SAUBERE ENERGIE AUS DEM WELTRAUM

Stellen Sie sich vor, es ist nur noch einen Schritt davon entfernt, möglich zu sein. Ziehen Sie den Hebel an der elektrischen Schalttafel Ihres Hauses, und es wird mit einem Energiestrahl verbunden, der von der Sonne kommt und von einem Satelliten zurückgeworfen wird: keine Kosten, keine Umweltschäden, kein Ende. Ein bestehendes Satellitennetz kann Stromausfälle verhindern. Wenn sich der Planet dreht und es Nacht ist, nutzen unsere Häuser, Verkehrs- und Heizungssysteme den tagsüber gespeicherten Strom. Keine unterirdischen Kabel, kein Abfall, der entsorgt werden muss…

Ohne Energie ist das Leben auf unserem Planeten unmöglich. Pflanzen und Tiere verfügen über komplexe Systeme zur Umwandlung von Sonne und Nahrung in Energie, ohne die sie nicht existieren können. Die Menschheit hat inzwischen Wege entdeckt, Energie zu nutzen, die weit über das hinausgehen, was ein einzelner menschlicher Körper produzieren kann. Die Formen der Energie und die Methoden ihrer Nutzung haben einen langen Weg zurückgelegt: von der Nutzung der Muskelkraft des Menschen selbst und dann der domestizierten Tiere bis hin zur Energiegewinnung aus verschiedenen Quellen und zur Steuerung des Energieflusses. Der weltweite Energieverbrauch nimmt jedes Jahr zu, da die Energiesysteme der Motor der sozialen und wirtschaftlichen Entwicklung sind und Energie für alle Aspekte des menschlichen Wohlbefindens unerlässlich ist.

Doch während die Energiebedarfskurve weiter in Höhen steigt, die noch vor einem Vierteljahrhundert undenkbar gewesen wären, entwickelt die Menschheit, nachdem sie akzeptiert hat, dass die Ressourcen unseres Planeten endlich sind und die fossilen Brennstoffe bald erschöpft sein werden, alternative Wege der Energieerzeugung unter Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind-, Wasser-, Sonnen-, Erdwärme- und Gezeitenkraft^[1] . Die Energieerzeugung steht im Mittelpunkt des globalen Klimaproblems, da die meisten Treibhausgase durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen. Kohle, Öl und Gas tragen wesentlich zum globalen Klimawandel bei, da sie für 75 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen und fast 90 Prozent aller Kohlendioxidemissionen verantwortlich sind^[2] . Aber wir befinden uns in einer Zwickmühle: Wir brauchen immer mehr Energie, und wir müssen aufhören, Energie zu verbrauchen, die das Ökosystem vergiftet, sonst werden wir bald das Leben auf unserem Planeten auslöschen.

Die Energie der Sonne

Weltenergieverbrauch^[3]

Solarenergie wird schon seit langem und überall genutzt, und Sonnenkollektoren sind seit langem in Gebrauch. Aber diese Technologie ist nicht perfekt. Neben den hohen Kosten für die Komponenten, der Komplexität der Installation und der geringen Leistungsdichte ist das größte Problem die Erdatmosphäre, da die Moleküle in unserer Atmosphäre etwa die Hälfte des Sonnenlichts zerstreuen. Außerdem dient diese Art von Energie aufgrund der wechselhaften Wetterbedingungen und der daraus resultierenden Schwankungen der Sonneneinstrahlung selten als dauerhafte Quelle^[4] . Aber wie lässt sich diese Energie außerhalb der Atmosphäre gewinnen? Die weltraumgestützte Solarenergie ermöglicht es, die praktisch unbegrenzten Energiereserven der Sonne im Weltraum zu nutzen, wo sie ständig zur Verfügung steht und unabhängig von Tag- und Nachtzyklen, Jahreszeiten und Wetterbedingungen ist, wodurch sich der Wirkungsgrad im Vergleich zu Sonnenkollektoren auf der Erdoberfläche um das Achtfache erhöhen kann^[5] .

