Weltraumgestützte Solarenergie: Könnte das Zurückstrahlen von Sonnenlicht zur Erde unseren Energiebedarf decken?

Der theoretische Physiker Freeman Dyson stellte sich einst eine außerirdische Zivilisation vor, die so weit fortgeschritten war, dass sie ihren Mutterstern mit einer riesigen künstlichen Hülle umgeben hatte. Die innere Oberfläche davon „Dyson-Kugel“ würde die Sonnenstrahlung einfangen und an Sammelstellen weiterleiten, wo sie in nutzbare Energie umgewandelt würde. Eine solche Vorstellung bleibt Science-Fiction, aber könnte ein ähnliches Prinzip in viel kleinerem Maßstab genutzt werden, um die Kraft unserer eigenen Sonne zu nutzen?

Schließlich gibt es jenseits der Wolken, in der nachtlosen Glut des erdnahen Weltraums, mehr ununterbrochene Sonnenenergie, als die Menschheit in den kommenden Jahrhunderten realistischerweise benötigen könnte. Aus diesem Grund hat eine Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren seit mehr als 50 Jahren Techniken entwickelt, um diese Energie im Weltraum einzufangen und zurück zur Erde zu leiten.

„Weltraumgestützte Solarenergie“, wie sie genannt wird, hat zwei große Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden zur Nutzung von Sonne und Wind. Erstens bedeutet die Stationierung eines Satelliten, der das Sonnenlicht einfängt, im Weltraum, dass wir keine riesigen Landstriche auf der Erde mit Sonnenkollektoren und Windparks bedecken müssten. Zweitens hätten wir eine ausreichende Energieversorgung, auch wenn es trotz der örtlichen Wetterbedingungen bewölkt ist oder der Wind nachgelassen hat.

Und das ist das Problem mit Solarenergie und Windkraft hier auf der Erde: Sie können unseren Energiebedarf niemals dauerhaft decken, selbst wenn sie stark ausgeweitet werden. Forscher der Universität Nottingham schätzten letztes Jahr, dass das Land mehr als 65 Terawattstunden Energie speichern müsste, wenn es vollständig auf diese erneuerbaren Energiequellen setzen würde. Das würde über 170 Milliarden Pfund kosten, mehr als doppelt so viel wie das künftige Hochgeschwindigkeitsbahnnetz des Landes (Energien 14 8524).

Die meisten Versuche, weltraumgestützte Solarenergie zu realisieren, stießen leider auf scheinbar unlösbare technische und wirtschaftliche Probleme. Aber die Zeiten ändern sich. Innovative Satellitendesigns sowie deutlich geringere Startkosten lassen weltraumgestützte Solarenergie plötzlich als realistische Lösung erscheinen. Japan hat es als nationales Ziel gesetzlich verankert, während die Europäische Weltraumorganisation hat einen Aufruf zur Einreichung von Ideen gestartet. China machen die USA sind beide Bautestanlagen.

Inzwischen ist auch eine Konsultation, die 2021 von der britischen Regierung veröffentlicht wurde kamen zu dem Schluss, dass weltraumgestützte Solarenergie technisch und wirtschaftlich machbar ist. Erstaunlicherweise ging man davon aus, dass diese technologische Lösung zehn Jahre vor dem „Netto-Null“-Ziel des Weltklimarats für 10 in die Praxis umgesetzt werden könnte. Ist weltraumgestützte Solarenergie also die Antwort auf die Probleme unseres Klimas? Und wenn ja, was hindert es daran, Wirklichkeit zu werden?

Weltraumträume

Das ursprüngliche Konzept der Solarenergie aus dem Weltraum wurde 1968 von Peter Glaser, einem US-Ingenieur beim Beratungsunternehmen Arthur D. Little, entwickelt. Er hatte vor, einen riesigen scheibenförmigen Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn etwa 36,000 km über der Erde zu platzieren (Wissenschaft 162 857). Der Satellit mit einem Durchmesser von etwa 6 km würde aus Photovoltaikpaneelen bestehen, um Sonnenlicht zu sammeln und in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Energie würde dann mit einem Röhrenverstärker in Mikrowellen umgewandelt und über einen Sender mit 2 km Durchmesser zur Erde gestrahlt.

