発電の仕組み

宇宙太陽光発電とは

  ソーラーパネルは太陽光を利用するため、地上では昼間しか発電することができません。また、曇りの日や雨の日は発電効率が低下します。もし、ソーラーパネルを宇宙空間に設置できたら、日照時間や天候に左右されることなく安定した発電をおこなうことが可能となります。


宇宙太陽光発電

 実はこのアイデアは今から約50年前に考えられ、現在も研究開発が続けられている技術です。宇宙空間で太陽光発電をおこない、電気エネル
ギーを地上に送電して利用する発電システムを宇宙太陽光発電SSPS, Space Solar Power System)といいます。このアイデアは1968 年に米国の航空宇宙技術者のピーター・エドワード・グレーザー氏が提唱した宇宙太陽発電衛星SPS, Space Power Satellite)がもとになっています。

 1977年に米国のNASA(米国航空宇宙局)とエネルギー省はソーラーパネルを備えた人工衛星による発電システムの構想を打ち出しました。この構想は技術的に可能とされましたが、財政的な問題によって研究は打ち切りとなりました。

 この構想の実現に向けて継続的に研究に着手したのは日本でした。日本の宇宙開発事業団(現JAXA)が宇宙太陽光発電の研究を開始したのは1990年代の初めです。1990年代の終わりに、米国も宇宙太陽光発電の研究開発を再開しましたが、米国のエネルギー政策が原子力に傾倒していたこともあり、現在では継続的に研究開発を進めてきた日本の技術が世界でトップレベルとなりました。

宇宙太陽光発電の仕組み

 JAXAの宇宙太陽光発電システムは、高度約36,000 kmの静止軌道など(注)に設置した宇宙プラントと、地球上に設置した地上・海洋プラント(以降、地上プラントとする)で構成されます。

(注)他に太陽同期軌道や準天頂軌道に設置することも考えられている。静止軌道は1日24時間の常時発電が可能だが、伝送距離が長くなるため送受信の設備が大がかりになるという問題がある。

 宇宙プラントで集められた太陽エネルギーは電磁波に変換され、地上プラントに伝送されます。地上プラントでは、伝送されてきた電磁波のエネルギーを電気エネルギーに変換して使ったり、水素製造のエネルギーとして使ったりします。宇宙プラントから地上プラントにエネルギーを伝送する方法には、マイクロ波(電波)を使うマイクロ波SSPSM-SSPS)とレーザー光を使うレーザーSSPSL-SSPS)があります。

 マイクロ波SSPSは反射鏡とソーラーパネルを備えており、反射鏡で集めた光で発電を行います。発電で得られた電気エネルギーは雲や雨などの影響を受けにくい2.45 GHzまたは5.8 GHzのマイクロ波に変換され、地上プラントへ伝送されます。地上プラントでは受信したマイクロ波を再び電気エネルギーに戻して利用します。宇宙プラントの反射鏡と地上プラントの受電設備を直径2~3キロメートルとした場合、原子力発電所1基分に相当する約100万 kWの発電が可能となります。


宇宙太陽光発電マイクロ波SSPS

 レーザーSSPSにはソーラーパネルがありません。反射鏡で集めた太陽光を直接レーザー光に変換し、地上プラントへ伝送します。伝送に用いるレーザーは波長1064ナノメートルの近赤外線を使います。これはこの波長の光が、大気による吸収が少なく、大気で散乱されずに遠くまで届くからです。地上プラントでは伝送されてきたレーザー光を電気エネルギーに変換し、そのエネルギーで海水を電気分解して水素を製造します。また、レーザー光を海水と光触媒に当てて、海水を光分解することで水素を製造する方法も検討されています。


宇宙太陽光発電レーザーSSPS

 宇宙プラントから地上プラントに伝送されるマイクロ波やレーザー光は航空機や鳥類への影響がない強度のものが使われます。また、どちらの伝送方式も、エネルギーは地上プラントから発せられるパイロット信号を頼りに伝送されます。何らかの原因でパイロット信号が受信できなくなると、伝送が止まるようになっています。

宇宙太陽光発電の採算性は 

 宇宙太陽光発電に必要な技術的課題は現在の科学・技術で解決できると考えられています。採算性はどうなのでしょうか。

 JAXAの試算によると、宇宙太陽光発電は地上での太陽光発電に比べて5~10倍効率が良いとされています。また、他の発電方式に比べて、二酸化炭素の排出量が少なく、原子力発電のように核廃棄物を排出しません。そして、何よりも太陽光がエネルギー源なので、安定供給ができ、化石燃料のように枯渇する心配がありません。

 さて、宇宙太陽光発電の発電コストについては、地上での発電コストに匹敵する必要があります。現在、地上での発電コストは10円〜15円/ kWhです。100万kWの発電プラントの建設費用は人工衛星と地上設備を合わせて約1兆2400億円と資産されています。プラントの寿命を30年と設定したときの発電コストは8.5円/kWhになります。

