JP6211756B2 - 光エネルギー増強発電のための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明の分野は、概して遠隔地にありアクセスできないシステムへのエネルギー供給に関し、より具体的には光エネルギー増強発電・配電のための方法及びシステムに関する。

衛星及び宇宙船などの遠隔地にありアクセスできないシステムでは、推進のためのエネルギー及び内部システムに電力供給するためのエネルギーが必要である。エネルギーに対するこのニーズは、ハードウェア／ソフトウェアシステム及び消費されたロジスティクスに対して重量及び容積の要件を推進する。これらの要件には、燃料及び化学物質、貯蔵システムに加えて、有用なエネルギー形態にするための処理及び／又は転換が含まれている。表面的には、多くのシステムは、移動中に及び遠隔地でエネルギーを受け取るのではなく、ミッション全体に必要なエネルギーを搭載するように設計されている。

宇宙探査は電力によって制限を受けるが、上述のロジスティクスによってさらに複雑になっている。地球から最も近い惑星までの物理的な飛行時間は数年に及ぶことがある。その結果、現在の宇宙船システムはエネルギー源を搭載するか、太陽電池パネルを使用して宇宙船自体でエネルギー作り出すか、あるいはロジスティクスによって補給されなければならない。後者、すなわちロジスティクスは完成までに数年を要することがある。太陽電池パネルは、外部からの放射エネルギー（例えば、太陽放射エネルギー）を利用してエネルギーを生成するのに有効であるが、宇宙船が太陽又は恒星から遠ざかるにつれて単位照射面積あたりの電力は減少するため問題が生じることがある。結果として、このようなエネルギー収集はさらに困難になり、典型的にはより長時間の「日光浴」が必要となり、言い換えるならば、太陽からのエネルギー収集により長い時間を要するようになる。

別の実施例では、火星探査車マーズ・ローバーのミッション作業は電源によって制約を受けている。特に火星面での太陽光強度で対応できたのは限定的な作業のみである。太陽から火星まで離れると、太陽光強度で供給できる電力は、３０％の効率で動作する太陽電池パネルで１平方フィートあたり１ワット未満となるであろう。

太陽光発電システムは、ある放射強度で太陽光放射から生じるエネルギーを供給する。しかしながら、膨大な距離を隔てたところでは、上述の例で説明したように、太陽光の放射強度は低下する。

電磁エネルギー（太陽光エネルギーを含む）は、電力貯蔵システムに電力を供給する又は再充電するためのリモートデバイスに迅速にエネルギーを供給する唯一の方法を提供する。太陽光発電システムが、ある放射強度で太陽光放射から生じるエネルギーを提供するが、膨大な距離を隔てると太陽光の放射強度は低下する。さらに、高周波波長及び高出力マイクロ波でのエネルギーは、光周波数でのエネルギーと同じ程度にしっかりと合焦することはない。ビーム式電力システムでは、有効な強度を実現するため、これらの周波数は大きな伝送アレイを必要とすることがある。トランスミッタ・アレイのサイズと大きなローブの有効放射電力の体積によって、必要な電力強度での膨大な距離を隔てた伝播は制限を受ける。

したがって、性能を高めてより大きな作業を可能にするためには、膨大な距離を越えてリモートデバイスまで大きな電力強度を効果的に伝送する未解決のニーズが存在する。

１つの態様では、長い距離を越えてリモートデバイスまで電力を伝送する方法が提供される。この方法は、光子源と光子レシーバーとの間にレンズを配置するステップであって、レンズ、光子源及び光子レシーバーが物理的に分離されたシステムであるステップ、レンズを使用して光子源から発せられる複数の光子を合焦するステップ、レシーバーで光子を収集するステップ、及び収集した光子を利用して電力を生成するステップを含む。

別の態様では、長い距離を越えてリモートデバイスまで電力を伝送する方法が提供される。この方法は、光子源と光子レシーバーとの間にレンズを配置するステップであって、レンズ及び光子源が物理的に分離されたシステムであるステップ、レンズを使用して複数の光子を合焦するステップ、レンズに操作可能なように結合されたレシーバーで光子を収集するステップ、収集された光子を利用してレーザービームを生成するステップ、及びレーザービームを目標物まで伝播するステップを含む。

また別の態様では、宇宙空間に配置された１平方キロメートルを超える面積を有し、複数の光子を目標物に合焦するように構成されたレンズを含むエネルギー伝送システムが提供される。

さらに別の態様では、リモートデバイスに電力を供給する方法が提供される。この方法は、少なくとも１つのエネルギー源からエネルギーを収集するステップ、収集したエネルギーをレーザーエネルギーに変換するステップ、レーザーエネルギーをレシーバーに向けるステップ、リモートデバイスで使用するためレシーバーで受取ったレーザーエネルギーを変換するステップ、変換されたエネルギーを使用してリモートデバイスのエネルギーニーズの少なくとも一部を供給するステップを含む。

別の態様では、リモートデバイス用に発電するシステムが提供される。このシステムは、少なくとも１つのエネルギー源からエネルギーを収集し、収集したエネルギーをレーザーエネルギーに変換するように操作可能な少なくとも１つのエネルギー生成及び放出源、レーザーエネルギーを特定の方向に向けるためのエネルギー方向付けシステム及び伝播媒体、エネルギー方向付けシステム及び伝播媒体から光エネルギーを受取るためのエネルギーレシーバー、エネルギーレシーバーと結合したエネルギー収集及び貯蔵システム、さらにリモートデバイスで使用するため収集したエネルギーを変換するためのエネルギー移動デバイスを含む。