Es ist die einzige Form grüner, erneuerbarer Energie, die das Potenzial hat, eine kontinuierliche Grundstromversorgung bereitzustellen.

Chris Rodenbeck, US Naval Research Laboratory

Das Schöne an Mikrowellen ist, dass sie hier auf der Erde nicht von den Wolken absorbiert werden und daher weitgehend (wenn auch nicht völlig) ungehindert durch unsere Atmosphäre dringen. Glaser stellte sich vor, dass sie von einer festen Antenne mit einem Durchmesser von 3 km gesammelt und in Strom für das Netz umgewandelt würden. „Obwohl der Einsatz von Satelliten zur Umwandlung von Sonnenenergie noch mehrere Jahrzehnte entfernt sein dürfte“, schrieb er, „ist es möglich, mehrere Aspekte der erforderlichen Technologie als Leitfaden für zukünftige Entwicklungen zu untersuchen.“

Die erste Reaktion war zumindest in einigen Bereichen positiv, und die NASA erteilte Glasers Firma Arthur D. Little einen Auftrag für weitere Studien. Im Laufe der Jahre reichten die Schlussfolgerungen nachfolgender Studien zur weltraumgestützten Solarenergie jedoch von vorsichtig positiv bis äußerlich negativ.

Im Jahr 2015 beispielsweise erhielt die Technologie nur ein verhaltenes Urteil in einem Bericht des Strategic Studies Institute (SSI) des US Army War College, in dem „keine zwingenden Beweise“ dafür angeführt wurden, dass Weltraum-Solarenergie mit der terrestrischen Stromerzeugung wirtschaftlich konkurrenzfähig sein könnte. Das SSI kritisierte insbesondere die „fragwürdigen Annahmen“ seiner Befürworter, eine solch riesige umlaufende Struktur in den Weltraum zu bringen. Einfach ausgedrückt hieß es in dem Bericht, dass es nicht genügend Trägerraketen gäbe und die verfügbaren Trägerraketen zu teuer seien.

Doch das wenig positive Urteil des SSI kam vor allem vor privaten Unternehmen SpaceX – begann, die Raumfahrtindustrie zu verändern. Durch die Kombination wiederverwendbarer Raketensysteme mit einer Versuch-und-Irrtum-Einstellung bei Forschung und Entwicklung hat das US-Unternehmen im letzten Jahrzehnt die Kosten für den Start in eine erdnahe Umlaufbahn um mehr als den Faktor 10 (pro Kilo Nutzlast) gesenkt ), mit Plänen, es um eine Größenordnung weiter zu reduzieren. Was der SSI als große Einschränkung der Startkosten ansah, ist tatsächlich kein Problem mehr.

Nicht dass die Kosten für den Transport eines Satelliten ins All der einzige Knackpunkt gewesen wären. Glasers ursprüngliches Konzept war täuschend einfach und enthielt viele versteckte Herausforderungen. Während ein Satellit die Erde umkreist, ändert sich zunächst einmal der Winkel zwischen der Sonne, dem Raumschiff und dem Punkt auf der Erde, zu dem die Energie gesendet wird. Wenn beispielsweise ein geostationärer Satellit auf der Erde trainiert wird, sind seine Photovoltaikanlagen zur Mittagszeit der Sonne zugewandt, um Mitternacht jedoch mit dem Rücken zur Sonne. Mit anderen Worten: Der Satellit würde nicht ständig Strom erzeugen.

Die ursprüngliche Lösung für dieses Problem bestand darin, die Photovoltaikmodule kontinuierlich relativ zu den Mikrowellensendern zu drehen, die dann fest blieben. Die Photovoltaikmodule würden dann immer zur Sonne zeigen, während die Sender immer zur Erde zeigen würden. Die Lösung wurde erstmals 1979 von der NASA als Weiterentwicklung von Glasers Ideen vorgeschlagen und 2015 in einem Vorschlag von Ingenieuren der China Academy of Space Technology in Peking weiter ausgebaut, der sie „Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite“ nannte MR-SPS (Figur 1).

