ヘリオスタット

ス・グラーフェサンデのヘリオスタット[4]

ヘリオスタットにつながる発想の元は、17世紀には存在しており、ロバート・フックなどがそれを考えていたとされる[5][6]。ジョヴァンニ・ボレリは、アカデミア・デル・チメントで行われた光速の測定実験に触発され、1枚の鏡で光を反射させる装置における配置を分析した。これが、ヘリオスタットの設計の基礎となる原理の最初の考察であるともされるが、ボレリはそれを出版していないため、その後のヘリオスタットに与えた影響はみられない[5]。

実用的なヘリオスタットを最初に発明し、それを公にしたのは、ライデン大学教授のウィレム・ス・グラーフェサンデで、ベストセラーとなった著書『実験によって確かめられた自然学の基礎 (Physices elementa mathematica experimentis confirmata)』の1742年刊行の第3版にその記述がある[7][5][6][8]。ス・グラーフェサンデは、自身が講義で教授する光学の理論を実験によって明示するために、ヘリオスタットを作り上げた。ス・グラーフェサンデのヘリオスタットは、著書を介して図解や理論は多くの物理学者に伝わったが、実際に作られたものは多くはなかった。駆動部である時計仕掛けと、鏡部を別々に仕立てて、継手で連動させるというス・グラーフェサンデのヘリオスタットは、調整が容易ではなかったので、その後様々な改良が試みられた[5]。

ジャック・シャルルは、時計仕掛けと鏡を一体化させて調整作業を合理化し、エティエンヌ・ルイ・マリュスが更にそれを改良した。パリの発明家アンリ・ガンベイは大幅な小型化を実現したが、最も成功したのは、フランスの物理学者ジャン・ティエボー・シルベルマンが設計したヘリオスタットで、小型な上に単純で、高価でもないことから欧米に広く普及した。更に、装置としてのヘリオスタットを発展させたのが、フランスの物理学者レオン・フーコーで、堅牢で物理的に無理がなく、鏡も大きく、調整が容易なものを開発した。その後も、アイルランドの物理学者ジョージ・ジョンストン・ストーニーや、ドイツの技術者ルドルフ・フースが、小型簡便なヘリオスタットの高性能化を行い、ある程度普及した[5]。

ヘリオスタットは、19世紀に入る頃から多く作られるようになり、電灯の実用化によって、明るい人工的な光源が容易に利用できるようになる1880年代まで、安定した明るい光を必要とする実験や機械、教材に、よく利用されていた。電灯が普及した後も、ヘリオスタットがすぐに廃れたわけではなく、19世紀後半に建設された多くの実験室や教室で、窓の外にヘリオスタットが設置されていた[5]。

「ヘリオスタット」という言葉はギリシア語で太陽を意味する“ήλιος” (helios) と、静止や固定を意味する“στατός” (statos) とに由来する[7]。この名称は、ヘリオスタットの発明者であるス・グラーフェサンデが考案したものである[8]。同種の装置には、ヘリオスタットの他にシデロスタット或いはサイデロスタット、シーロスタット、ウラノスタットといった名称のものがあるが、いずれもヘリオスタットのうち特定の設計のものを指すとされる[6]。

シデロスタット[1]

シデロスタットは、19世紀中頃にフーコーが開発したものがそう呼ばれた。フーコーが残した論文中に、自身が設計したヘリオスタットの見取り図と、「シデロスタット」という名称の記述があったことが由来である[11]。フーコーのシデロスタットの設計は、反射効率を最大化すると共に、堅牢さによって大型化への道を拓くもので、天文学の観測用途でも使用された[6][注 1]。シデロスタットの「シデロ」は、ラテン語で「星」を意味する“sidus”に由来する[15]。現在では、恒星時に合わせて回転するヘリオスタットをシデロスタットと呼ぶ場合もある[6][15]。