 ちなみに日本のH-IIBロケットが静止軌道まで運べる機材は8トンです。1回の打ち上げコストは約150億円ですから、いかに宇宙に運ぶ機材を軽量化するかがコスト削減の重要な鍵になります。


H-IIBロケット

 現時点では、宇宙太陽光発電は将来的に採算性のとれるシステムを実現することは可能であると期待されています。現在、JAXAは2030年頃に商用化をめざして研究・開発を進めていますが、2022年度に縦幅2メートル×横幅4メートルの小型のパネルを打ち上げ実証実験を始める予定です。

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2021年8月28日 (土)

アインシュタインの光速度不変の思考実験

 相対性理論を導いたドイツの物理学者アルベルト・アインシュタインは手鏡に自分の顔を映しながら光速と同じ速さで走ったら鏡に自分の顔が映らなくなるのだろうかと考えました。


アインシュタインの思考実験
光速で移動したら鏡に自分の顔は映るか

 当時、光は空間を満たすエーテルという仮想の媒質を伝わると考えられていました。つまり、光速とは光がエーテルを伝わる速さと考えられていたのです。アインシュタインは自分も手鏡もエーテルの中を光速で進んでいるのだから鏡には自分の顔が映らなくなるだろうと考えてみましたが、このことが当時知られていた物理の法則に矛盾することに気がつきました。

 次の図のようにまっすぐな高速道路を同じ方向に時速80キロメートルで走る自動車Aと時速100キロメートルで走る自動車Bを考えてみましょう。AからBを見ると、Bは時速20キロメートルで進行方向に遠ざかって行くように見えます。逆にBからAを見ると、Aは時速20キロメートルで進行方向と逆の方向に遠ざかって行くように見えます。この見かけの速度のことを相対速度といいます。もし、AとBの速度が同じであれば、AからBBを見ても、BからAを見ても、相対速度は0で動いていないように見えます。これがガリレオの相対原理です。


ガリレオの相対原理

 ニュートンがガリレイの相対原理から導いた「慣性の法則」(運動の第1法則)によれば、私たちは一定の速度で動いているとき、どれぐらいの速さで、どの方向に動いているのかわかりません。そもそも動いているかどうかさえわからないのです。これをさきほどの自動車の例にあてはめてみると、AとBはそれぞれ一定の速さで動いているのですから、まわりの景色や相手が見えなければ自分が動いていることに気がつかないはずです。また、AとBの速さが同じであれば、お互いにある一定の距離を置いて静止しているように見えます。相手が見えていてもまわりの景色が見えなければ自分が動いていることに気がつかないはずです。

 さて、手鏡に顔を映しながら、光速と同じ速さで走ったとき、手鏡も自分も同じ速度で動いているわけですから、自分が動いていることに気がつくことはできないはずです。このとき、自分も手鏡も光もエーテルの中を光速で進むわけですから、自分の顔から出た光は鏡にたどりつくことができません。顔から出た光が鏡に届かなければ、その光が鏡で反射することもないので、鏡には顔が映らなくなります。

 鏡に顔が映らなくなるということは、自分が動いていることがわかるということです。アインシュタインは光速で走ったときにだけ、自分が動いていることがわかるというのはおかしいと考えました。そして、エーテルの存在を否定し、光にはガリレオの相対原理は通用しない、つまり光速は観測者によらず、いつも同じ大きさであると考えました。

 このようにアインシュタインは思考実験で光速度不変の原理にたどり着いたのです。やがて、エーテルが存在しないことや、光速度が不変であることが実験で確かめられ、アインシュタインの考えが正しいことが証明されたのです。

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2021年8月16日 (月)

ニュートンの思考実験「万有引力の法則」

 イギリスの物理学者アイザック・ニュートンの伝記に「リンゴが木から落ちるのを見て、万有引力を発見した」という有名な話があります。この話が本当かどうかは別にして、ニュートンは地球上の物体が落下する現象から月がなぜ落ちてこないのかを考えました。


ニュートンは月と落下するリンゴを見て万有引力を発見

 糸に物体をつなげて振り回すと物体は円運動します。このとき物体には遠心力が働いているため、糸を手から放すと物体は飛んでいってしまいます。月は地球のまわりを公転していますが、月と地球は糸でつながれているわけではありません。ニュートンは月が地球から離れずに同じ距離を保っているのは、月に働く遠心力と地球が月をつなぎとめる力がつり合っているからではないかと考えました。そして、地球が月をつなぎとめる力は、落下するリンゴに働く力と同じではないかと考えたのです。その力は重力のことです。もちろん、ガリレイが落下実験をやってみせたことからもわかるとおり、ニュートンが重力を発見したわけではありません。

 ココログ 光と色と「ガリレオの思考実験「重いものほど速く落下するのか」

 ニュートンが次に考えたのは、地球だけが重力で月をつなぎとめているのかということでした。地球に重力があるのであれば、月にも重力があるはずではないか。すなわち月と地球はお互いをつなぎとめるように引っ張り合っているのではないかと考えました。そして、ニュートンは質量をもつ物体の間にはお互いに引き合う力が働いていると考え「万有引力の法則」を導き出しました。リンゴが落下する現象と天体の運動は同じ原理に基づいているという結論に達したのです。