Unterdessen John Mankins, ein ehemaliger NASA-Ingenieur, erfand 2012 eine Konkurrenzlösung. Synchronisiert SPS AlphaSeine Idee bestand darin, die Solarpaneele und den Sender festzuhalten, aber zahlreiche Spiegel rund um die Paneele zu installieren (Abbildung 2). Diese als Heliostaten bekannten Spiegel könnten sich drehen, das Sonnenlicht kontinuierlich auf die Sonnenkollektoren umlenken und es dem Satelliten so ermöglichen, die Erde ohne Unterbrechung mit Strom zu versorgen.

Allerdings seien weder MR-SPS noch SPS Alpha zufriedenstellend Ian Cash, Direktor und Chefingenieur bei International Electric Company Limited in Oxfordshire, Großbritannien. Cash, ein ehemaliger Entwickler elektronischer Systeme in den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt und Energie, wandte sich vor einem Jahrzehnt der privaten Entwicklung sauberer, groß angelegter Energiequellen zu. Zunächst war er vom Potenzial der Kernfusion angelockt, doch die „wirklich schwierigen“ Probleme schreckten ihn ab und er entschied sich schnell für weltraumgestützte Solarenergie als praktischste Option.

Für Cash besteht das Problem sowohl bei MR-SPS als auch bei SPS Alpha darin, dass sie einige Teile des Satelliten relativ zu anderen drehen müssen. Jedes Teil müsste also physisch mit einem anderen verbunden sein und ein bewegliches Gelenk benötigen. Das Problem ist, dass solche Verbindungen beim Einsatz auf Satelliten wie der Internationalen Raumstation aufgrund von Verschleiß versagen können. Der Verzicht auf Gelenkverbindungen würde einen Solarsatelliten zuverlässiger machen, schlussfolgerte Cash. „Ich wollte herausfinden, was es braucht, um eine Festkörperlösung zu haben, die immer die Sonne und die Erde sieht“, sagt er.

Bis 2017 hatte Cash es herausgefunden, behauptet er zumindest. Sein CASSIOPeiA-Konzept ist ein Satellit, der im Wesentlichen wie eine Wendeltreppe aussieht, wobei die Photovoltaikpaneele die „Stufen“ und die Mikrowellensender – stabförmige Dipole – die „Steigstufen“ sind. Aufgrund seiner cleveren Spiralgeometrie kann CASSIOPeiA 24 Stunden am Tag Sonnenenergie empfangen und übertragen, ohne dass bewegliche Teile erforderlich sind (Abbildung 3).

Cash, der von CASSIOPeiA durch die Lizenzierung des damit verbundenen geistigen Eigentums profitieren will, macht zahlreiche weitere Vorteile seines Konzepts geltend. Sein vorgeschlagener Satellit kann aus Hunderten (und möglicherweise Tausenden) kleineren miteinander verbundenen Modulen gebaut werden, wobei jedes Modul Sonnenenergie einfängt, sie elektronisch in Mikrowellen umwandelt und sie dann zur Erde sendet. Das Schöne an diesem Ansatz ist, dass, wenn ein Modul von kosmischer Strahlung oder Weltraumschrott getroffen würde, sein Ausfall nicht das gesamte System außer Gefecht setzen würde.

Ein weiterer Vorteil von CASSIOPeiA besteht darin, dass die nicht-photovoltaischen Komponenten dauerhaft im Schatten liegen, was die Wärmeableitung minimiert – was im konvektionslosen Vakuum des Weltraums ein Problem darstellt. Da der Satellit schließlich immer auf die Sonne ausgerichtet ist, kann er mehr Arten von Umlaufbahnen einnehmen, darunter auch solche, die stark elliptisch sind. Dann wäre er zeitweise näher an der Erde, als wenn er geostationär wäre, was ihn billiger macht, da man das Design nicht auf der Grundlage eines so großen Senders skalieren muss.