シーロスタットは、ヘリオスタットの中で、平面鏡を含む平面と、地球の自転軸と平行な軸（極軸）及び鏡の回転軸が平行で、かつ回転軸が1太陽日に1/2回転するものを指す。この設計だと、ヘリオスタットでは一般に回転してしまう反射光の視野／像の向きが、回転しない。シーロスタットは、1895年にガブリエル・リップマンが発表したことが始まりで普及した[11][6]。それ以前の1839年に、ドイツのエルンスト・ファーディナント・アウグストが設計していたが普及せず、リップマンのものはその再発明といわれる[5][16][6]。シーロスタットの「シーロ」はラテン語で「空」を意味する“coelum”に由来する[17]。

ウラノスタットは、ヘリオスタットのうち、平面鏡を直交する2本の軸で回転させる装置の一般的な呼び名とされる。ウラノスタットの「ウラノ」は、ギリシア語で「天」を意味する“οὐρανός” (ouranos) に由来する[16][6]。

ヘリオスタットという名称に対しては、批判もある。ヘリオスタット一般は、時間とともに視野が回転するので、厳密には静止／固定していない。その点、恒星は点光源で、光軸上にあれば動かないとみなせるので、シデロスタットの方が呼び方として適切だ、とするものである[11]。しかし、発明者であるス・グラーフェサンデが、ヘリオスタットという名称を採用していたこと、また、この装置は発明後長年にわたり、最も優れた光源である太陽光を利用するために専ら使われてきた、という歴史的経緯により、装置の総称としてヘリオスタットが定着している[11][6]。

ブリタニカ百科事典第11版におけるヘリオスタットの項の図1[7]。

ヘリオスタットの原理は全て、鏡の反射において入射角と反射角が等しいという反射の法則に基いている。反射の法則を読み換えると、平面鏡に反射される光の進路は、入射光の進路と鏡の法線とが作る平面に含まれ、入射光の進路と反射光の進路がなす角は、鏡の法線によって二等分される。この原理を応用し、光源（太陽）の向きと、光を反射させたい方向がなす角を、鏡の法線が常に二等分するように鏡を配置すれば、反射光の進路を一定に保つことができる。これが、ヘリオスタットの基本原理である[5][11]。

具体的な機構としては、ブリタニカ百科事典第11版の「ヘリオスタット」の項にある挿絵の図1、棹DBCと棹DEで支持する平面鏡Xを、直線ABを軸に回転させる、という構成の場合を例にとれば、

• ABを極軸に合わせる
• 直線DBCを入射光（太陽）の向きと等しくなるよう角度を調節する
• ABCが作る平面の向きを光源（太陽）の赤経に合わせる
• 軸ABを24時間で1回転する速さで回転させる

以上によって、光源（太陽）を追尾することができる。そして、直線CEが鏡Xの反射面の法線となり、且つ、線分BEの長さが線分BCの長さと等しくなるように、棹DBCと棹DEを調節すると、光の反射方向はBEと平行となり、この向きは時間が経っても変化しなくなる[7][11]。

原理さえ満たせばヘリオスタットは作れるので、その設計には無数の変形が考えられる。しかし、実際に装置として製作されるものは、特に科学的な観測や実験用途では、最も簡潔な極軸ヘリオスタットか、視野が回転しないシーロスタットが選択されている[6][11]。

シーロスタット

二枚鏡シーロスタット

シーロスタットは、反射面が極軸と平行になっている平面鏡を、極軸の周りに日周運動の半分の角速度で回転（48時間で1回転）させる種類のヘリオスタットで、この仕組みにすると像が回転することがなくなる[11][18]。一方で、平面鏡の赤緯方向の角度は変えることができないので、一枚鏡の装置の場合、反射光の受光部分の位置や向きが調節できる必要がある。そこで、一般的なシーロスタットは、極軸に平行な一次平面鏡と、一次平面鏡が反射した光を使用者に都合が良い方向へ誘導する二次平面鏡、二枚の平面鏡を組み合わせて使用する。今日では、二枚鏡のヘリオスタットのことがシーロスタットと呼ばれることもしばしばである[6]。

