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Eine Darstellung, wie ein Weltraum-Solarkraftwerk aussehen könnte.(Bildnachweis: ESA)Springe zu:

• 2040er-2050er Jahre: Weltraum-Solarfarmen
• Zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts: Weltraumfahrstühle
• 2030s: Atomenergie auf dem Mond
• 2070er-2120er Jahre: Interstellare Reisen

Die diesjährige Weltraumwoche, die vom 4. bis 10. Oktober stattfindet, feiert, wie die Weltraumtechnologie uns bei unserem Kampf gegen den Klimawandel auf der Erde hilft – aber manchmal lohnt es sich auch, nach außen zu schauen, was die Technologie uns bieten kann, wenn wir in den Weltraum expandieren, um die Energie und die Welten, die dort draußen liegen, zu nutzen.

Hier stellen wir vier Technologien vor, gehen auf die Herausforderungen ein, die sie mit sich bringen, und geben einen Hinweis darauf, wann sie zum Einsatz kommen könnten – wenn überhaupt. Die Zeitschätzungen sind nicht unbedingt eine Vorhersage, wann sie eintreten könnten, sondern sollen eine grobe Vorstellung davon vermitteln, wie viel Arbeit noch an ihnen zu leisten ist.

2040er-2050er Jahre: Weltraum-Solarfarmen

Die Solarenergie liefert derzeit etwas mehr als 5 % der gesamten Stromversorgung der Welt, aber wir können noch viel mehr erreichen.

Der beste Ort, um die Energie der Sonne zu spüren, ist der Weltraum, ohne Wolken, die die Sicht versperren, oder eine Atmosphäre, die die Strahlen unseres Sterns absorbiert. Eine riesige Anordnung von Sonnenkollektoren hätte daher einen ungehinderten Blick auf die Sonne, aber der knifflige Teil dieser Idee besteht darin, eine solche weltraumgestützte Anordnung überhaupt erst einmal zu bauen. Und selbst wenn uns das irgendwie gelingen sollte, wie würden wir die gewonnene Sonnenenergie zur Erde bringen?

Im Vergleich zu den meisten Technologien auf dieser Liste ist die Energieübertragung aus dem Weltraum der Entwicklung sogar voraus. Im Januar 2023 startete der vom Caltech gebaute Space Solar Power Demonstrator in die Erdumlaufbahn. An Bord befand sich ein Instrument namens MAPLE, das Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment. MAPLE wandelte erfolgreich Sonnenenergie in Mikrowellen um und strahlte die Mikrowellen dann zu einer Empfangsstation am Caltech, wo sie in Strom umgewandelt wurden. Es handelte sich um eine ziemlich geringe Energiemenge – nur Milliwatt – aber es war ein aufregender Beweis für das Konzept.

Ein künstlerischer Eindruck davon, wie das Weltraum-Solarenergiesystem der JAXA aussehen könnte, wenn es mittels Laserübertragung Sonnenenergie auf die Erde übertragen würde. (Bildnachweis: JAXA)

Die japanische Raumfahrtbehörde JAXA erforscht nun in Zusammenarbeit mit kommerziellen Interessen ihr eigenes Programm, das, so hofft die Behörde, in einer Solarfarm gipfeln soll, die in der Lage ist, ein Gigawatt Energie zu erzeugen und auf die Erde zu strahlen. Der Bau einer Solarfarm ist jedoch nicht einfach.

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Ein Solarmodul im Weltraum, oberhalb der absorbierenden Wirkung der Atmosphäre, empfängt etwa ein Kilowatt Energie pro Quadratmeter (10 Quadratfuß) der Sonne. Solarmodule sind jedoch nicht zu 100 % effizient; derzeit erhältliche kommerzielle Modelle haben einen Wirkungsgrad von nur 30 %, was bedeutet, dass ein Solarmodul im Weltraum realistischerweise nur 300 Watt pro Quadratmeter erzeugen kann. Um dies auf die Erzeugung von 1 Gigawatt Energie zu steigern, was dem Äquivalent eines Kernkraftwerks auf der Erde entspräche, wäre eine riesige Anordnung von Solarzellen mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern und einer Masse von 10.000 Tonnen erforderlich. Vergleicht man dies mit der Internationalen Raumstation, die eine Masse von 419 Tonnen hat, wird deutlich, was für eine gewaltige technische Aufgabe dies wäre.