Das California Institute of Technology hat das Space Solar Power Project (SSPP) ins Leben gerufen, das darauf abzielt, Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und auf die Erdoberfläche zu übertragen. Im Rahmen dieses Projekts hat das bahnbrechende MAPLE-Experiment (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) vor einigen Wochen zum ersten Mal gezeigt, dass die drahtlose Übertragung von Sonnenenergie aus dem Weltraum zur Erde mit der bereits verfügbaren Technologie möglich ist. Space Solar Power ist eine revolutionäre Lösung, die unbegrenzte Sonnenenergie über Solarsatelliten nutzbar machen kann^[6] .

SSPD-1, der Space Solar Power Demonstrator, war der erste Weltraumprototyp dieses Projekts. Es ist ein komplexes und innovatives Projekt, das drei Experimente umfasst: MAPLE, DOLCE und ALBA. MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) konzentriert sich auf die drahtlose Energieübertragung, während DOLCE die Architektur und die Entfaltungsmechanismen eines modularen Raumfahrzeugs demonstrieren soll: eine ultraleichte Verbundstruktur, die sich ähnlich wie ein Segel mit einem Durchmesser von 2 Metern entfaltet. Obwohl das Segel keine Solarzellen enthält, dient es dazu, die dünne, flexible und großflächige Aufstellung zu testen, die für den Bau eines künftigen Kraftwerks erforderlich ist^[7] . Und ALBA, das die Effektivität verschiedener photovoltaischer Zellen unter rauen Weltraumbedingungen bewerten soll, testet 32 Solarzellenmuster^[8] . Eine weitere vierte Komponente des SSPD ist die Elektronikeinheit, die mit dem Computer des Raumfahrzeugs kommuniziert und die drei Experimente überwacht und steuert.^[9]

Ein 50 Kilogramm schwerer Solarenergie-Demonstrator wurde im Januar dieses Jahres von der Raumsonde Momentus Vigoride an Bord einer SpaceX-Rakete im Rahmen der Transporter-6-Mission ins All gebracht. In der Erdumlaufbahn wurden experimentelle Photovoltaik-Paneele installiert, die für die Nutzung von Sonnenenergie im Vakuum entwickelt wurden^[10] . MAPLE ist mit einem Mikrowellensender ausgestattet, der wiederum aus einem System von 32 Antennen besteht, die in Gruppen von 16 Antennen gruppiert sind. Jede Gruppe wird von einem einzigen, maßgeschneiderten, flexiblen integrierten Schaltkreis-Chip aus kostengünstiger Siliziumtechnologie gesteuert. In einem Abstand von etwa 30 cm vom Sender befinden sich zwei Empfänger, so genannte Arrays, die unabhängige Systeme von Signalempfängern darstellen.

Das Maple-Prinzip der drahtlosen Energieübertragung^[11]

Die von den Fotovoltaikzellen gesammelte Sonnenenergie wird vom Sender in elektrische Wellen umgewandelt und an Signalempfänger übertragen, die ihrerseits die Mikrowellen in elektrischen Gleichstrom umwandeln und millimetergenau an Speicherorte auf der Erde^[12] senden. Dieses Prinzip der drahtlosen Energieübertragung durch den Weltraum beruht auf einem Quantenphänomen namens „Interferenz“.

Diese Interferenz wird beobachtet, wenn sich zwei oder mehr Wellen überlagern. Je nach dem Phasenverhältnis zwischen den Wellen können sie sich entweder verstärken (konstruktive Interferenz) oder abschwächen (destruktive Interferenz). Treffen zwei Wellen in Phase aufeinander, addieren sich ihre Amplituden und es kommt zu einer konstruktiven Interferenz. In diesem Fall wird eine Verstärkung der Wellen beobachtet und die Bereiche, in denen sich die Amplituden addieren, werden als Interferenzmaxima^[13] bezeichnet.

Vereinfacht ausgedrückt kann man diesen Effekt beobachten, wenn man mit den Händen, die man ins Wasser taucht, Wellen erzeugt: Es gibt Bereiche, in denen die Welle stärker ist, und Bereiche, in denen die Welle auseinanderläuft. Stellt man sich jedoch vor, dass es zwei oder mehr Quellen gibt und dass sie koordiniert Wellen erzeugen, d. h. gleichzeitig und in die gleiche Richtung, mit der gleichen Phase, dann werden sich die Wellen in einer Richtung konzentrieren und in alle anderen Richtungen ausgleichen, und ihre Spitze wird bei ihrem Zusammentreffen eine Spitze von größerer Höhe erzeugen. Dieses Phänomen ermöglicht es, das „Lupenprinzip“ zu verwirklichen, bei dem der Energiestrom aus mehreren Quellen konzentriert und in die gewünschte Richtung koordiniert werden kann^[14] . Von der Sonne direkt in unsere Küchen.

