シンガポールの「CRIMSON-1」、ペロブスカイト太陽電池とAIを軌道上へ

5kgの人工衛星、2つの技術を試験

シンガポールの人工衛星「CRIMSON-1」は地球上空約520kmで、フレキシブル型ペロブスカイト太陽電池と人工知能（AI）を試験している。電力、熱、通信容量が厳しく制約される環境に、研究室段階の2つの技術を持ち込む。衛星の重量は5kgで、寸法は30cm×10cm×10cm。ミッション期間は1年間を予定している。

南洋理工大学（シンガポール、NTU）は、同大学の14機目となる人工衛星が、米カリフォルニア州のバンデンバーグ宇宙軍基地からトランスポーター18ミッションで打ち上げられたと発表した。打ち上げにはスペースXのファルコン9ロケットが使われた。打ち上げはカリフォルニア時間10月1日、シンガポール時間10月2日に行われた。CRIMSON-1は離陸から約55分後に放出された。ロケットには計130機の宇宙機が搭載されていた。

ミッションには2つの異なる実験がある。1つはNTUの研究者と、シンガポール国立大学（NUS）からのスピンオフ企業であるSingfilm Solarが開発したペロブスカイト太陽電池の耐久性と発電量を測定する。もう1つは衛星画像を機上で処理し、地球に送信する前にAIが有用な情報を特定できるかを検証する。

重要なのは、実験対象のペロブスカイト電池は衛星の主電源ではないという点だ。新型電池の試験中も、CRIMSON-1の電力は従来型のガリウムヒ素太陽電池パネルが供給する。実験の打ち上げによって得られるのはデータを収集する機会であり、ペロブスカイトが既存の宇宙機電源システムに取って代わる準備が整ったことの証明ではない。

NTUはCRIMSON-1ミッションの発表で、研究者が軌道上での太陽電池の性能に加え、高負荷時のコンピューターシステムの熱管理と消費電力を調べるとしている。これらの実験結果はまだ発表されていない。

太陽電池モジュールの特徴

ペロブスカイトは特定の結晶構造を持つ材料で、太陽光を電気に変換するために利用できる。効率が高く、薄型・軽量で、広く入手可能な材料を使って製造できる太陽電池を実現する可能性が注目されている。宇宙機では電源システムを軽量化できれば、ほかの機器により多くの搭載余力を振り向けられる。

Singfilm Solarの実験用モジュールはフレキシブル型で、極薄ガラスを基板に採用している。同社の創業者であるNUSの助教、侯毅（ホウ・イー）氏は、CRIMSON-1について、このフレキシブル型モジュールにとって初の宇宙飛行であり、シンガポール製太陽電池モジュールが軌道上に投入されるのも初めてだと説明している。NTUによると、Singfilmの技術にとっても初の宇宙飛行となる。

こうした説明では、個々の太陽電池セルと、複数のセルを組み合わせて動作させるモジュールを区別する必要がある。NTUは2023年、同大学の衛星ARCADEでペロブスカイトセルを宇宙に飛ばした。そのため、CRIMSON-1を、同大学が宇宙でペロブスカイトセルを試す初の試みと表現するのは正確ではない。

今回の実験は、フレキシブル型モジュールとSingfilmと共同開発した技術に対象を広げる。その価値は、打ち上げ後や宇宙環境に長期間さらされた後も有用な発電量を維持できるかなど、軌道上から返される測定データによって決まる。

効率と同じくらい耐久性が重要

宇宙用太陽電池は、打ち上げ時の機械的な負荷と、その後にさらされる運用環境という、性質の異なる2つの試験に耐えなければならない。CRIMSON-1は低軌道で、物理的な耐久性、変換効率、実際の発電量を評価する。

計画されている評価には、放射線、真空、熱サイクルへの耐性が含まれる。熱サイクルとは、宇宙機が異なる日照条件を移動する際に繰り返される温度変化を指す。こうした変化は材料や接合部に負荷をかける可能性があり、放射線は太陽電池と電子機器の双方に影響を及ぼし得る。

NTUの副学長兼プロボスト、クリスティアン・ヴォルフラム教授は、このミッションによって、太陽光発電の研究とAIコンピューティングを、技術が想定どおり機能するか確認できる環境に持ち込むと述べた。

こうした技術は実際の宇宙環境でしか検証できません。NTUの衛星プログラムは30年にわたってそれを続けてきました。CRIMSON-1は14回目のミッションです

1年間の試験では、投入直後に1度測定するのではなく、時間の経過に伴う性能を示すデータを得ることを目指す。NTUは許容できる発電量、効率低下、材料劣化について数値目標を公表していない。

