Eine künstlerische Darstellung eines weltraumgestützten Satelliten, der für das Beamen von Energie verwendet wird (Bildnachweis: NASA)
Solarbetriebene Laser, die mit der photosynthetischen Maschinerie von Bakterien arbeiten, könnten eines Tages ein einfaches und nachhaltiges Mittel zur Energieversorgung im Weltraum darstellen, das die üblichen schweren Linsen und komplexen elektronischen Geräte ersetzt, deren Start nicht sehr kosteneffizient ist.
„Unser Plan ist es, photosynthetische Strukturen zu verwenden, die aus Bakterien gewonnen werden, und die Idee ist, dass man sie züchten und ständig Material nachfüllen kann, ohne eine Versorgungsleitung von der Erde aufrechtzuerhalten“, sagte Erik Gauger, Professor für Photonik und Quantenwissenschaften an der Heriot Watt University in Edinburgh und Leiter des neuen Projekts, gegenüber kosmischeweiten.de.
Da die Zahl der Satelliten in der Umlaufbahn unseres Planeten immer weiter zunimmt, haben Wissenschaftler begonnen, sich mit der Frage zu beschäftigen, wie diese Satelliten langfristig mit Energie versorgt werden können. Mit besseren Stromversorgungsmechanismen können wir wahrscheinlich die Lebensdauer von Raumfahrzeugen verlängern. Eine mögliche Lösung ist das Beamen von Energie – mit Hilfe von Solaranlagen wird das Sonnenlicht in Laser oder Mikrowellen umgewandelt, die über einen Empfänger an der Seite des Satelliten auf den angeschlagenen Satelliten gestrahlt werden können, um ihn mit Energie zu versorgen.
Anfang 2023 werden die ersten Tests zur Energieübertragung aus dem Weltraum erfolgreich Mikrowellen mit geringer Leistung von nur wenigen Milliwatt vom Space Solar Power Demonstrator-Satelliten zu einer Bodenstation am Caltech übertragen. Im Jahr 2025 wollen japanische Forscher ein ähnliches Kunststück vollbringen.
Solarzellen sind jedoch groß und sperrig, und ihr komplexes Design und ihre Schaltkreise würden bedeuten, dass jede Solaranlage in der Umlaufbahn regelmäßig ausgetauscht oder repariert werden müsste. Es ist wahrscheinlich besser, eine nachhaltigere und autarke Methode zu finden, und die Forscher des APACE-Projekts glauben, dass sie eine Lösung haben. Mit diesem Projekt versuchen sie, die molekularen Strukturen, die Bakterien die Photosynthese ermöglichen, an ein Lasersystem anzupassen, das im Weltraum eingesetzt werden könnte.
„Unsere Schlüsselidee ist es, die konzentrierende Optik durch die photosynthetischen Antennenkomplexe zu ersetzen“, sagt Gauger.
APACE, an dem Forscher aus Großbritannien, Deutschland, Italien und Polen beteiligt sind, wird in Phase 1 vom Europäischen Innovationsrat und Innovate U.K. mit 476.000 Euro gefördert. Gauger, der Projektleiter von APACE, erklärte, was Phase 1 beinhaltet: „Im Moment versuchen wir, das Prinzip auf der Erde in unseren Labors zu erproben, und gegen Ende des Projekts werden wir es unter simulierten Weltraumbedingungen testen.“
Dabei würde das Team die molekularen Antennen extrahieren und mit ihnen experimentieren, um festzustellen, welche Bakterienarten die brauchbarsten Antennen für solarbetriebene Raumfahrzeuge produzieren. Die Forscher werden auch künstliche Antennenstrukturen im Nanobereich erforschen, um zu vergleichen, wie effizient und brauchbar sie im Vergleich zur organischen Variante sind.
Einige extremophile Bakterien sind beispielsweise in der Lage, unter sehr schwachen Lichtbedingungen zu gedeihen, da sie molekulare Antennen besitzen, die praktisch jedes Photon, das auf sie fällt, absorbieren und die Energie dorthin leiten können, wo sie in der Zellbiologie des Bakteriums benötigt wird.