Angenommen, eine Solarfarm könnte im Weltraum gebaut werden, dann würde sie in einer geosynchronen Umlaufbahn, 35.786 km (22.236 Meilen) über der Erde, platziert werden. Die Herausforderung bestünde dann darin, den Mikrowellenstrahl schmal und zielgenau zu halten – man möchte ja nicht, dass der Mikrowellenstrahl abschweift und versehentlich etwas brät. Obwohl Laser anstelle von Mikrowellen einfacher zu lenken wären, kann Laserenergie von Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert oder von Wolken blockiert werden, während Mikrowellen diese ungehindert durchdringen.

Laser könnten sich jedoch besser für die Energieübertragung von Raum zu Raum eignen. Dies könnte zum Beispiel die Lebensdauer von Satelliten verlängern, aber sie müssten mit einer Art Empfänger ausgestattet sein, der den eintreffenden Laserstrahl aufnimmt. Wir könnten uns auch ein Netzwerk von Solarfarmen und Relaissatelliten rund um den Mond vorstellen, die den Strom per Laser zu einer Mondbasis auf der Oberfläche leiten.

Zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts: Weltraumfahrstühle

Dies ist ein altes Science-Fiction-Konzept, das erstmals vom russischen Wissenschaftler Konstantin Ziolkowski erdacht wurde – warum nicht in einer Aufzugskabine in den Weltraum fahren, anstatt in einer Rakete auf einer gefährlichen Flammensäule zu starten?

Die Grundkonstruktion eines Weltraumfahrstuhls klingt einfach. Ein dickes Kabel erstreckt sich von einem Ort innerhalb von 10 Grad des Erdäquators hinauf in den Weltraum. Die Kräfte, die auf das Kabel einwirken, wären heftig: Die Schwerkraft der Erde versucht, es nach unten zu ziehen, und die Zentrifugalkraft auf eine Masse am Ende des Kabels in der Erdumlaufbahn zieht es in die andere Richtung und hält es straff. Die Belastungen und Spannungen dieses Kabels wären jedoch so groß, dass es aus einem Material bestehen müsste, das 50 Mal stärker als Stahl ist. Das einzige Material, das stark genug ist, sind Kohlenstoff-Nanoröhren, die durch chemische Gasphasenabscheidung „gezüchtet“ werden. Das Problem ist, dass Kohlenstoff-Nanoröhren, wie der Name schon sagt, klein sind und die längsten gezüchteten Röhren etwa 14 Zentimeter lang sind – das ist ein großer Unterschied zur Länge eines Weltraumfahrstuhls von 100.000 Kilometern (62.000 Meilen)

Angenommen, es wird ein Weg gefunden, längere Nanoröhren herzustellen und sie in Massen zu produzieren. Sobald wir die Materialien haben, glaubt Stephen Cohen vom Vanier College in Quebec, Kanada, Autor von „Getting Physics: Nature’s Laws as a Guide to Life“ und Experte für das Design von Weltraumaufzügen, glaubt, dass die anschließende Designphase fünf bis zehn Jahre dauern würde, parallel zur Reifung des Kabelmaterials.

Eine künstlerische Illustration einer Weltraumaufzugsknotenpunktstation im Weltraum, während eine Transportkabine die Strecke zur Orbitalplattform hinauffährt. Sonnenkollektoren in der Nähe liefern Strom. (Bildnachweis: Obayashi Corp.)

„Das Kabel würde von der Erdumlaufbahn aus aufgerollt und schließlich am Erdhafen befestigt werden“, so Cohen gegenüber kosmischeweiten.de. „Das Schiff, das es abwickelt, würde Treibstoff verbrauchen, um an Höhe zu gewinnen, und dann in etwa 100.000 Kilometer Entfernung den Anker setzen. Alternativ transportiert ein separates Schiff den Kabelabschnitt über die geosynchrone Umlaufbahn, während das ursprüngliche Schiff die Rolle eines Geoports übernimmt, der die eigentliche Bodenzentrale für den langfristigen Betrieb ist. Dieser Verlegungsprozess könnte leicht ein Jahr dauern.“

Während wir auf die Kohlenstoff-Nanoröhrchen warten, glauben Zephyr Penotre von der University of Cambridge in Großbritannien und Emily Sandford von der Columbia University in New York, dass wir mit der heutigen Technologie einen Weltraumaufzug vom Mond aus bauen könnten. Da sich der Mond langsamer dreht und die Schwerkraft geringer ist, wäre die Spannung eines Mondaufzugs nicht so groß wie die eines Aufzugs von der Erde aus, und Kohlenstoffpolymere wie Zylon würden den Zweck erfüllen.