コスト面の優位性には軌道上のデータが必要

ペロブスカイトの経済的な魅力は大きいものの、このミッションで実証されたコスト削減ではなく、あくまで将来的な可能性だ。宇宙用のガリウムヒ素太陽電池の価格は、1ワット当たり250～450米ドルとされる。一方、地上で使われる従来型シリコン太陽電池は1ワット当たり1米ドル未満だ。

この数値では、ガリウムヒ素の価格はシリコンの基準価格の250～450倍を超える。この比較は技術間の価格差を示すが、相互に置き換え可能な製品の直接比較ではない。地上用電池の価格が低くても、宇宙機の運用要件を満たせるとは限らない。

CRIMSON-1に搭載されたペロブスカイトモジュールの製造価格（ワット当たり）は公表されていない。そのため、衛星運用者が採用した場合にどれほどの費用を削減できるか、現時点でこのミッションから算出することはできない。信頼性、実用的な発電量、統合にかかる費用も考慮する必要がある。

Singfilmは2024年、ペロブスカイト太陽電池パネルの変換効率が22.6％に達したと報告した。変換効率とは、入射した太陽光のうち電気に変換される割合を指す。この数値は同社の開発状況を示す参考情報だが、軌道上での測定値でも、CRIMSON-1の搭載機器で得られた性能結果でもない。

NTUの同分野の研究は、ペロブスカイト材料内で電荷が異例に長い距離を移動できることを示した2013年の「Science」掲載論文にさかのぼる。この発見は、高い太陽光変換効率の解明に役立った。その後の研究では、大型モジュールや性能と安定性の向上を目指す試作品の開発が進められた。CRIMSON-1は、こうした技術が研究室の外でも有用な特性を維持できるかを検証する。

送信前にAIが有用な画像を選別

CRIMSON-1は、AIを搭載したシンガポール初の超小型衛星とされる。搭載コンピューターによる実験では、衛星画像を機上で解析・選別する。雲のない画像を選ぶほか、森林火災や油流出の可能性を特定する。

これはエッジAI、つまり収集したデータをすべて遠隔地のコンピューターに送るのではなく、データの収集場所に近いところで処理する技術だ。今回のエッジは衛星そのものに当たる。地上の人が確認するためにすべての画像を送るのではなく、有用な画像や事象の可能性を知らせるアラートを送ることを目指す。

衛星通信の容量には限りがある。軌道上で画像を選別すれば、送信する生データ量と、地上で必要となる手作業の仕分けを減らせる可能性がある。このミッションが検証しているのはその手法であり、災害検知サービスの有効性が実証されたと発表したわけではない。

検知精度、誤報率、送信データ量の実測削減幅は公表されていない。AIが火災や油流出の可能性を示したとしても、事象が確認されたことにはならない。選別結果が運用に十分な信頼性を備えるかどうかは、実験結果を待つ必要がある。

コンピューティングには電力と熱の課題も

小型宇宙機で画像を処理するには、トレードオフが生じる。地上に送る情報を減らせば通信容量を節約できる一方、AIの稼働には電力が必要で、熱も発生する。CRIMSON-1の研究者は、高負荷時にコンピューターシステムが電力と熱の両方をどう管理するか調べる。

熱管理が特に重要なのは、真空中では地上のコンピューターのように周囲の空気を使って冷却できないためだ。宇宙機の設計では、構造を通じて熱を移動させ、放射によって放出しなければならない。この実験は、選定されたコンピューター機器がその環境でどのように動作するかを明らかにする。

太陽電池とコンピューティングの実験は関連する工学的制約を扱うが、別々の実験だ。機上処理を増やす将来の宇宙機には、それを支えられる電源システムが必要となる。CRIMSON-1は将来の太陽電池技術を試験する一方、自機の運用電力には実績のあるパネルを使う。

侯氏は、将来の衛星向け太陽光発電や、宇宙空間におけるAIデータセンターの可能性を、今後の検討分野として挙げている。CRIMSON-1自体は実運用中のAIデータセンターではなく、ペロブスカイトモジュールがデータセンターに電力を供給できると実証するミッションでもない。その役割は、将来の設計に役立つ測定データを返すことだ。

ミッションの開発、打ち上げ、支援体制

NTUの衛星研究センターがミッションを主導し、宇宙機の設計、打ち上げ準備、ミッション管制、軌道上運用を統括する。NTUによると、研究者は打ち上げインテグレーターのExolaunchと連携した。同社は打ち上げ枠、ミッション管理、統合、放出の各サービスを提供した。CRIMSON-1はExolaunchの「EXOpod Nova」システムで放出された。

宇宙機の製造をめぐる報道には違いがある。ある報道は、シンガポール企業Satoro Spaceが製造し、NTUのAI技術と実験用太陽電池を搭載したとしている。別の報道は、NTUの衛星研究センターが製造したとしている。NTUの発表では同センターがミッションを主導し、国内の産業パートナーが参加したとされるが、製造作業の分担は詳述されていない。

