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　　變化的發射天線面

　　微波是指具有從1mm到1m間的短波長的電磁波。這種電磁波廣泛應用于日常生活中的微波爐、手機和無線LAN，還有宇宙空間中的氣象衛星、地球觀測衛星、通信衛星、廣播電視衛星的通信等，其實就在身邊，與我們的生活息息相關。并且，雖然不是微波方式，但通過電磁感應方式、磁共振方式無線傳輸能源的技術已經確立并投入了實用。例如為手機、純電動汽車的蓄電池非接觸充電的“無線供電”。但傳輸的距離有限。

　　那么，空間太陽能發電系統使用微波無線傳輸能源的優點是什么？

　　首先是波長短，與波長長的電波相比，相對不容易擴散。從高度為3.6萬km的地球靜止軌道向接收天線傳送能源時，需要的接收天線的面積小于波長長的電波，能夠降低設備的建設成本。

　　其次是能夠穿透云層。在下雨和陰天的時候，只要選擇最佳的頻率，就能幾乎杜絕能源傳輸的損失。

　　但微波也存在缺點。即便是微波，隨著距離的增加，電波的擴散也會增大。微波的擴散與發射天線的大小成反比。因此，為了盡可能縮小接收天線的直徑，避免傳輸能源出現損耗，反而需要擴大發射天線的直徑。

　　微波無線能源傳輸技術開發上最大的難題，是控制微波束的方向，使能源準確傳送到接收天線。

　　上土井說：“激光也是如此，這是實現空間太陽能發電系統的一大課題。”

　　降低這個問題難度的一個辦法是，把空間太陽能發電衛星送入高度為3.6萬km的地球靜止軌道。地球靜止軌道是永遠與地球上的1點保持相同角度的軌道。因從地面看上去如同靜止一般而得名。如果從空間太陽能發電衛星向地球上固定的位置傳送微波，地球靜止軌道是最佳選擇。

　　然而，發射天線的尺寸增大后，天線面會變形，在構造上無法完全保持平面，從而使微波束的方向發生錯位。因此對微波束方向的控制就是必須的技術。

　　關于波束方向控制的困難程度，有這樣一個比喻：如果接收天線的直徑為幾公里，從3.6萬km高空的地球靜止軌道瞄準天線，就像是從東京瞄準立在名古屋的直徑約為9m的圓靶。用角度來說，微波束方向的偏差要控制在0.001度的范圍之內，需要精度極高的方向控制技術。

　　為此，JAXA正在研發這樣的微波相位控制技術：從接收天線向空間太陽能發電衛星發射用于引導的導頻信號，高精度檢測收到信號的方向，并向該方向發射微波束。

　　使用這種技術可以使微波束準確對準接收天線的方向。并且，若事先設定了使微波在引導用導頻信號停止后不再匯聚，則即使出現意外情況導致微波的方向大幅偏離接收天線的位置，也可以保證安全性。此時，微波將呈現發散狀，不匯聚成束。

　　除此之外，JAXA還在考慮并用可修正發射天線模塊之間的位置、方向偏差的相位控制，以使地面的接收功率達到最大。

空間太陽能發電系統的概要（出處：（財）宇宙系統開發利用推進機構）

　　“烤鳥問題”要不要緊？

　　另一方面，大家或許會好奇，空間太陽能發電衛星發射的微波如果直接擊中天上的飛機和飛禽，會不會出現危害？

　　上土井解釋說：“這就是‘烤鳥問題’，即人們擔心的穿越微波束的鳥會不會烤熟而落到地上的問題。對于實用系統，我們計劃把發射到地面的微波的能量密度控制在與陽光的能量密度相同的水平，不會對飛機和飛禽造成影響。”

　　但按照國際標準，人體允許的微波輻射水平為每m210W。因此，設置接收設備的區域需禁止人員進入。

　　JAXA預定與（財）宇宙系統開發利用推進機構（簡稱：J-spacesystems）合作，于2014年度之前，在地面上設置間距約為50m的發射裝置和接收裝置，開展從發射裝置發射1.6kW左右的微波，控制微波束的方向，使其抵達接收裝置并轉換成電力的實驗，目前正在進行相關準備。

　　上土井說：“日本和美國過去也曾經開展過發射微波并轉換成電力的實驗。但使用半導體生成功率高達1.6kW的微波束，高精度控制方向傳送能源的實驗在全世界尚屬首次，這是實現空間太陽能發電系統必不可少的一步。微波無線能源傳送技術是日本領先的技術，我們一定要令其成功。”

　　2014年將成為里程碑

　　接下來看第二項基礎技術“激光無線能源傳輸技術”。

　　使用激光的優勢在于波長比微波更短，與微波相比，收發裝置可以實現小型化。因為波長越短，波束就可越細，所以可以縮小發射天線與接收天線的直徑。因此能夠大幅削減建設成本。

　　但激光的弱點是會在云、雨、空氣、灰塵的作用下急劇衰減。能源傳輸送時的損失大于微波。

　　而且對于波束方向控制精度的要求比微波高100倍左右。如果說微波是從東京瞄準名古屋的直徑約為9m的靶子，那么，激光瞄準的則是直徑約為9cm的靶子。而且，與微波相比，激光的波束越細，能量集中的面積越小。因此，接收裝置附近需要更加嚴格的安全管理。

　　現在，JAXA準備做以高精度的方向控制，從高度約為200m的塔上，向地面的接收裝置傳輸500W功率激光的實驗，目前正在進行準備。這項實驗也計劃在2014年度內實施。

　　上土井說：“我們還預定通過這項實驗，確認大氣湍流對于激光的影響等。在2014年度，微波、激光都將開展大型實驗，對空間太陽能發電系統的研究來說，將會是一個重要的里程碑。”