Penoyre und Sandford nennen ihr Konzept eine „Weltraumlinie“. Während ein Aufzug von der Erde aus ziemlich klobig wäre und vielleicht mehrere Aufzugskabinen gleichzeitig nach oben und unten befördern würde, wäre die Space-Line ein dünner Draht mit einer Gesamtmasse von 40 Tonnen. Auf der Mondoberfläche verankert, würde es in Richtung Erde baumeln und irgendwo in der geosynchronen Umlaufbahn stoppen. Sie würde also die Erde nicht berühren und auch nicht der zerstörerischen Spannung ausgesetzt, die damit verbunden wäre.

Die Idee ist, dass eine Mission zum Mond in eine geosynchrone Umlaufbahn startet, ein Rendezvous mit der Space-Line hat und den Rest des Weges zum Mond oder zu einer Basis am Erd-Mond-Lagrange-Punkt zurücklegt, wo sich die Schwerkraft von Erde und Mond ausgleicht. Damit ließe sich die Treibstoffmenge, die für die Reise zum Mond benötigt wird, um ein Drittel reduzieren; eine Mission müsste zwar immer noch aus der Erdschwerkraft heraus starten, aber die Raumfahrtlinie wäre solarbetrieben.

Penoyre und Sandford schätzen, dass ein Prototyp Milliarden von Dollar kosten würde, aber auf lange Sicht würde er Geld sparen, wenn wir den Mond dauerhaft besiedeln wollen.

Cohen blickt sogar noch weiter in die Ferne, zum Mars. „Ich denke, dass eine erste Marsmission mit Menschen dem Bau eines Weltraumlifts vorausgeht, aber ich würde argumentieren, dass eine nachhaltige Besiedlung des Mars ohne eine Infrastruktur wie den Weltraumlift nicht möglich ist“, sagte er. „Daher sollten die Planungs- und Bauphasen des Weltraumlifts wahrscheinlich mit den ersten Menschen auf dem Mars zusammenfallen.“

Gegenwärtig gibt es keine konkreten Pläne für die Reise von Menschen zum Mars. Vieles könnte davon abhängen, wie sich das Artemis-Mondprogramm der NASA entwickelt. Wenn in den 2030er Jahren eine Mondbasis gebaut und bemannt werden kann, können die Astronauten die Fähigkeiten erlernen, die sie zum Überleben auf dem Roten Planeten brauchen, aber zuerst müssen wir lernen, wie man auf dem Mond lebt. Und dafür brauchen wir Energie, wie wir gleich sehen werden.

2030s: Atomenergie auf dem Mond

Der Mond ist an die Erde gekoppelt, was bedeutet, dass wir immer dasselbe Gesicht sehen, den bekannten „Mann im Mond“. Man sollte jedoch nicht glauben, dass sich der Mond nicht dreht – er tut es, und zwar mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der er sich um die Erde dreht, weshalb er uns immer dasselbe Gesicht zuwendet. Es dauert etwas mehr als 27 Tage – etwa vier Wochen – um sich einmal zu drehen, was bedeutet, dass (fast) überall auf dem Mond zwei Wochen lang Tag und zwei Wochen lang Nacht ist. Eine Ausnahme bilden einige Gebiete in der Nähe der Pole, in denen 80 % des Tageslichts herrscht. Eine solarbetriebene Mondbasis würde jedoch 100 % Tageslicht benötigen, so dass eine alternative Energiequelle erforderlich ist.

Nationen und Raumfahrtagenturen auf der ganzen Welt liefern sich derzeit ein Rennen um die Entwicklung der ersten Kernspaltungsreaktoren für den Mond. Im Februar wählten die NASA und das US-Energieministerium drei Vorschläge für einen Spaltreaktor aus, der auf einer künftigen Artemis-Mission eingesetzt werden soll. Der Reaktor soll 40 Kilowatt für mindestens 10 Jahre auf der Mondoberfläche produzieren.