Es überrascht vielleicht nicht, dass Cashs Konkurrenten seiner Einschätzung nicht zustimmen. Mankins, der jetzt seinen Sitz in hat Artemis-Innovationsmanagementlösungen in Kalifornien, USA, bestreitet, dass die Gelenkheliostaten in seinem SPS-Alpha-Konzept ein Problem darstellen. Stattdessen behauptet er, dass es sich dabei um „eine einfache Erweiterung einer sehr ausgereiften Technologie“ handelt, die bereits zur Konzentration von Sonnenlicht zur Erhitzung von Flüssigkeiten und zum Antrieb von Turbinen eingesetzt wird „Solartürme“ Hier auf der Erde. Er glaubt auch, dass die von CASSIOPeiA geforderten Doppelspiegel ein Problem darstellen könnten, da sie sehr präzise gebaut sein müssen.

„Ich schätze Ian und seine Arbeit sehr. Sein neueres CASSIOPeiA-Konzept ist eines von mehreren, die sich im Charakter sehr ähneln, darunter auch SPS-Alpha“, sagt Mankins. „Allerdings stimme ich nicht mit seiner Erwartung überein, dass sich CASSIOPeiA gegenüber SPS-Alpha als überlegen erweisen wird.“ Für Mankins wird der beste Ansatz für weltraumgestützte Solarenergie letztlich von den Ergebnissen der Entwicklungsprojekte abhängen, wobei die tatsächlichen Kosten pro Kilowattstunde Strom hier auf der Erde der entscheidende Faktor sind.

Skalierbar und auffällig

Das Interesse an Weltraum-Solarenergie hat im Zuge dessen einen zusätzlichen Aufschwung erfahren Bericht 2021 der britischen Regierung in die Technologie, die das Konzept kaum positiver hätte bewerten können. Es wurde von Ingenieuren des in Großbritannien ansässigen Beratungsunternehmens erstellt Frazer-Nash, der mit einer Reihe von Raumfahrt- und Energieexperten korrespondierte – darunter den Erfindern von SPS Alpha, MR-SPS und CASSIOPeiA.

Der Bericht kam zu dem Schluss, dass ein 1.7 km breiter CASSIOPeiA-Satellit in einer geostationären Umlaufbahn Sonnenstrahlung in eine Entfernung von 100 km überträgt² Eine Reihe von Mikrowellenempfängern (oder „Rectenna“), die sich hier auf der Erde befinden, würden 2 GW Dauerleistung erzeugen. Das entspricht der Leistung eines großen konventionellen Kraftwerks. Es ist auch viel besser als beispielsweise das Vorhandene Windpark London Array in der Themsemündung, die etwa 25 % größer ist, aber eine durchschnittliche Leistung von knapp 190 MW erzeugt.

Auffälliger war jedoch die Wirtschaftsanalyse des Berichts. Basierend auf einer Schätzung, dass die Entwicklung und Einführung eines Systems in voller Größe 16.3 Milliarden Pfund kosten würde und eine Mindestinvestitionsrendite von 20 % pro Jahr zu erwarten wäre, kam man zu dem Schluss, dass es sich um ein weltraumgestütztes Solarenergiesystem handelt könnte während seiner etwa 100-jährigen Lebensdauer Energie für 50 £ pro MWh erzeugen.

Laut Frazer-Nash ist das 14–52 % teurer als die derzeitige terrestrische Wind- und Solarenergie. Entscheidend ist jedoch, dass es 39–49 % günstiger ist als Biomasse, Kernkraft oder die effizientesten Gasenergiequellen, die derzeit die einzigen sind, die eine unterbrechungsfreie „Grundlast“-Stromversorgung bieten können. Die Autoren des Berichts sagten auch, dass ihre konservative Schätzung der Kosten „mit fortschreitender Entwicklung voraussichtlich sinken wird“.

„Es ist unglaublich skalierbar“, sagt Martin Soltau von Frazer-Nash, einem der Autoren. Und da die Sonneneinstrahlung im Raum um die Erde weitaus heller ist als unten, schätzt er, dass jedes Solarmodul zehnmal so viel einsammeln würde, wie wenn es auf der Erde installiert wäre. Dem Bericht zufolge bräuchte das Vereinigte Königreich insgesamt 10 Satelliten – jeder mit einer eigenen Rectenna –, um bis 15 ein Viertel des Energiebedarfs des Landes zu decken. Jede Rectenna könnte neben oder sogar innerhalb eines bestehenden Windparks platziert werden.

