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Die SOLARIS-Initiative bereitet Europa darauf vor, künftige Entscheidungen über die Aussicht auf weltraumgestützte Solarenergie zu treffen.(Bildnachweis: ESA/A. Treuer)

Der Gedanke, die energiehungrige Erde vom Weltraum aus mit Energie zu versorgen, wird seit langem untersucht. Erstmals wurde er vor über 80 Jahren in der Science-Fiction vorgeschlagen.

„Es war still im Offiziersraum der Solarstation Nr. 5 – bis auf das leise Schnurren des mächtigen Beam Directors irgendwo weit unten“, schrieb der bekannte Autor Isaac Asimov in seiner im April 1941 in der Zeitschrift „Astounding Science Fiction“ erschienenen Geschichte „Reason“.

Asimov ließ seine Figuren eine Sonnenenergie-Sammelstation im Weltraum betreuen, die Energiestrahlen zu Empfängern auf der Erde und dem Mars leitete. Im 21. Jahrhundert scheinen Untersuchungen auf der Erde und im Weltraum das Konzept zu stützen. Dennoch wird das Beamen von Solarenergie aus dem Weltraum von einigen als eine wirklich weit entfernte und abgehobene Technologie angesehen, ein wirtschaftlich zweifelhaftes Konzept, das sich aber gut für Science Fiction eignet. kosmischeweiten.de hat sich mit mehreren Technologen in Verbindung gesetzt, um zu erfahren, was neu ist, was alt ist und was noch fehlt, wenn es um die Übertragung von Energie aus dem Weltraum zur Erde geht.

Trio der Technologien

Caltech’s Space Solar Power Project (SSPP) wird von einigen als Hoffnungsschimmer für diese Technologie gesehen.

Über ein Jahr ist vergangen, seit die SSPP-Demonstratortechnologie in den Testbereich der Erdumlaufbahn gebracht wurde. In der Erdumlaufbahn erprobte das SSPD-1-Raumschiff drei technologische Innovationen, die dazu beitragen sollten, die Solarenergie im Weltraum näher an die Realität heranzuführen. Diese waren:

• DOLCE: A Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment, um ein neuartiges Verpackungsschema und den Einsatz zu demonstrieren.
• ALBA: 32 verschiedene Arten von Photovoltaik (PV)-Zellen, um zu beurteilen, wie sie der rauen Weltraumumgebung standhalten.
• MAPLE: Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment, das auf kundenspezifischen integrierten Schaltkreisen mit präziser Zeitsteuerung basiert, um die Energie selektiv auf zwei verschiedene Empfänger zu fokussieren, um die drahtlose Energieübertragung über eine Entfernung im Weltraum zu demonstrieren.

Isaac Asimov sah in seiner Geschichte „Reason“ vom April 1941 energiestrahlende Kraftwerke im Weltraum voraus. (Bildnachweis: Rey Isip, mit freundlicher Genehmigung des Projekts Luminist Archives/READITFREE.ORG)

Take it to the limit

„Viele Dinge haben funktioniert, und die Dinge, die gut funktionierten, haben wir so lange vorangetrieben, bis sie nicht mehr funktionierten“, sagte Ali Hajimiri, Co-Direktor des Caltech Space-Based Solar Power Project.

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Hajimiri hat sich auf integrierte Schaltungen und ihre Anwendungen in verschiedenen Disziplinen wie Biotechnologie, Kommunikation und Sensorik konzentriert, die einen breiten Frequenzbereich von Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzschaltungen bis hin zu hochpräzisen Niederfrequenzschaltungen abdecken.

Ja, so Hajimiri, während der neunmonatigen SSPD-1-Mission gab es Pannen. „Wir hatten eine buchstäbliche Panne bei der Inbetriebnahme, aber das Team hat sie behoben. Auch bei der drahtlosen Energieübertragung gab es alle möglichen Situationen. Dann haben wir das System gegen Ende der Mission stark beansprucht – bis zu dem Punkt, an dem wir versucht haben, aktiv Schäden zu verursachen.