 宇宙で実験することはできません。ニュートンは身の回りの現象をヒントに宇宙でどのようなことが起こるかを天体観測の結果に照らし合わせながら思考実験で考えたのです。

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2021年7月30日 (金)

見る―眼の誕生はわたしたちをどう変えたか

見る―眼の誕生はわたしたちをどう変えたか

サイモン・イングス (著) 吉田 利子 (翻訳)

 2009年に出版された本ですが、眼に関する様々なことが解説された本です。いろいろな動物の眼の進化や仕組みなどを解説しています。また、ヒトの視覚の研究の歴史についても触れられており、過去の科学者の取り組みなどを紹介しています。眼について光学と生物学だけではなく、幅広い分野の話を取り上げています。

単行本: 450ページ
出版社: 早川書房 (2009/1/23)
ISBN-10: 4152089997
ISBN-13: 978-4152089991
発売日: 2009/1/23
商品の寸法: 18.6 x 14.2 x 3.4 cm

【内容】

 光を効率よくとらえようとしてさまざまな生き物が眼を発達させ、見るという能力を獲得した。これまで見つかった最大の眼は、巨大なダイオウイカのもので、目玉の直径が40センチあったという。イカの眼とヒトの眼はまったく異なる進化をたどってきたものだが、それでも両者はじつによく似た構造をしているのだ。

 では、わたしたちはどうやってものを見ているのだろう。多くの哲学者や科学者がその謎に取り組んできた。プラトンは、眼がある種の光線を放射するおかげでものが見えるのだと唱えた。19世紀、死者の網膜には像が残ると言われ、殺人事件の捜査で眼球の写真が撮られた。色覚障害のあった科学者ドルトンは、自分の眼球の色が異なるのだと考え、死後に自分の眼を解剖させている。

 眼には想像以上の物語がある。眼の進化と意識、色覚や錯覚に隠された秘密、視覚の未来まで、眼と「見ること」のすべてを探る

 

・触れて触る眼―ホシバナモグラの鼻、ハダカデバネズミ
・カンブリア紀の大爆発と眼の誕生
・三葉虫のひさしを持った眼、あいだをおいてはめ込まれた眼
・ショウジョウバエの脚に作られた眼
・第三の眼、松果体
・「視光線」を放射している眼?
・色と言葉
・ステレオグラム
・殺人の原因にもなった視覚の化学
・虹が10色に見える4色型色覚をもつ女性
 その他

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2021年6月30日 (水)

オリンピックの五輪の色の意味は?

オリンピックシンボルとは

 オリンピックシンボルはオリンピック憲章第1章8で「単色または5色の同じ大きさの結び合う5つの輪」と定義されているオリンピック・リングで構成されるシンボルとされています。


オリンピックシンボル

オリンピック・リングの由来

 近代オリンピックの創立者のフランスのピエール・ド・クーベルタン男爵が1913年に考案したものです。

 その経緯として古代オリンピックが開催されたギリシアのデルフォイの祭壇にあった5つの輪を紋章が刻まれた石碑を参考に考案されたという説がありますが、この石碑は第11回ベルリンオリンピックの際に組織委員会の事務総長のカール・ディームが聖火リレーの式典の演出のために設置したものでした。式典は盛大に執り行われましたが、この石碑は撤去されませんでした。1950年代後半にアメリカ人作家のリン・プールとグレイ・プールがデルフォイを訪れたときにこの石を再発見し「古代競技の歴史(History of ancient Olympic games、1963年)」で紹介しました。この石碑は「カール・ディエムの石」として知られるようになり、オリンピック・リングのデザインは古代オリンピックに由来するものという説が流布しました。

オリンピック・リングの意味

 オリンピック・リングは白地に青、黄、黒、緑、赤の5つの輪が連なったものです。クーベルタン男爵はこの5つの輪をヨーロッパ大陸、アメリカ大陸、アフリカ大陸、アジア大陸、オセアニア大陸の5つの世界大陸に見立てました。また5つの大陸と色には関係がなく、どの輪がどの大陸を意味しているというような定義はされていません。白、青、黄、黒、緑、赤の6色はすべての参加国の国旗を再現できる色して選んだものとされています。 

 クーベルタン男爵は「Olympique 1913年8月号」において、「このように組み合わせられた6色(旗の白地を含む)は例外なくすべての国の色を再現している。スウェーデンの青と黄、ギリシャの青と白、フランス、イギリス、アメリカ、ドイツ、ベルギー、イタリア、ハンガリーの三色旗、スペインの黄と赤、ブラジルとオーストラリアの革新的な国旗、古代日本と現代中国の国旗も含まれている。まさに、国際的なエンブレムです」と述べています。

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