Wenn das System weiter ausgeweitet würde, könnte es im Prinzip über 150 % des gesamten weltweiten Strombedarfs decken (obwohl eine stabile Energieversorgung normalerweise einen breiten Quellenmix erfordern würde). Soltau fügt hinzu, dass weltraumgestützte Solarenergie auch viel geringere Auswirkungen auf die Umwelt hätte als erdbasierte erneuerbare Energiequellen. Der COXNUMX-Fußabdruck wäre gering, der Bedarf an Seltenerdmineralien wäre gering und im Gegensatz zu Windkraftanlagen gäbe es weder Lärm noch hohe sichtbare Strukturen.

Wenn das alles zu schön klingt, um wahr zu sein, könnte es durchaus so sein. Der Frazer-Nash-Bericht räumt mehrere „Entwicklungsprobleme“ ein, insbesondere die Suche nach Möglichkeiten, die drahtlose Energieübertragung effizienter zu gestalten. Chris Rodenbeck, ein Elektroingenieur vom US Naval Research Laboratory in Washington DC, sagt, dass groß angelegte Demonstrationen der Technologie schwer zu erreichen seien. Sie erfordern nachhaltige Investitionen und gezielte Weiterentwicklungen bei elektronischen Komponenten, wie z. B. Hochleistungs-Gleichrichterdioden, die nicht ohne weiteres verfügbar sind.

Glücklicherweise ist die drahtlose Energieübertragung seit Jahrzehnten auf dem Vormarsch. Im Jahr 2021 schickte Rodenbecks Team 1.6 kW elektrische Energie über eine Distanz von 1 km, mit einem Wirkungsgrad der Mikrowellen-Strom-Umwandlung von 73 %. Auf den ersten Blick ist das weniger beeindruckend als die bisher leistungsstärkste Demonstration drahtloser Energie, die 1975 stattfand, als Mitarbeiter von Das Goldstone-Labor der NASA in Kalifornien wandelte 10-GHz-Mikrowellen mit einem Wirkungsgrad von über 80 % in Elektrizität um. Entscheidend war jedoch, dass Rodenbeck 2.4-GHz-Mikrowellen mit niedrigerer Frequenz verwendete, die im Weltraum viel weniger atmosphärische Verluste erleiden würden.

Um der stärkeren Beugung (Strahlausbreitung) entgegenzuwirken, die bei niedrigeren Frequenzen natürlicherweise auftritt, nutzten die Forscher das umliegende Gelände, um die Mikrowellen in Richtung des Empfängerarrays zu „reflektieren“ und so die Leistungsdichte um 70 % zu verbessern (IEEE J. Microw. 2 28). „Wir haben [den Test] während der globalen Pandemie ziemlich schnell und kostengünstig durchgeführt“, sagt Rodenbeck. „Wir hätten mehr erreichen können.“

Für den ersten Bau ist eine 24/7-Fabrik im Weltraum erforderlich, mit einem Fließband wie eine Autofabrik auf der Erde.

Yang Gao, Universität Surrey

Rodenbeck ist optimistisch, was die Aussichten weltraumgestützter Solarenergie angeht. Während die Kernfusion, so behauptet er, „auf grundlegende Probleme der Physik stößt“, stoßen weltraumgestützte Solarenergie – und drahtlose Energieübertragung – lediglich „auf Probleme mit dem Dollar“. „[Es ist] die einzige Form grüner, erneuerbarer Energie mit dem Potenzial, kontinuierlich Grundstrom zu liefern“, behauptet Rodenbeck. „Solange es keinen technischen Durchbruch bei der kontrollierten Kernfusion gibt, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Menschheit die Weltraum-Solarenergie für den zukünftigen Energiebedarf nutzen wird.“

Es ist jedoch Vorsicht geboten Yang Gao, ein Raumfahrtingenieur an der University of Surrey im Vereinigten Königreich, der zugibt, dass „die schiere Größe“ des vorgeschlagenen Raumfahrtsystems „ziemlich umwerfend“ ist. Sie glaubt, dass der erste Bau durchaus „eine 24/7-Fabrik im Weltraum mit einem Fließband wie eine Autofabrik auf der Erde“ erfordern könnte, wahrscheinlich unter Einsatz autonomer Roboter. Was die Instandhaltung der Anlage anbelangt, sobald sie gebaut ist, sagt Gao, dass dies „anspruchsvoll“ wäre.