Rooftop Realisierung

Ali Hajimiri, Co-Direktor des Caltech Space-Based Solar Power Project. (Bildnachweis: Caltech/Francesca Forquet)

Am 22. Mai 2023 schlug die Ausbeute von SSPD-1 buchstäblich auf dem Dach des Gordon and Betty Moore Laboratory of Engineering von Caltech ein. Nur 90 Sekunden lang strahlte die MAPLE-Hardware des Raumfahrzeugs Energie zur Erde, die im Weltraum geerntet wurde.

Hajimiri erklärt schnell, dass die auf dem Dach empfangene Energiemenge sehr gering war. Es ging vor allem um die Erkennung, sagte er, aber die eigentliche Begeisterung besteht darin, die bescheidene Menge der empfangenen Energie als einen kleinen Schritt für die Weltraumsolarenergie zu betrachten.

SSPD-1 wird demnächst außer Betrieb genommen und einem zerstörerischen Sturz in die Erdatmosphäre überlassen.

Die Aufmerksamkeit des Projekts richtet sich nun auf die Lösung von Problemen wie die Skalierung, die Ermöglichung eines autonomen Einsatzes und die Entwicklung leichterer Strukturen.

Unbekannte Unbekannte

„Es gibt eine Menge ‚unbekannter Unbekannter‘, die noch herausgefunden werden müssen“, so Hajimiri. In dieser Phase der Arbeit befasst sich das Team mit Herstellungsverfahren für gewebeartige, kostengünstige Arrays. Auch die zeitliche Synchronisation ist eine große Herausforderung, insbesondere bei einer flexiblen, schlaffen Struktur, die im Weltraum herumfliegt.

„Wir haben neue Denkansätze für dieses Problem entwickelt“, fügte Hajimiri hinzu, „Wege, auf denen ein Array seine eigene Form selbst bestimmen und durch seine Elektronik Korrekturen vornehmen kann.“

Selbst mit dem Status von SSPD-1 „auf Wiedersehen und so lange“ wurden eine Reihe von wertvollen Meilensteinen erreicht, so Hajimiri. „Die größte Herausforderung besteht darin, das Bewusstsein zu schärfen und deutlich zu machen, dass das, was wir getan haben, echt ist.“

Skalierbare Lösung

Weltraumbasiertes Photovoltaik-/Weltraum-Solarenergiekonzept, SPS-ALPHA, wie von John Mankins für das NASA-Programm Innovative Advanced Concepts (NIAC) geplant. (Bildnachweis: Mark Elwood/ SpaceWorks Enterprises)

Nach Ansicht von Virtus Solis Technologies Inc. mit Sitz in Troy, Michigan, gibt es keine andere saubere, feste und planbare Energietechnologie als die weltraumgestützte Solarenergie (SBSP).

John Bucknell ist der CEO und Gründer des Unternehmens. „Diejenigen von uns, die alle realisierbaren Energietechnologien verglichen haben, wissen, dass eine skalierbare Lösung eine geringe Komplexität, eine geringe Mineralienintensität und die Möglichkeit der Massenproduktion aufweisen muss und in der Lage sein muss, zuverlässige, sichere und kostengünstige elektrische Energie zu liefern, wie es fossile Brennstoffe in den letzten 200 Jahren getan haben“, sagte er.

Bucknell und Kollegen entwerfen ein SBSP-System, das all diese Kriterien erfüllt – eine Konstellation von 16 Arrays im Weltraum, die jeweils 20 Gigawatt Leistung liefern. Insgesamt können 320 Gigawatt an jeden beliebigen Ort der Erde geliefert werden, so Bucknell, ein System, das noch viel größer werden kann.

„Mit einem jährlichen Kapazitätswachstum von 50 Prozent könnte SBSP in 30 Jahren eine Leistung von 100 Terawatt erreichen und den Bedarf eines Planeten mit 10 Milliarden Einwohnern decken“, so Bucknell.