ヘリオスタットは、太陽光が最良の光源であった時代には、顕微鏡や写真機、分光法、光の性質を調べる物理実験などの光源として活用されていた[5]。特に重要な応用方法の一つが、固定望遠鏡への光の導入である[7]。フーコーのシデロスタットでは、様々な天体の観測が想定されていたが、実際にはほぼ太陽観測にのみ用いられている[6]。他に、現代的な応用方法として、建築における採光手段の一つ、或いは、多数のヘリオスタットで反射した太陽光を特定の位置に集めて、太陽炉や集光型太陽熱発電に利用する、といった用途がある[21][22][3]。

採光

ヴィガネッラの鏡

シドニーのワン・セントラル・パーク。左の低層棟の屋上にあるヘリオスタットが反射した光を、右の高層棟から張り出したカンチレバー下の鏡が反射して、下層へ光を照射する[31]。

ヘリオスタットを採光へ利用することは、環境への負荷が小さい先進的な照明方法として着目されている。ヘリオスタットによる採光機構は、初期の設備投資が高額で、運用も単純ではなく、再分配をどのようにするかなど課題もあるが、競合する他の先進技術と比べて乗り越えなければならない障壁は低く、いくつかの商業建築物で既に活用されていたり、家庭用機器が販売されていたりする[21]。

イタリアのヴィガネッラや、ノルウェーのリューカンでは、周囲の山に遮られて冬場に日照がなくなってしまう問題に、ヘリオスタットで太陽光を反射して地上を照らすことで対策している[32][33][34]。建築物で有名な例としては、ヘリオスタットで建物内に太陽光を導入しているマサチューセッツ州ケンブリッジのジェンザイム・センターや、ヘリオスタットを利用して2棟のビル間の日影部分に日光を照射するシドニーのワン・セントラル・パークなどがある[32][31]。

太陽炉

詳細は「太陽炉」を参照

フランスのオデイヨにあるメガワット太陽炉。集光部の温度は摂氏3,500度になる[35]。

太陽炉は、レンズや凹面鏡で太陽光を集中させて高温を得ようとする装置のことである。レンズで太陽光を集める太陽炉は、18世紀にフランスの化学者アントワーヌ・ラヴォアジエが実現させていたとされる。凹面鏡で太陽光を集める太陽炉は、20世紀前半につくられるようになり、凹面鏡と炉を固定して、ヘリオスタットで太陽光を送り込む太陽炉も1933年には製作されていた。20世紀後半になると、高温部分を大きくとれる大型炉の建設が進み、大型炉の殆どは、光軸を水平にして凹面鏡を固定し、ヘリオスタットで太陽光を凹面鏡に送り込む方式を採用している。高性能の太陽炉では、最高到達温度が4,000ケルビンに及ぶものもあり、高温物性の研究や高温材料の開発に利用されている[22][36]

大型太陽炉の中でも最大級のものが、フランス国立科学研究センターのPROMES (PROcédés, Matériaux et Energie Solaire) 研究所がオデイヨに持つメガワット太陽炉で、63機のヘリオスタットで、1,830平方メートルに及ぶ放物面鏡に太陽光を送り、熱出力は1メガワットに到達、1メートル大の面を摂氏3,500度まで加熱できる[35][37]。

• 久保田諄「顕微鏡と望遠鏡の源流を訪ねて」（PDF）『大阪経大論集』第53巻第5号、21-37頁、2003年1月。http://www.osaka-ue.ac.jp/file/general/5325。

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• 緑の建築

• “Héliostat de Silbermann” (フランス語). Ressources numériques en histoire de l'éducation. Centre National de la Recherche Scientifique. 2020年2月27日閲覧。
• “Heliostat”. Equipment Gesellschaft für Intern. Elektronik Systeme GmbH. 2020年2月27日閲覧。
• “Heliostat”. National Museum of American History. Smithonian Institute. 2020年3月12日閲覧。
• Stine, William B.; Geyer, Michael, Power From The Sun, http://powerfromthesun.net/index.html 2020年3月12日閲覧。
• “Red Rock Energy Heliostats”. 2020年3月16日閲覧。