Für Cash ist die Umlaufbahn, die ein Weltraumsatellit einnehmen würde, entscheidend. Ein geostationärer Solarenergiesatellit wäre so weit von der Erde entfernt, dass für eine effiziente Energieübertragung riesige und teure Sender und Rectennas erforderlich wären. Aber durch die Nutzung mehrerer Satelliten auf kürzeren, stark elliptischen Umlaufbahnen könnten Investoren laut Cash kleinere funktionierende Systeme auf dem CASSIOPeiA-Konzept mit einem Bruchteil des Kapitals realisieren. SPS Alpha und MR-SPS hingegen müssten vom ersten Tag an in voller Größe sein.

Ist der Wille ausreichend?

Und doch ist die größte Herausforderung für die weltraumgestützte Solarenergie möglicherweise nicht wirtschaftlicher oder technischer Natur, sondern politischer Natur. In einer Welt, in der viele Menschen an Verschwörungstheorien rund um die 5G-Mobiltechnologie glauben, könnte sich die Übertragung von Gigawatt Mikrowellenleistung vom Weltraum zur Erde als schwierig erweisen – obwohl die maximale Strahlungsintensität gerade einmal 250 W/m beträgt², weniger als ein Viertel der maximalen Sonnenintensität am Äquator.

Tatsächlich gibt der britische Bericht zu, dass seine Befürworter den öffentlichen Appetit testen und „ein Gespräch“ über die Schlüsselideen führen müssen. Aber es gibt auch echte technische und gesellschaftliche Überlegungen. Wo werden die Rectennas aufgestellt? Wie können die Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer außer Dienst gestellt werden, ohne dass sich dadurch der Weltraummüll erhöht? Wird im Mikrowellenspektrum noch Platz für irgendetwas anderes sein? Und wird das System anfällig für Angriffe sein?

Im Anschluss an seinen Bericht hat die Die britische Regierung hat einen 3-Millionen-Pfund-Fonds vorgestellt Der ehemalige Wirtschaftsminister Kwasi Kwarteng sagte, dass weltraumgestützte Solarenergie „eine erschwingliche, saubere und zuverlässige Energiequelle für die ganze Welt darstellen könnte“. Es ist unwahrscheinlich, dass dieser Geldtopf für ein Unterfangen dieser Größenordnung weit reicht. Deshalb hat Soltau bei der Gründung eines Unternehmens mit dem Namen „ Weltraum-Solar, das hofft, zunächst 200 Millionen Pfund von privaten Investoren aufbringen zu können.

Inzwischen gibt es das, was er eine „Zusammenarbeit der Willigen“ nennt Weltraumenergie-Initiative, hat Wissenschaftler, Ingenieure und Beamte aus über 50 akademischen Institutionen, Unternehmen und Regierungsbehörden zusammengebracht, die arbeiten Pro-Bono- um dabei zu helfen, ein funktionierendes System zum Erfolg zu führen. SpaceX steht noch nicht auf der Liste, aber Soltau behauptet, die Aufmerksamkeit des US-Unternehmens erregt zu haben. „Sie sind sehr interessiert“, sagt er.

Cash zweifelt nicht daran, dass Investitionen gefunden werden. Terrestrische erneuerbare Energien können ohne eine enorm kostspielige Batterieinfrastruktur keinen unterbrechungsfreien Grundlaststrom liefern, während die Kernenergie immer auf heftigen Widerstand stößt. Cash glaubt, dass weltraumgestützte Solarenergie ein entscheidender Teil des Mixes ist, wenn wir den Netto-Nullpunkt erreichen wollen, und einfach von den Menschen zu verlangen, weniger Energie zu verbrauchen, sei eine „gefährliche Idee“. Die meisten Kriege wurden wegen eines vermeintlichen Mangels an Ressourcen geführt“, sagt er. „Wenn wir nicht darüber nachdenken, wie wir die Zivilisation voranbringen können, ist die Alternative sehr beängstigend.“