Trenner

„Es besteht immer noch eine Diskrepanz zwischen akademischen Studien und Studien über die Herstellungskosten in der Luft- und Raumfahrtindustrie und dem, was die Privatindustrie erreichen kann“, meint Bucknell. „Daher erscheint unsere Prognose von 200 Millionen Dollar für den Abschluss der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und die Errichtung einer funktionierenden Pilotanlage im Orbit unglaublich.“

Für Bucknells Geld und auch für die Investoren ist es eher die Energieindustrie, die diese Optionen hören und verstehen muss, so sein Vorschlag, als die Raumfahrtindustrie.

„SBSP klingt immer noch wie Science-Fiction, weil sie nicht wissen, dass die zugrunde liegenden Technologien alle ausgereift sind und nur noch einen kommerziellen Weltraumstart brauchen, um sie zu verwirklichen. Virtus Solis war das erste Unternehmen, das sich dieser Möglichkeit annahm“, sagte Bucknell, „es wurde von Grund auf auf ein Kostenziel hin entwickelt, um den globalen Energiemarkt zu bedienen.

Investoren wollen sehen, dass es kein Risiko für die Einnahmen gibt, bemerkte Bucknell. „Eine Orbitaldemonstration bedeutet, dass man ein echtes Produkt hat, so dass das verbleibende Risiko im Zusammenhang mit der Montage im Orbit und der Energieübertragung demonstriert wurde und das Produkt dann skaliert werden kann.“

Nur Stehplätze

Ein führender Befürworter der Nutzung von Solarenergie aus dem Weltraum ist John Mankins von Artemis Innovation Management Solutions in Santa Maria, Kalifornien.

Mankins nahm im April an einer internationalen Konferenz über Solarenergie aus dem Weltraum teil, die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der britischen Weltraumagentur bei der Royal Aeronautical Society in London veranstaltet wurde.

„Es gab nur Stehplätze“, erinnert sich Mankins. „Fast keiner der 200 Teilnehmer war ein normaler Akteur, und das war eine große Abwechslung.“ Ob Forscher aus China, die an weltraumgestützter Kraftwerkstechnologie arbeiten, oder die europäische SOLARIS-Initiative. Auch im Vereinigten Königreich wird daran gearbeitet, ebenso wie in Japan und anderen Ländern, die sich mit der Energieübertragung befassen, sagte er.

Wiederverwendbare Bereitschaft

Mankins sagte, dass die Grundlagen für das Power Beaming immer wieder durch Experimente am Boden gelegt worden sind. „Meiner Meinung nach wurde die Funktion des Power-Beamings schon vor Jahrzehnten demonstriert“, sagte er, „und jetzt geht es darum, wie man wirklich große Systeme realisieren kann.“

Für jede Art von Megaprojekt im Weltraum scheint „die sichtbarste Hürde für die Solarenergie im Weltraum zu fallen“, riet Mankins, und das sind kostengünstige, wiederverwendbare Trägerraketen.

Wiederverwendbare Trägerraketen wurden von SpaceX und seinen Booster-Raketen der Falcon-Klasse und jetzt dem riesigen Starship-Flugprogramm angeführt. Auch die Trägerrakete New Glenn von Blue Origin steht kurz vor ihrem ersten Flug. Auch andere Nationen wie die ESA und China streben nach der Wiederverwendbarkeit ihrer Trägerraketen.

Einschalten

Allerdings gibt es in den nächsten Jahren noch einiges zu tun.

Mit Blick auf die Zukunft sagte Mankins, dass Demonstrationen auf Systemebene Fragen wie die Suche nach dem richtigen Design oder die Bestimmung der Skalierbarkeit und des Preises der Technologien angehen können. Für Raumfahrtingenieure ist es außerdem wichtig, sich mit den rasanten Entwicklungen in der Robotik auf der Erde zu befassen und sie auf die Konstruktion im Weltraum anzuwenden.

Außerdem muss die Energieübertragung aus dem Weltraum über das Caltech-Experiment mit Nanowatt pro Quadratzentimeter hinausgehen und auf Mikrowatt pro Quadratzentimeter ausgedehnt werden, rät Mankins.

„Aber in 2-3 Jahren wird die Leistung tausendmal höher sein. Es wird unglaubliche Fortschritte geben“, prophezeit Mankins, „dann sind die Kühe aus dem Stall.“