本発明の一態様によれば、長い距離を隔ててリモートデバイスにエネルギーを転送する方法は、光子源及び光子レシーバーと連結してレンズを配置するステップであって、レンズ、光子源及び光子レシーバーが物理的に分離されたシステムであるステップ、レンズを使用して光子源から発せられる複数の光子を合焦するステップ、レシーバーで光子を収集するステップ、及び収集した光子を利用して電力を生成するステップを含む。有利には、この方法は、宇宙空間へのレンズの配備を含むレンズの配置をさらに含む。好ましくは、この方法は、宇宙空間への屈折性薄膜の配備を含むレンズの配置をさらに含む。好ましくは、この方法は、Ｍｙｌａｒ（商標）フィルムの配備をさらに含む。

本発明の一態様によれば、長い距離を隔ててリモートデバイスにエネルギーを伝送する方法は、光子源と光子レシーバーとの間にレンズを配置するステップであって、レンズ及び光子源が物理的に分離されたシステムであるステップ、レンズを使用して複数の光子を合焦するステップ、レンズに操作可能なように結合されたレシーバーで光子を収集するステップ、収集された光子を利用してレーザービームを生成するステップ、及びレーザービームを目標物まで伝播するステップを含む。有利には、レンズを使用して複数の光子を合焦するステップは、第１レンズから合焦した光子を受取るステップ、及び受取りを行う目標物から離れた位置に配置され目標物とは物理的に結合していない第２レンズを使用して光子を再度合焦するステップを含む。有利には、この方法は、目標物まで伝播したレーザービームから電力を生成するステップをさらに含む。有利には、レンズを配置するステップは、宇宙空間へのレンズの配備を含む。有利には、この方法は、リモートデバイスのエネルギーニーズの少なくとも一部を提供するため生成された電力を使用するステップをさらに含む。

本発明の一態様では、エネルギー伝送システムは、宇宙空間に配置された１平方キロメートルを超える面積を有し、複数の光子を目標物に合焦するように構成されたレンズを含む。有利には、このシステムは、前記レンズに操作可能なように結合され、合焦された光子を受取り、これらの電気エネルギーに変換するように構成された目標物と、目標物から収集されたエネルギーを使用して光ビームを伝播するように構成されたレーザーとをさらに含む。有利には、レーザーは第１の位置に配置され、前記レンズは第１の位置から離れた第２の位置で宇宙空間に配置され、前記システムは前記レンズから合焦されたレーザービームを受取るように構成されたデバイスをさらに含み、前記デバイスは第１及び第２の位置から離れた第３の位置に配置される。

本発明の一態様では、リモートデバイスに対して電力を生成するシステムは、宇宙空間に配置されエネルギー源から分離された合焦システム、光学的放射の拡散ビームを焦点に合焦するように加工されたレンズを有するシステムを含む。有利には、システムは、合焦システムに結合されたエネルギー収集システム、合焦した照射を収集し、これを電力に変換するように構成されたエネルギー収集システムをさらに含む。有利には、システムは、エネルギー収集システムに結合され、エネルギー源からエネルギーを効果的に伝播するレーザーを生成するように構成された、レーザー生成システムをさらに含む。有利には、システムは、エネルギー源及び合焦システムから分離され、合焦システムから方向が決定された光学的放射に対して焦点を維持するように構成されているリモートデバイスをさらに含む。有利には、エネルギー源は、遠方まで伝播させるためレーザーをコリメートするステップ、遠距離場強度を維持するステップ、伝播した電力レベルを制御するステップ、強度が前記合焦システムを超えないようにレーザービームを広げるステップのうちの少なくとも１つに対して構成されている。有利には、エネルギー収集システムは膜光学レシーバーを含む。

上述の特徴、機能及び利点は、様々な実施形態において独立に実施することが可能であるか、又はさらに別の実施形態において組み合わせることが可能である。以下の説明及び図面を参照してさらに詳細に説明する。

光エネルギー増強発電アーキテクチャのブロック図である。 光エネルギー増強発電プロセスフローのフロー図である。 図１及び２によって図解されるアーキテクチャ及びプロセスを組み込むシステムの図解である。 図１及び２によって図解されるアーキテクチャ及びプロセスを組み込む別のシステムの図解である。 図１及び２によって図解されるアーキテクチャ及びプロセスを組み込むさらに別のシステムの図解である。 ビーム生成システム、ビーム、合焦システム、及びリモートデバイス４０６をさらに図解するブロック図である。 ビーム生成システム、ビームリレーシステム、及びリモートデバイスをさらに図解するブロック図である。 複数のビームの受取及び合焦コンポーネントを組み込む実施形態の例である。 ガウス分布に従う遠距離場スポットのエネルギー強度の分散を図解する図である。 リモートデバイスに電力を供給するための方法を図解するフロー図である。

本発明の実施形態は、光スペクトルエネルギー増強発電システム及び長距離を隔てた電力伝送の方法を対象としている。本明細書でさらに説明されているように、宇宙船、衛星、ロケット又は地上システムに光エネルギーを伝播するためのデバイス及びプロセスを統合する分散アーキテクチャを提供するシステム及び方法、並びに発電で伝播されるエネルギーのその後の利用を対象としている。このプロセスは、限定しないが、発電システム及びプロセスの一又は複数の要素、エネルギーの方向を定めるためのシステムとプロセスと伝播媒体、エネルギー受取のためのプロセス及びシステム、エネルギー合焦のための収集、貯蔵システム及びプロセス、並びにエネルギー移動のための貯蔵・利用システム及びプロセスなど、開示されているシステム及びプロセスのうちの一又は複数の利用又は開発を含む。