Mit Hilfe dieses Prinzips demonstrierten Wissenschaftler des California Institute of Technology die Effizienz der Energieübertragung von einem Mikrowellensender zu zwei Empfängern, indem sie den Fokus und die Richtung der ausgestrahlten Energie veränderten. Das Sender-Array verwendet präzise Zeitsteuerungen, um die Energie dynamisch und selektiv auf den richtigen Punkt zu fokussieren und elektromagnetische Wellen hinzuzufügen. Auf diese Weise kann der größte Teil der gebündelten Energie in der gewählten Richtung über die Erde übertragen werden, ohne dass es zu Störungen durch die Atmosphäre kommt.

Durch die präzise Steuerung des Timings dieses Prozesses kann die Richtung der Energie sehr schnell (Nanosekunden) angepasst und die Energie zu Empfängern im Weltraum oder sogar auf der Erde umgeleitet werden. Auf diese Weise kann die Energie ohne mechanisch bewegte Teile an den richtigen Ort gelenkt werden^[15] . Zwei Empfänger-Arrays wandelten die Solarenergie in Gleichstrom um, der zum Betrieb von zwei LED-Leuchten verwendet wurde, wodurch die vollständige drahtlose Energieübertragung demonstriert wurde. MAPLE demonstrierte dies erfolgreich, indem es jede einzelne LED einschaltete und zwischen ihnen umschaltete^[16] .

Rechts ein Sender und links zwei Empfänger, dazwischen ein rundes Fenster, um Energie außerhalb des Prototyps zu übertragen^[17]

Dies zeigt nicht nur die Möglichkeit, Sonnenenergie aus der Umlaufbahn zur Erde zu übertragen, sondern auch zwischen Raumfahrzeugen^[18] . Darüber hinaus fand das unverschlossene Experiment unter schwierigen Weltraumbedingungen statt, einschließlich Temperaturschwankungen, Sonneneinstrahlung und Bestrahlung, was die Robustheit des Systems und seine Fähigkeit, unter solchen Bedingungen zu funktionieren, unter Beweis stellt.

MAPLE verfügt auch über ein kleines Fenster, durch das der Prototyp Energie übertragen kann. Die Energieübertragung wurde von einem Empfänger auf dem Dach des Gordon and Betty Moore Engineering Laboratory auf dem Campus des California Institute of Technology in Pasadena am 22. Mai 2023 entdeckt. Das empfangene Signal erschien zum vorhergesagten Zeitpunkt und mit der vorhergesagten Frequenz, basierend auf seiner Reise von der Umlaufbahn^[19] . Leider wurden die Daten über die vom Weltraum zur Erde übertragene Leistung nicht veröffentlicht^[20] .

Das gesamte flexible MAPLE-Array sowie seine wichtigsten Chips für die drahtlose Energieübertragung und die Übertragungselemente wurden speziell für dieses Projekt entwickelt^[21] . Den Wissenschaftlern zufolge sollten die Stromübertragungsarrays so leicht wie möglich sein, um die für den Transport ins All benötigte Treibstoffmenge zu minimieren, und flexibel, damit sie zu einem Paket gefaltet werden können, das in einer Rakete transportiert und dann erfolgreich eingesetzt werden kann, und generell eine kostengünstige Technologie sein^[22] . Die gesamte Serie von drei Prototypen im Rahmen des SSPD wurde von einem Team von etwa 35 Personen konzipiert, entworfen, gebaut und getestet^[23] .

Aussichten für eine revolutionäre Technologie

Das Solaris-Projekt der Europäischen Weltraumorganisation sieht die drahtlose Übertragung von Gigawatt aus dem Weltraum vor^[24]

„So wie das Internet Informationen für jedermann zugänglich gemacht hat, hoffen wir, dass die drahtlose Stromübertragung den Zugang zu Energie vereinfachen wird“, sagte Ali Hajimiri, Leiter des Space Solar Power Project (SSPP). Es wird keine Infrastruktur benötigt, um diese Energie zur Erde zu transportieren. Das bedeutet, dass wir Energie in entlegene Regionen und in Gebiete schicken können, die durch Kriege oder Naturkatastrophen verwüstet wurden“,^[25] .