Im Rahmen des APACE-Projekts sollen solche Bakterien angepasst, ihre Antennen entnommen und zur Absorption von Sonnenlicht verwendet werden. Die Sonnenenergie würde dann in den Lasermechanismus umgeleitet werden. Laser funktionieren mit Hilfe eines „Verstärkungsmediums“ im Inneren des Laserhohlraums. Wenn Photonen mit dem Verstärkungsmedium interagieren, erzeugen sie weitere Photonen – die so genannte stimulierte Emission – und verstärken diese, bis genügend Photonen vorhanden sind, um einen intensiven und kohärenten Strahl zu erzeugen. Das Team erwägt die Verwendung von Neodym-Nanokristallen als Verstärkungsmedium, und das von den photosynthetisierenden Antennen der Bakterien gesammelte Sonnenlicht liefert die Photonen, die den Laser in Gang setzen und seine Aktivität aufrechterhalten.
Die Bakterien könnten im Weltraum gezüchtet werden, vielleicht auf der Internationalen Raumstation oder auf einem Satelliten, so dass keine ständigen Starts von der Erde erforderlich wären, um alte Solaranlagen zu warten und zu ersetzen.
Der Start eines Prototyps in den Weltraum würde jedoch, wie Gauger sagte, sehr viel mehr Geld erfordern und vom Erfolg der Phase 1 abhängen.
Zum jetzigen Zeitpunkt liegen die Vorteile einer erfolgreichen Version des Prototyps nicht unbedingt in der Effizienz, auch wenn dies später der Fall sein könnte. Ein typisches Solarmodul auf Siliziumbasis wandelt Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von etwa 30 % in Strom um und erzeugt einige hundert Watt pro Quadratmeter. Die Bakterien, von denen die photosynthetischen Antennen abgeleitet sind, haben zwar einen Wirkungsgrad von nahezu 100 %, aber die organischen Solarzellen, die im Rahmen des APACE-Projekts entwickelt werden, können nur 10-15 % des Sonnenlichts in Strom umwandeln.
Das ist zwar viel schlechter als das, was die Natur macht, aber „vielleicht ist das nicht überraschend, da die Evolution es über eine lange Zeit optimiert hat“, sagt Gauger. „Wir wissen nicht genau, warum die Photosynthese so effizient ist, wie sie ist, und wir sind nicht so gut darin, Energie auf molekularer Ebene mit künstlichen Strukturen zu bewegen, und unsere Materialien sind nicht so stark absorbierend.“
Abgesehen von den Einschränkungen wird APACE dennoch bedeutende Fortschritte bringen. „Es handelt sich um eine ganz andere Architektur“, so Gauger. Bei einer typischen Solarzelle auf Siliziumbasis wird die Energie zwar gesammelt, aber dann muss sie mit Hilfe elektronischer Komponenten in etwas Brauchbares umgewandelt werden. „In unserem Fall versuchen wir, dies ohne irgendetwas Elektrisches zu tun – ohne eine Batterie, ohne Schaltkreise. Der biologische, photosynthetisierende Apparat wandelt das Sonnenlicht automatisch in einen Laser um, ohne all diese Maschinen zu benötigen.
Und es sollte nicht unerwähnt bleiben, dass das Potenzial dieser Technologie noch lange nicht ausgeschöpft ist. Sollte sie sich als erfolgreich erweisen, könnten die Kosten für das Power-Beaming sinken, da es sich um eine einfachere, autarke Technologie handelt, die keine häufigen Weltraumstarts mit schweren Nutzlasten erfordert. Es muss auch nicht bei der Energieversorgung von Satelliten in der Erdumlaufbahn bleiben, sondern könnte eines Tages auch für die Energieversorgung von Basen oder Fahrzeugen auf dem Mond oder Mars eingesetzt werden.
„Die Kapazität könnte im Weltraum erweitert werden, indem man mehr Bakterien züchtet und sie dort herstellt, anstatt sie auszuliefern“, so Gauger. „Einige der technischen Probleme liegen wahrscheinlich noch ein wenig in der Zukunft, aber das ist die langfristige Vision“.