本発明の実施形態に関して説明されているように、エネルギーの捕捉及び利用は主要な電力要件又は他の電力源の増強を支援して、システムの能力のより効率的な利用を導き出すことができる。例えば、レーザーエネルギービームは大きな強度をもたらし、光速で長距離を移動することができる。エネルギー強度、制御された放出率、タイミング、及び放出速度は、直接的な電力利用、さらに又エネルギー貯蔵及びより高い再充電速度を支援することができる。

ここで図１を参照すると、光エネルギー増強発電及び配電アーキテクチャ１０が図解されている。この配電アーキテクチャ１０は、宇宙船、衛星、ロケット又は地上システムにエネルギーを伝播するためのデバイス及びプロセス、並びに発電のために伝播されるエネルギーの利用を統合する。

アーキテクチャ１０の中で実施されるプロセスは、有用な集中したエネルギー生成システム及びプロセス１２を含む。これらのエネルギー生成システム及びプロセス１２は、実施形態の中で、人間工学に基づくシステム（例えば、光エネルギーレーザー）若しくは自然発生的な（例えば、太陽／恒星の）放射と結合するシステム、又はその両者となることがある。アーキテクチャ１０は、例えば、大気中若しくは大気圏外の真空内で操作可能なレーザービーム指向プロセス／システム及び伝播媒体などの、エネルギー指向システム、プロセス及び伝播媒体１４をさらに含む。エネルギー受取プロセス／システム１６はアーキテクチャ１０に含まれており、エネルギー合焦、収集、及び貯蔵プロセス／システム１８も同様に含まれている。アーキテクチャ１０は、エネルギー移動、貯蔵及び／又は利用のプロセス／システム２０をさらに含む。

アーキテクチャ１０の中のプロセス及びシステムは、工学的なシステムで記述されているが、プロセスの中で自然発生的な現象（自然）を含むことがある。その際、工学的な機能（実施形態）は、強化された発電機能を導き出すため、記載されている実施形態を全体的に又は部分的に利用するものとみなされている。

この実施形態は、局所的な遠隔地のエネルギー伝播、及び放射エネルギーの集中と利用、の双方に対応している。記載されているシステムは、システム内の電力／機能を増強する。例えば、アーキテクチャ１０のコンポーネントは、（地球、火星などの）大気中又は惑星間及び／又は大気圏外にある宇宙システムまで伝播する光エネルギーを結合することができる。この機能は、いくつかの例を挙げるならば、地球上の遠隔地での軍事作戦、分離された宇宙船／衛星、及び宇宙探査を含む、遠隔制御できない遠方のシステムを含む。

この実施形態は、電力内蔵型コンポーネント及びエネルギー貯蔵装置の直接利用を提供する。内部での電力使用及びエネルギー貯蔵は、電気／電子的ニーズ、姿勢制御反応、及び内部の仕組み、並びに関節コンポーネントの電力を含む。アーキテクチャ１０は、システムによって搭載される電力の重量／容積を効果的に低減し、同時に補充／再供給のロジスティクス（例えば、燃料補給、バッテリーの再充電など）に関連する重量／容積を低減する。内部電源には軽量で容積の少ないものが要求されるが、小型のシステムではエネルギー貯蔵／バンキング、エネルギー化学物質の保護が必要となる。適切なミッションの目標を確実に達成するため、より多くのエネルギーを得る能力によって、定量しながら電力を使用すること、高い出力（典型的には出力密度の高い化学物質によって提供される）での対バーストエネルギーが可能となる。さらにこのシステムでは、より短い間隔での再補充スケジュールが可能となり、よりアクセスしやすくなり、迅速な再充電と物理的な輸送を必要としない高速配送が可能となり、大規模な配送・流通システムを軽減することができる。

このシステムにより、地上の太陽光発電技術を利用するデバイスは、他の惑星（例えば、火星）又は天体（例えば、月）で動作可能となり、位置エネルギーの移送は不要となる。このシステムは、膨大な距離で隔てられていること及び／又は日食によって、太陽光放射照度が著しく低下している場合でも、高い電力密度を伝播する。その際、このシステムにより必要な光の放射照度（地球での太陽光発電密度と同等以上）が実現可能となる。事実上、これにより、地球の太陽発電技術は、限定するものではないが、地表面及び大気中の移動手段を利用するソーラービークル、太陽光発電ビル／工場、並びに成長する生物園及び生物圏に対応することが可能になる。このシステムは、飛行体（例えば、高高度無人航空機）、地表システム（例えば、遠方の山頂）、及び水面下システム（例えば、水面下の海洋センサー）を含む地球の遠隔地へのエネルギー伝播に適用することができる。

説明されている実施形態は、限定しないが、有用な遠距離場強度を維持するコリメートされた光ビーム伝播によって可能になるレーザーエネルギー伝播を含む。伝送は光速で行われる。この実施形態は、レーザー発電、エネルギー伝播、エネルギー収集及びエネルギー変換／転移及び使用を統合する。この実施形態は、高エネルギーレーザー（ＨＥＬ）、対象物間のレーザー伝播、エネルギー収集を利用する機能、及び有用な電源能力を可能にするためレーザーエネルギーを変換する機能を十分に可能にするアーキテクチャ１０のように既に定義されている。