情報通信メディア開発庁（IMDA）は、国際電気通信連合（ITU）を通じた衛星周波数と軌道資源の確保によりミッションを支援した。周波数とは、衛星と地上局の通信に使われる電波の周波数帯を指す。

同大学の実績には、シンガポール初の国産人工衛星「X-SAT」を2011年に打ち上げたことが含まれる。13回目のミッション「VELOX-AM」は2023年7月に打ち上げられ、NTUによると、ミッションを終えて2026年8月に軌道を離脱した。CRIMSON-1は、宇宙機の開発、試験、運用を続けてきた同プログラムの次の一歩となる。

シンガポールの助成制度が開発と宇宙実証をつなぐ

CRIMSON-1は、シンガポール国立宇宙庁（NSAS）が「宇宙アクセス・プログラム」を通じて支援する最初期のプロジェクトの1つだ。同制度は宇宙技術開発プログラム（STDP）の一環で、シンガポールは2022年以降、宇宙研究と国家能力の強化に2億1,000万シンガポールドルを充てている。

政府の宇宙技術開発プログラムのページは2026年3月17日付で更新されており、宇宙技術・産業局が2024年に追加で6,000万シンガポールドルを確保したとしている。また、STDP 2.0は2025年から継続すると説明している。このページは、追加の6,000万シンガポールドルを、プログラムに充てられたとされる2億1,000万シンガポールドルに再度加算すべきだとは示していない。

プログラムには、技術開発、実証・実験、宇宙アクセスの3つの助成分野がある。宇宙アクセス分野は、宇宙で技術が稼働した記録を示す「フライトヘリテージ」の確立に向けた試験を支援する。太陽電池、先端材料、コンピューティングシステムなどが対象例として挙げられている。

国内の大学、研究機関、産業パートナーが申請できる。外国の組織は国内パートナーを探す必要がある。リモートセンシングと衛星通信が重点分野で、NSASは軌道上での宇宙機サービス、宇宙空間での製造、宇宙生命科学も検討している。

CRIMSON-1にとって、フライトヘリテージは研究と商用導入の可能性をつなぐものだ。打ち上げの完了は1つの節目となる。一方、モジュールやコンピューターシステムが軌道上の環境で動き続けることを示すデータは、導入を検討する顧客が評価できる別の節目だ。

主な節目と今後

このミッションは、10年以上にわたる太陽電池研究と衛星開発の成果を結びつける。主な経緯は次の通り。

• 2011年：シンガポール初の国産人工衛星「X-SAT」を打ち上げ。
• 2013年：NTUの研究者が、ペロブスカイト材料内の電荷移動に関する研究成果を「Science」に発表。
• 2022年以降：シンガポールが宇宙技術開発プログラムに2億1,000万シンガポールドルを充当。
• 2023年：NTUがARCADEでペロブスカイトセルを試験。VELOX-AMは7月に打ち上げ。
• 2024年：Singfilmが太陽電池パネルの変換効率22.6％を報告。政府は宇宙技術開発に追加で6,000万シンガポールドルを確保。
• 2026年8月：NTUによると、VELOX-AMはミッションを完了して軌道を離脱。
• カリフォルニア時間10月1日、シンガポール時間10月2日：CRIMSON-1を打ち上げ。ミッション期間は1年間を予定。

NTUの発表は打ち上げの月日を記載しているが、年は明示していない。10月1日と10月2日の違いはカリフォルニアとシンガポールの時差によるもので、別々の打ち上げを指すものではない。

次の重要な節目は性能データの公表だ。初期結果の発表時期や、太陽電池の劣化、AIの精度、コンピューターの消費電力を報告する日程は公表されていない。

これとは別に、NTUと日本のテクノロジー企業Fusicは、ミッション計画、地上局の割り当て、定常運用、技術的問題の早期検知に使う地上のAIシステムを検討している。こちらは地上からの衛星管理を扱う一方、CRIMSON-1は宇宙機上での画像処理を試験する。

要点

• CRIMSON-1はNTUの14機目の人工衛星で、重量5kg。地球上空約520kmに投入された。
• ミッション期間は1年間を予定し、ペロブスカイト太陽電池とAIによる画像処理を試験する。
• 衛星の主電源はガリウムヒ素パネルで、ペロブスカイト電池は実験用の搭載機器だ。
• Singfilmのフレキシブル型モジュールは極薄ガラスを使用。NTUは2023年、ARCADEでペロブスカイトセルを試験している。
• 研究者は太陽電池の耐久性と発電量に加え、コンピューターの熱管理と消費電力を測定する。
• シンガポールの「宇宙アクセス・プログラム」は、2022年以降の総額2億1,000万シンガポールドルの宇宙技術開発施策の一環として、ミッションを支援する。
• 軌道上での性能結果や初回発表の日程は公表されていない。