Inzwischen haben die Russen und die Chinesen angekündigt, dass sie gemeinsam eine internationale Mondforschungsstation mit einem Kernreaktor planen, die zwischen 2033 und 2035 starten soll. Sie geben jedoch zu, dass sie noch keine Lösung für die Kühlung des Reaktors gefunden haben.

„Das Hauptproblem ist, was man mit der ganzen Abwärme machen soll, da es auf dem Mond keine Luft gibt, die sie ableiten könnte“, sagte Simon Middleburgh vom Nuclear Futures Institute an der Bangor University in Wales gegenüber kosmischeweiten.de.

Middleburgh arbeitet mit der britischen Raumfahrtbehörde und Rolls-Royce an der Entwicklung eines Kernspaltungsreaktors, der bei einer künftigen Mission zum Mond fliegen könnte. Rolls-Royce verfügt über beträchtliche Erfahrung im Umgang mit Kernreaktoren, da sie die britischen Atom-U-Boote damit ausstatten.

„Das Ziel für die Reaktorleistung wäre eine Größenordnung von 100-300 Kilowatt in kombinierter Wärme- und Stromleistung – beides wäre dort oben [auf dem Mond] äußerst nützlich“, sagte Middleburgh. „Das ist eine enorme Energiemenge im Vergleich zu früheren Missionen, und wenn der Standort [für eine Mondbasis] wächst, werden wir vielleicht ein zweites oder drittes System bauen wollen, das ebenfalls die Energieversorgung sicherstellt. Aber wir werden in nächster Zeit keine 100-Megawatt-Anlagen bauen.“

2070er-2120er Jahre: Interstellare Reisen

Neun Jahre hat die schnellste Raumfahrtmission aller Zeiten, New Horizons der NASA, gebraucht, um Pluto in einer Entfernung von 34 Astronomischen Einheiten (AE) von der Sonne zu erreichen. Zum Vergleich: Eine Astronomische Einheit ist der durchschnittliche Abstand zwischen der Erde und der Sonne. Der sonnennächste Stern ist Proxima Centauri. Er ist 268.779 AE (4,2 Lichtjahre) von der Sonne entfernt. Nach dem Vorbeiflug an Pluto erreichte New Horizons eine Geschwindigkeit von 84.000 km pro Stunde, und es würde etwa 80.000 Jahre dauern, um die Entfernung von Proxima Centauri zu erreichen.

Es ist klar, dass wir einen schnelleren Weg finden müssen, wenn wir jemals zwischen den Sternen reisen wollen, aber es gibt Leute, die an diesem Problem arbeiten. In den 1970er Jahren entwickelten Mitglieder der British Interplanetary Society das Projekt Daedalus, ein zweistufiges Raumschiff mit Kernfusion, das ohne Besatzung 12 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen sollte.

Im Jahr 2016 initiierte die Breakthrough Foundation das Projekt Starshot, dessen Konzept darin besteht, eine Flotte winziger Raumschiffe, StarChips genannt, anzutreiben, die an Lichtsegeln befestigt sind und durch leistungsstarke Laser auf bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Sie würden Proxima in Jahrzehnten statt in Jahrhunderten erreichen. Es gibt nur ein Problem: Die Laserenergieleistung muss bis zu 100 Gigawatt betragen – das entspricht der Leistung von 100 Kernkraftwerken.

Um dieses Problem zu lösen, könnten wir futuristische Technologien kombinieren – die Solarparks, die im Orbit gebaut werden könnten, um die Sonnenenergie zu nutzen, könnten stattdessen für den Betrieb der Laser verwendet werden. Das ist alles Technologie, die wir heute haben, aber in einer Größenordnung, die weit über das hinausgeht, was wir derzeit haben. Die Sterne sind da und warten auf uns – aber es scheint, als müssten sie noch ein wenig länger warten.

Im Moment haben wir nur die Erde.

Dieser Artikel ist Teil einer speziellen Serie von kosmischeweiten.de zu Ehren der Weltraumwoche 2024, die vom 4. bis 10. Oktober stattfindet. Jeden Tag gibt es einen neuen Beitrag über die Zusammenhänge zwischen Weltraumtechnologie und Klimawandel.