図２は、膨大な距離を隔てて有効にエネルギーを伝送するためのプロセスを図解するフロー図１００である。エネルギー１０２が利用可能なときには、このエネルギーは、太陽光放射、原子力、化学的電力、熱源、又は他のエネルギー源から収集可能であり、代替的な実施形態では生成可能である。収集されたエネルギー１０２を使用して、レーザー１０６又は方向が定められたビームの中で増幅された光子の放射などのエネルギービームを生成することができる。エネルギービーム１０４は、制御システム１１２によって調整１０８及び／又は方向付け１１０することができる。

制御システム１１２は、レーザー１０６を調整し、レーザービームをレシーバー１１６の将来の位置に方向を定める指示を、ビーム調整システム１０８に与える。レシーバーが月面にあり、地上のレーザーシステムからの距離が月までの場合には、移動時間及び見越し角の考慮は、光速で約１．３秒となる。レシーバーが火星の近傍にある場合には、移動時間及び見越し角の考慮は、光速で約１０分間となることがある。ビームは、制御システム１１２の操作によって、レシーバー１１６まで伝播される。地球の大気中ではビームは空気の影響を受ける。宇宙空間は真空であるため、宇宙ではビームが不安定になることは少ない。しかしながら、ビームは拡散する。人間工学に基づいた光エネルギーの転送は、出力を増幅及び／又は増強して、集中かつコリメートされたエネルギービームにすることができる。１つのシナリオでは、レシーバー１１６がビームの近傍にある場合には、ビーム強度がレシーバー１１６の容量を超えないよう、ビームは減弱されることがある。約１１万キロメートルから１００万キロメートル先では、コリメートされたビームであっても拡散するため、このようなビームがレシーバーに衝突するときには、遠距離場の強度は地上での太陽光放射エネルギーの数倍程度となり、レシーバーの容量を超えることはない。

放射エネルギーはレシーバー１１６によって受取られる。一実施形態では、電力強度は測定され、レシーバーは、例えば、オン／オフ、増加／減少、質、調整、スケジュールなどのフィードバックを制御システム１１２に提供する。

レシーバー１１６で受取られたエネルギーは、合焦され収集される。強度、収集時間、変換／使用率に応じて、合焦及び収集は、きわめて強力な電力強度、鋼鉄／金属を溶かす可能性のある強度を管理する能力、又は自然放射エネルギー（例えば、地球レベルの太陽光放射密度）から有効性を引き出すためかなり弱い電力密度を１点に集中する能力を要求することがある。
例えば、距離によって、火星上での太陽光エネルギーの強度は、地球上での太陽光の強度を下回ることがある。必要に応じて、制御システム１１２は合焦・収集システム１２０と共に動作して光子を受取り、所望の焦点に向きを変えて効果的に光子を合焦する。システム１２０からエネルギーが受取られ１２２、保存又は直接使用１２４するため処理される。

レーザービームで伝播されたエネルギーは、例えば、伝播する距離と関連して広がる傾向にある。この発散は小さくなりうるが（例えば、数千分の１ラジアン）、膨大な距離を隔てると、合焦した電磁エネルギーはかなりの広がりを見せる。伝播される円柱状の電磁ビームを含む理論的な限界は、エネルギー周波数（λ）を伝送の出力端の直径（ｄ）で除した値となる。伝播媒体にエネルギーが入るとき、ビームの広がりの計算結果は、λ／ｄに伝播範囲／距離（Ｒ）を乗じた値になる。レーザー（光学スペクトル）の場合、直径は伝送の出力端の口径で測定される。伝播範囲／距離が増大するにつれて、ビームは広がる。したがって、エネルギーを受取る場所では、エネルギービームは遠距離場の断面積（Ａｒ) が増大する。したがって、Ａｒ＝（λ／ｄｔ）Ｒとなる。

図３Ａは、図１及び２によって図解されるアーキテクチャ及びプロセスを展開する一実施形態である。ビーム生成システム３０２は、地球３００からビーム３０４を生成することができる。本明細書に記載されているように、ビーム３０４は長い距離を隔てて拡散する複数の光子を含むことがある。少なくともビーム３０４の一部は、ビーム合焦システム３１０によって受取られる。合焦システム３１０は、ビームを所望の焦点まで効果的に合焦するため、ビームの向きを変えるための可撓性のある大きな膜を含むことができる。ビーム合焦システム３１０は、本明細書に記載されているように、合焦ビーム３１２を利用してエネルギーを生成するように操作可能なリモートデバイス３１４に向けて、合焦ビーム３１２を提供する。例示的な実施形態では、リモートデバイス３１４は、例えば、月又は他の惑星などの別の天体の上に配置される。

図３Ｂは、図１及び２によって図解されるアーキテクチャ及びプロセスを展開する別の実施形態である。太陽光放射３４２は、太陽３４０から宇宙を通って伝播する。太陽光放射３４２の一部は、例えば、本明細書に記載されているように、エネルギーを生成するために合焦したビーム３５２を利用するように操作可能なリモートデバイス３５４に向けられているレーザービームなどのように、合焦されたビーム３５２を生成するためのエネルギーなどを使用するように操作可能なビーム合焦システム３５０に衝突する。例示的な実施形態では、リモートデバイス３５４は、例えば、地球、月又は他の惑星などの天体の上に配置される。