Trotz der Schwäche des übertragenen Signals, das nur 200 Milliwatt betrug (weniger als das Licht einer Telefonkamera)^[26] , reichte dies aus, um zu demonstrieren, was das System leisten könnte, wenn es in industriellem Maßstab hergestellt würde^[27] . Das Entwicklungsteam ist derzeit dabei, die einzelnen Komponenten von MAPLE zu bewerten und zu analysieren, ein Prozess, der bis zu sechs Monate dauern könnte und eine gute Grundlage für die Vermeidung von Fallstricken bei der Umsetzung eines groß angelegten Weltraum-Energiesystems in der Zukunft bietet. Das SSPP soll aus einer Konstellation modularer Raumfahrzeuge bestehen, die mit segelähnlichen Solarzellen ausgestattet sind^[28] und in der Lage sind, das Sonnenlicht im Weltraum aufzufangen, in Elektrizität umzuwandeln und in Form von Mikrowellen über große Entfernungen auszusenden^[29] .

Theoretisch gibt es die Weltraum-Energie bereits seit den 1970er Jahren, und viele Länder befinden sich in einem „Wettlauf“ um saubere Sonnenenergie. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Kyoto will in Zusammenarbeit mit der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA um das Jahr 2025 ein Experiment zur effektiven Energieübertragung aus dem Weltraum zur Erde durchführen. Die Wissenschaftler wollen nicht beweisen, dass die Übertragung wissenschaftlich möglich ist, sondern sie wollen sie in die Praxis umsetzen. Dazu werden sie Kleinsatelliten starten, die Sonnenenergie an Empfangsstationen am Boden senden^[30] . Der Erfolg eines solchen Projekts ist für China wichtig im Hinblick auf das internationale Ansehen im Bereich der Raumenergie und die sich daraus ergebende Möglichkeit der Zusammenarbeit mit anderen Staaten^[31] . Das Start-up Virtus Solis Technologies^[32] arbeitet ebenfalls an der Energieübertragung und plant, 2026 eine Pilotanlage in die Umlaufbahn zu bringen, um bis zum Ende des Jahrzehnts kommerzielle Energie für Kunden anzubieten^[33] .

Ein enormer Anreiz für die Entwicklung von Raumenergie in der Europäischen Union ist das 2050 Net Zero Ziel, eine langfristige nationale Strategie zur Schaffung einer Wirtschaft ohne Treibhausgasemissionen mit dem Ziel, den globalen Temperaturanstieg deutlich unter 2° zu halten^[34] . Die Europäische Weltraumorganisation bemüht sich um eine Finanzierung^[35] , um zu beweisen, dass ein solarbetriebenes Satellitensystem kommerziell machbar ist^[36] . Die Anmeldung eines hinreichend ausgefeilten und funktionsfähigen Patents würde ausreichen, um den Enthusiasmus der Brüsseler Behörden zu wecken, die wegen des Krieges in der Ukraine so unter Druck stehen.

So einfach ist das nicht

Die gefährlichen Auswirkungen der Sonne auf die Erde[37]

Nach Angaben der Sachverständigengruppe der Vereinten Nationen für Klimaänderungen wird sich die Welt bis zum Ende des Jahrhunderts um 2,5 Grad Celsius erwärmen, d. h. um 1 Grad Celsius über dem Schwellenwert, den die Wissenschaft für sicher hält, um katastrophale Folgen zu vermeiden^[38] . Um die Erwärmung einzudämmen, muss die Weltwirtschaft ihre Treibhausgasemissionen bis 2030 um 45 % reduzieren, was bedeutet, dass viele Technologien, die fossile Brennstoffe verbrauchen, innerhalb kürzester Zeit abgeschafft werden müssen. Vor diesem Hintergrund wird die Suche nach zuverlässigen alternativen Energiequellen unumgänglich, und Wissenschaftler sagen voraus, dass die Solarenergie die Energielandschaft der Zukunft dominieren wird.