図３Ｃは、図１及び２によって図解されるアーキテクチャ及びプロセスを展開するさらに別の実施形態である。ビーム生成システム３７２は、地球３７０からビーム３７４を生成することができる。本明細書に記載されているように、ビーム３７４は長い距離を隔てて拡散する複数の光子を含むことがある。少なくともビーム３７４の一部は、宇宙空間に配設されるビーム反射合焦システム３８０によって受取られる。ビーム反射合焦システム３８０は、本明細書に記載されているように、合焦ビーム３８２を利用してエネルギーを生成するように操作可能なリモートデバイス３８４に向けて、合焦ビーム３８２を提供する。例示的な実施形態では、リモートデバイス３８４は、例えば、月又は他の惑星などの別の天体の上に配置される。

図４Ａは、ビーム生成システム４０２、ビーム合焦システム４０４及び受取ったビームを使用及び／又は貯蔵するエネルギーに変換するリモートデバイス４０６を含む、図２のプロセスフロー及び図３Ａ及び３Ｂのシステムに関連するコンポーネントをさらに図解するブロック図４００である。ビーム生成システム４０２は、例えば、レーザー及び制御システム４１４など、エネルギー源４１０、光学ビームデバイス４１２を含む。ビーム合焦システム４０４は、エネルギー収集デバイス４２０及び一又は複数の反射／屈折レンズ４２２を含む。本明細書の他の部分に記載されているように、リモートデバイス４０６は、エネルギー収集デバイス４３０、エネルギー変換システム４３２、及び電力貯蔵システム４３４を含む。

図４Ｂは、ビームリレーシステムの別の実施形態を図解するブロック図４５０で、ビーム生成システム４５２、ビームリレーシステム４５４及び受取ったビームを使用及び／又は貯蔵するエネルギーに変換するリモートデバイス４５６を含む。ビーム生成システム４５２は、例えば、レーザー及び制御システム４６４など、エネルギー源４６０、光学ビームデバイス４６２を含む。ビームリレーシステム４５４は、エネルギー収集デバイス４７０、一又は複数の反射／屈折レンズ４７２、エネルギー収集デバイス４７４、エネルギー変換システム４７６、電力貯蔵システム４７８、光学ビームデバイス４８０、及び制御システム４８２を含む。本明細書の他の部分に記載されているように、リモートデバイス４５６は、エネルギー収集デバイス４９０、エネルギー変換システム４９２、及び電力貯蔵システム４９４を含む。

本明細書で記載されているプロセス及びシステムは、エネルギーの伝送、伝播、エネルギーの受取、エネルギーの再伝送、さらなるエネルギーの伝播、及び遠隔地でのエネルギーの受取、加えてエネルギーの貯蔵及び利用を必要とする、拡張されたエネルギーリレーアーキテクチャを提供するように反復可能である。図５に関して、このような構成が表示及び記載されている。

図５は、複数のビームの受取及び合焦コンポーネントを組み込む実施形態の例である。ビーム生成システム５０２は、地球５００から遠距離まで拡散するビーム５０４を生成する。少なくともビーム５０４の一部は、ビーム合焦システム５１０によって受取られる。ビーム合焦システム５１０はエネルギーを使用して、第２のビーム合焦システム５２２によって受取られるまで、遠距離まで拡散するビーム５２０を生成する第１のリモートデバイス５１４に向けられた合焦ビーム５１２を生成及び／又は提供する。第２のビーム合焦システム５２２もまた受取ったエネルギーを使用して、本明細書に記載されているように、エネルギーを生成するため合焦されたビーム５４０を利用するように操作可能な第３のリモートデバイス５４２によって最終的に受取られる同一の方法で、ビーム５４０を生成する第２のリモートデバイス５３２に向けられた合焦ビーム５３０を生成及び／又は提供する。例示的な実施形態では、第３のリモートデバイス５４２は、例えば、月又は他の惑星などの別の天体の上に配置される。図５の実施形態はその一例である。アーキテクチャは、記載されているより少数又はより多数の合焦及び生成システムを組み込んでいる。

本明細書で記載されている実施形態は、大きな領域を経て伝播するエネルギーを含む。１つの実施形態では、合焦システムは、本明細書に記載されているように生成され、宇宙空間の膨大な距離を移動する放射を捕捉し合焦するため、薄膜（例えば、数キロメートルの幅になる可能性のある、プラスチック製の屈折又は反射膜）を取り込む。Ｍｙｌａｒなどのポリエステルフィルムは、膜を形成する材料の一例となることがある。

当業者であれば、地球から火星までの距離は、楕円軌道上の相対位置に応じて変化することを理解するであろう。地球―火星間の距離は５４００万キロメートルから４億キロメートルの間で変動する。この計算では、地球と火星の間の相対位置は２億キロメートルになることがあるため、増強発電システム１０の要素間の距離もこの値となることがある。この計算では、地球の月又は地球の軌道上に配置されるレーザーは、１０６ｎｍの周波数で作動するものとする。地球―月間で１メートルの開口径を有するレーザーは、遥か遠方に向けてコリメートされたレーザービームを伝播すると、火星軌道上に配置されたレシーバーの位置では直径２１キロメートルの横断面を有するスポットを形成する。この大きなスポットは、火星では分散して単位面積あたりの電力密度は低い（すなわち安全である）が、きわめて貴重である。

惑星間の距離でのレーザーエネルギーの伝播特性は不明確であるが、遠距離場のスポットは、伝播エネルギーの半分を含むスポットとして定義されており、受取り可能である。このエネルギーは伝送から約１０分後に火星の近傍に到着する。合焦システムは配置可能な軽量の光学システムで構成可能で、大きな領域（おそらく直径数キロメートル）をカバーするように伸展する薄膜として、軽量で調整可能な伸縮自在のフレームワークによって配備することができる。この膜は光を収集して処理できるように、光を合焦し方向を決定する。

レーザービームを適切に方向付けし舵取りすることにより、エネルギーがガウス分布する遠距離場で、例えば、限定しないが、直径１０ｋｍの仮想的な大口径のレシーバーは、伝播したビームのエネルギーの大部分を収集することができる。その際、配置可能であり、光学的に処方された調整可能な形状を有する、軽量の大型膜は、遠距離場のスポットのかなりの割合を収集することが可能なエネルギーレシーバーを支持することができる。例示的な実施例のように、限定しないが、合焦システムは、配置用の支柱を有する大型の折り畳み傘の形状をとることができる。宇宙空間の真空では、光学的に処方された大型の形状を大幅に変形させる条件はほとんど存在しない。軽量の薄膜は、薄いプラスチック様の膜であってもよく、光学的に処方された形状にすることが可能で、屈折及び回折などの薄膜内の透過特性を利用して、放射されるエネルギーすなわち光子をさらに収集及び合焦することができる。レシーバーによって回折された後の光エネルギーは単色の波長にすぎず、さらに膨大な距離を隔てた遠方まで引き続き伝播させるために必要となる円柱化などのレーザー特性は備わっていない。遠位場で穏やかに分散している大部分のエネルギーの収集、集約の支援がレシーバーの目的の１つである場合には、レーザー特性が備わっていないことは問題ではない。１つの実施形態では、図５に示したシステムのような合焦システムはビーム光子を合焦し、合焦システムに接続されている機構にエネルギーを生成するように利用できる場所にビーム光子を集中することができる。さらなる実施形態では、合焦システムはパラボラ形状を有し、反射特性並びに反跳／反射のための被覆を利用して、光をエネルギー変換デバイスに集中させることができる。

透過及び／又は反射によるアプローチは別々に、又は特別な構成で一緒に使用することができる。さらに合焦システムは、高精度な位置決め、追跡及び安定化を効果的に支援するため、コヒーレントな通信／信号フィードバックに対応している。

伝播したレーザービームの遠位場でのエネルギー強度は、図６に示したガウス分布のように分散している。伝送率は距離によって増減され、伝送された分から散乱損失を引いたものとほぼ同等になる。伝送されたレーザービームの出力に応じて、レーザービームの光エネルギーの一部（エリア）は捕捉可能で、地球上での昼間の放射電力密度を越えることができる（火星の昼間の放射電力密度に対しては数桁以上大幅に上回る）。さらに、潜在的に与えられた伝送の配置、増強されたエネルギー伝送システム１００によって、惑星の軌道又は昼夜の惑星の自転によって制限を受けないエネルギー伝播が可能になる。

光は太陽の表面から、膨大な距離を隔てて地球、及び火星まで独立して放射される。総じて、惑星（火星）は小さく丸い。火星表面で反射される光はきわめてわずかである。強度の低い反射光は、地球の夜空で反射光の観察が最適化されるようには構成されていない。しかしながら、火星で反射するこれらの光子は地球の夜空で見ることができる。ここで強調すべきことは、本開示システムで、光がこれだけの距離を、しかも高い電力密度に対して決められた経路を通常に移動するということである。

本明細書に記載されているエネルギー伝播システムは、ビームによるエネルギーのレーザー伝播、広がったエネルギーを捕捉して、単位面積あたり高い強度でエネルギーを集中させるデバイスの中に合焦するように設計された連動レシーバーに対応している。このコンセントレータは次に、エネルギー貯蔵システムで使用及び／又は貯蔵するためエネルギーを処理する。

容易に理解されるように、その距離はきわめて膨大であるため、伝送機においては正確なビームの安定化と位置決めが必要となる。その際、地球は太陽のまわりを高速で（平均速度はおよそ時速１００万キロメートルに達する可能性がある）周回しており、火星は太陽のまわりをさらに高速で（平均速度はおよそ時速３００万キロメートルに達する可能性がある）周回している。一方の惑星が「順行」し、他方の惑星が「逆行」する可能性があるため、相対的なベクトル速度は４００万ｋｍ／時になることがある。１つの事例では、２億ｋｍ離れた位置から伝送された光子は、約１０分後に到着する。天体物理学及び４００万ｋｍ／時に達する可能性のある所与の相対速度を考慮して、伝送システムは軌道を周回する火星のレシーバーの光子到着時の位置を予測しなければならない。レーザー光子の伝送からレシーバーの到着までの間に、伝送機とレシーバーとの位置は３７，０００ｋｍ変化する可能性がある。

エネルギーレシーバーは、伝播に対して大きな捕捉領域（分散型の遠距離場）を提供し、２１ｋｍのレーザーエネルギースポットの重要な部分を収集し、貯蔵及び／又は使用を支援する処理を行うため、これを１点に集中させる。相対的な配置は移動しているため、角回転速度はこの伝播距離に対しては遅くなるが、正確でなければならない。エネルギー伝播の遅延及び相対的に大きな遠距離場スポットにもかかわらず、フィードバックループは有効である。その際、電力ビームに埋め込まれたタイムスタンプ及びコヒーレント信号は、電力強度及び収集率の改善に役立つ。一実施例では、限定しないが、毎分既知のオフセット角で伝播したビームを章動させることができる。

時間を伴う単純なアルファベット信号は、レーザービームのステアリングフィードバックを提供して、ビームレシーバー１１６へ方向付けしたビームの調整を支援することができる。再び図２を参照すると、例えば、エネルギーレシーバー１１６は遠距離場ビームの特性を測定し、制御システム１１２へのフィードバックループを介して通信を行い、方向付けしたレーザービームを調整することができる。補間法により、伝播のその後の調整、及びおそらくはより重要な軌道の反復（学習）のための、適切なオフセット調整の提供を支援することができる。

本明細書に記載されているように、エネルギー伝送は自然の太陽光放射を大幅に超える伝播強度を作り出し、電力ニーズを支援することができる。しかしながら、距離が短くなった場合（例えば、地球を周回する衛星／宇宙船、又は遠くは離れた山頂）、位置決め及び追跡の要件は大幅に異なる（例えば、軽減又は強化される）ことがある。

さらに、例えば、地球低周回軌道（ＬＥＯ）／地球同期衛星（ＧＥＯ）／月衛星に対するより近いエネルギー伝播アプリケーションでは、合焦システムにより、スポット強度を低減するため、高エネルギーレーザー（ＨＥＬ）伝播ビームを意図的に拡散（減弱）させた拡散エネルギー収集が可能になる。この拡散により、単純でより安価な設計（技術及び材料）で伝播エネルギーを規定どおりに方向付けして管理することができる。

本明細書で記載されているように、一実施形態は、リモートデバイス上で電力を増強するため、分散された効率的な高輝度レーザーによってエネルギー伝播を行う。図７はリモートデバイスに電力を供給するための方法を図解するフロー図７００である。この方法は、少なくとも１つのエネルギー源からエネルギーを収集するステップ７０２、収集したエネルギーをレーザーエネルギーに変換するステップ７０４、レーザーエネルギーをレシーバー（例えば、レシーバーの現在の位置及び将来の位置のうちの１つ）に向けるステップ７０６、リモートデバイスで使用するためレシーバーで受取ったレーザーエネルギーを変換するステップ７０８、変換されたエネルギーを使用してリモートデバイスのエネルギーニーズの少なくとも一部を供給するステップ７１０、を含む。本明細書に記載されているように、レシーバーによって受取られたレーザーエネルギーを変換するステップは、１点に集中されたビームスポットを形成するため焦点にレーザーエネルギーを合焦するステップを含む。レーザーエネルギーを方向付けるステップは、遠距離場の強度を維持するためにレーザー伝播をコリメーションするステップ、並びに強度がレシーバーの容量を超えないように伝播する電力を制御し、及び／又は意図的にビームを分散／減弱するステップの一方又は両方を含む。

レシーバーで受取られるレーザーエネルギーの量は、一実施形態では、及び本明細書に記載されているように、レシーバーからのフィードバックをレーザーエネルギー源にフィードバックすることにより制御される。実施形態によっては、方向付けされたレーザーエネルギーの一部又は全部は、捕捉したレーザーエネルギーを単位面積あたり高い強度に集中する膜光学レシーバーを使用して捕捉される。

この実施形態は、エネルギー源からエネルギーを獲得するステップ、エネルギー源から獲得されたエネルギーを使用するレーザービームを生成するステップ、第１プラットフォームからレーザービームを投影するステップ、光学ウィンドウ／開口部／デバイスを通してレーザービームを受取るステップ、第２プラットフォーム内で機能するようにレーザービームの方向付け及び／又は合焦を行うステップ、プラットフォーム内での材料の熱的加熱、並びに光エネルギーの一部又は全部を電気、熱又は他のエネルギー形態を生成するため変換システムに方向付けを行うステップを含む方法を提供する。

この実施形態はさらに、エネルギー源からエネルギーを獲得するステップ、エネルギー源から獲得されたエネルギーを使用するレーザービームを生成するステップ、第１プラットフォームからレーザービームを投影するステップ、屈折性及び／又は反射性のある膜を使用して第２プラットフォームに集中されたビームを生成する焦点にレーザービームを合焦するステップ、及び電気、熱又は他のエネルギー形態を生成するため集中されたビームによって光子のエネルギー変換を行うステップを含む方法を提供する。

一実施形態では、本明細書に記載されている方法、システム、及びコンピュータで読み取り可能な媒体の影響は、（ａ）太陽電池アレイなどのエネルギー源からエネルギーを得ること、（ｂ）エネルギー源のエネルギーを使用してビームを生成すること、（ｃ）気体（例えば、大気）、液体（例えば、水）、固体（例えば、ガラス）の物質、及び／又は物質がない状態（例えば、宇宙空間の真空）を含む透過可能媒体を通って、ビームを遠方に向けて伝播すること、（ｄ）屈折又は反射膜を含む透過性及び／又は反射性光学素子を用いてレーザービームを合焦すること、（ｅ）１点に集中した光エネルギースポットを生成するためにビームを焦点に合焦すること、及び（ｆ）１点に集中した光エネルギースポットを変換して、電気、熱、或いは運動エネルギー及び位置エネルギーの形態を含む他のエネルギーを生成すること、のうちの少なくとも１つを含む。

本明細書で使用しているように、「１つの」という語から始まって単数形で記載されている要素又はステップは、複数の要素又はステップを除外することが明示的に記載されていない限り、複数の要素又はステップを除外しないと理解すべきである。さらに、本発明の「１つの実施形態」又は「例示的実施形態」への言及は、記載されている機能をも取り込む付加的な実施形態の存在を除外するように解釈されることを意図していない。

種々の有利な実施形態の説明は、例示及び説明を目的として提供されているものであり、網羅的な説明であること、又は開示された形態に実施形態を限定することを意図していない。当業者には、多数の修正例及び変形例が明らかであろう。さらに、種々の有利な実施形態は、他の有利な実施形態に照らして別の利点を提供することができる。選択された一又は複数の実施形態は、実施形態の原理、実際の用途を最もよく説明するため、及び他の当業者に対し、様々な実施形態の開示内容と、考慮される特定の用途に適した様々な修正との理解を促すために選択及び記述されている。

本明細書では、最良のモードを含め、様々な実施形態を開示する実施例を使用しているため、当業者は任意の機器やシステムの作成ならびに使用、及び組込まれた任意の方法の実施を含む実施形態を実行することができる。特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義されており、当業者であれば想起される他の実施例も含みうる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字言語から逸脱しない構造要素を有する場合、あるいは、それらが特許請求の範囲の文字言語とごくわずかな相違を有する等価な構造要素を含んでいる場合は、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図している。

３０２、３７２、５０２ ビーム生成システム
３１０ 合焦システム
３１４ 目標物
３５４、３８４ リモートデバイス
３５０ ビーム合焦システム
３７４、５０４、５２０、５４０ ビーム
３８０ ビーム反射合焦システム
３８２、５１２、５３０ 合焦ビーム
５１４ 第１のリモートデバイス
５２２ 第２のビーム合焦システム
５３２ 第２のリモートデバイス
５４２ 第３のリモートデバイス

Claims (12)

1. レンズ（４２２）を有し、かつ、レーザー生成システムから照射されるレーザーをエネルギー収集システムに合焦させるように構成された合焦システム（３１０）を含むエネルギー伝送システムであって、
   前記レーザー生成システムは、エネルギーを伝播するレーザーを生成するように構成され、
   前記合焦システム（３１０）は、前記レーザー生成システムから分離されて宇宙空間に配置され、
   前記エネルギー収集システムは、前記レーザー生成システム及び前記合焦システム（３１０）から分離され、前記合焦システム（３１０）から向きが決定された前記レーザーについて焦点が維持されるように構成され、
   前記レンズ（４２２）は、１平方キロメートルを超える面積を有し、屈折性薄膜を含む、
   エネルギー伝送システム。
2. 前記合焦システム（３１０）の前記レンズ（４２２）は、光学的放射の拡散ビームを焦点に合焦するように形作られている、請求項１に記載のエネルギー伝送システム。
3. 前記エネルギー収集システムをさらに含み、
   前記エネルギー収集システムは、前記合焦システム（３１０）と関連して、合焦した前記レーザーを収集し、これを電力に変換するように構成されている、請求項１又は２に記載のエネルギー伝送システム。
4. 前記レーザー生成システムをさらに含み、
   前記レーザー生成システムは、前記エネルギー収集システムと関連して、エネルギー源からエネルギーを伝播するレーザーを生成するように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載のエネルギー伝送システム。
5. 前記レーザー生成システムは、遠方まで伝播させるため前記レーザーをコリメートすること、遠距離場強度を維持すること、伝播される電力レベルを制御すること、及び、強度が前記合焦システム（３１０）に対し過度とならないように前記レーザーを広げることのうちの少なくとも１つを実行するように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のエネルギー伝送システム。
6. 前記エネルギー収集システムが膜光学レシーバーを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のエネルギー伝送システム。
7. 前記レンズ（４２２）に操作可能なように結合され、合焦された光子を受取り、これらを電気エネルギーに変換するように構成された目標物と、
   前記目標物から収集された前記エネルギーを使用して光ビームを伝播するように構成されたレーザーと
   をさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のエネルギー伝送システム。
8. 前記レーザー生成システムは第１の位置に配置され、前記合焦システム（３１０）は前記第１の位置から離れた第２の位置で宇宙空間に配置され、前記エネルギー収集システムは前記第１及び第２の位置から離れた第３の位置に配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載のエネルギー伝送システム。
9. 宇宙空間でエネルギー収集システムを含むリモートデバイスまで長距離を隔ててエネルギーを伝送する方法であって、
   レーザー生成システムと前記エネルギー収集システムとの間の宇宙空間に、レンズを有する合焦システムを配置することと、
   前記合焦システムを使用して前記レーザー生成システムから照射されるレーザーを合焦することと、
   前記合焦システムに操作可能なように結合された前記エネルギー収集システムで前記合焦システムにより合焦された前記レーザーを収集することと
   を含み、
   前記合焦システム、前記エネルギー収集システム及び前記レーザー生成システムが物理的に分離されており、
   前記レンズは、１平方キロメートルを超える面積を有し、屈折性薄膜を含む、方法。
10. 前記合焦システムを使用して前記レーザー生成システムから照射されるレーザーを合焦することが、
    第１レンズから合焦した前記レーザーを受取ることと、
    受取りを行う目標物から離れた位置に配置され、前記目標物とは物理的に結合していない第２レンズを使用して前記レーザーを再度合焦することと
    を含む、請求項９に記載の方法。
11. 目標物までレーザービームとして伝播した前記レーザーから電力を生成することをさらに含む、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記リモートデバイスのエネルギーニーズの少なくとも一部を提供するため前記生成された電力を使用することをさらに含む、請求項１１記載の方法。

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