Bei der „Gewinnung“ von Energie aus dem Weltraum gibt es keine wissenschaftlichen Schwierigkeiten zu lösen; die theoretischen Grundlagen wurden erarbeitet und die Physik der Prozesse nachgewiesen. Das MAPLE-Experiment hat gezeigt, dass eine Energieübertragung aus der Ferne sowohl im Weltraum als auch von der Umlaufbahn zur Erde möglich ist. Die Frage ist eher, in welchem Umfang Energie übertragen werden kann, was in direktem Zusammenhang mit der technologischen Bereitschaft der einzelnen Industriezweige steht, die die Energie empfangen^[39] .

Außerdem erfordert die Energiegewinnung aus dem Weltraum eine enorme finanzielle Investition: Das Projekt des California Institute of Technology kostete mehr als 112 Millionen Dollar^[40] . Angesichts der weltweiten Energiekosten in Höhe von Billionen von Euro wird geschätzt, dass der erste solarbetriebene Ein-Gigawatt-Satellit rund 20 Milliarden Euro kosten wird, vergleichbar mit dem Bau eines neuen Kernkraftwerks. Dank Massenproduktion und Skaleneffekten könnten spätere Satelliten die Bau- und Betriebskosten jedoch erheblich senken. Folglich wären die Kosten für die Erzeugung einer Grundmenge an Strom aus Satelliten mehr als halb so hoch wie die von Kernkraftwerken und ungefähr so hoch wie die von großen Solarkraftwerken am Boden^[41] . Im Zusammenhang mit der Raumfahrt ist dies jedoch eine Investition in die Zukunft, zu der es keine zufriedenstellende Alternative gibt.

Angesichts der enormen Leistungskapazität der Solarenergie, die mit der von Kernkraftwerken vergleichbar ist, bleibt neben der Frage der Energiegewinnung und -übertragung auch das Problem der Energiespeicherung ungelöst. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, was wir in Zukunft von der kosmischen Energie erwarten: eine Reservealternative oder die Hauptenergiequelle für unseren Planeten?

Eine Mission zur Gewinnung von Energie aus dem Weltraum hat vorerst den noblen Zweck, abgelegene und unzugängliche Gebiete mit Energie zu versorgen, in denen der Anschluss an herkömmliche Energienetze schwierig oder unmöglich ist. Dies kann insbesondere für Entwicklungsländer und abgelegene Gebiete sowie für Gebiete, die von Zerstörung bedroht sind, von Nutzen sein. Der Weltraum ist für alle da, die Sonne ist für alle da, aber in der Zukunft der Entwicklung der Energie aus dem Weltraum könnte die Frage der rechtlichen Regelung und Verteilung dieser Ressource sowie die Frage der Sicherheit akut werden.

Obwohl der Übergang zu erneuerbaren Energien für die Zukunft der Welt von entscheidender Bedeutung ist und das Konzept der weltraumgestützten Solarenergie sehr aufregend und vielversprechend ist, ist es wichtig, eine gesunde Skepsis zu bewahren. Wie bei allen wissenschaftlichen Fortschritten wird sich das wahre Potenzial dieser Technologie erst mit der weiteren Entwicklung und Erprobung zeigen^[42] . In jedem Fall stellt die vom Team des California Institute of Technology demonstrierte Technologie einen wichtigen Meilenstein dar und ebnet den Weg für fortschrittlichere Raumfahrtsysteme. Und dann werden wir sehen!

^[1] https://trends.rbc.ru/trends/green/609e76449a7947f4755ac9dc

^[2] https://www.un.org/en/climatechange/raising-ambition/renewable-energy

^[3] https://ourworldindata.org/grapher/global-primary-energy?time=earliest..latest

^[4] https://www.theguardian.com/science/2022/oct/09/beam-me-down-can-solar-power-from-space-help-solve-our-energy-needs

^[5] https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space

^[6] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[7] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration

^[8] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[9] https://knowridge.com/2023/01/caltech-will-launch-space-solar-power-technology-demo-into-orbit/

^[10] https://24tv.ua/tech/ru/osushhestvlena-pervaja-uspeshnaja-peredacha-solnechnoj-jenergii-iz-kosmosa-na-zemlju-tehno_n2328064

^[11] https://www.pasadenastarnews.com/2023/06/07/caltech-researchers-show-power-can-be-wirelessly-transmitted-in-space-the-implications-are-huge/

^[12] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration