Solaranlage im Weltall - hier geht die Sonne nie unter, Stromtransport mit Mikrowellen.

Die Idee, Sonnenenergie über strombetriebene Satelliten zu gewinnen, fasziniert daher seit langem Forscher, die nach Möglichkeiten suchen, eine energiehungrige Erde zu versorgen. Könnte dieser langjährige Science-Fiction-Traum in den nächsten zehn Jahren tatsächlich Realität werden?

Diese Überlegungen sind seit Jahrzehnten im Gange, doch jetzt gewinnen sie weltweit an Bedeutung: Technologen in den USA und China, Experten in Japan und Forscher der Europäischen Weltraumorganisation und der britischen Weltraumbehörde arbeiten daran, weltraumgestützte Solarenergie Wirklichkeit werden zu lassen.

Die Idee der drahtlosen Energieübertragung geht auf Nikola Tesla gegen Ende des 19. Jahrhunderts zurück. 1968 wurde die Idee eines Solarstromsatelliten von dem amerikanischen Raumfahrtpionier Peter Glaser detailliert und patentiert. Er entwarf eine neuartige Methode, um mit Hilfe von Solarzellen Energie aus dem Sonnenlicht zu sammeln und einen energiereichen Muskel aus Mikrowellen auf Empfangsantennen ("Rectennas") auf der Erde zu übertragen. Diese Mikrowellen könnten dann in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist werden.

Mitte der 1970er Jahre wurden dann im Goldstone Deep Space Communications Complex in Kalifornien, einer Einrichtung des Jet Propulsion Laboratory der NASA, erfolgreich Experimente zur Übertragung von Mikrowellenleistung im Bereich von mehreren zehn Kilowatt durchgeführt.

Space Solar Power Incremental and Demonstrations Research (SSPIDR).

Das Projekt Space Solar Power Incremental and Demonstrations Research (SSPIDR) soll Energie aus dem Weltraum auf die Erde übertragen. SSPIDR besteht aus mehreren kleinen Flugexperimenten, die die für den Bau eines Prototyps eines Solarstromverteilungssystems erforderliche Technologie zur Reife bringen sollen.

Das Space Solar Power Incremental and Demonstrations Research (SSPIDR)-Projekt soll Energie aus dem Weltraum zur Erde leiten. SSPIDR besteht aus mehreren kleinen Flugexperimenten, die die Technologie für den Bau eines Prototyps eines Solarstromverteilungssystems zur Reife bringen sollen.

Beeindruckende Fortschritte

In den letzten zehn Jahren haben die Forscher beeindruckende Fortschritte gemacht, die die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Solarenergie aus dem Weltraum (SSP) im nächsten Jahrzehnt realisiert werden kann, so John Mankins, Präsident von Artemis Innovation Management Solutions in Santa Maria, Kalifornien. Seiner Ansicht nach sollte die seit langem bestehende Vision der SSP als nachhaltige Energiealternative im Lichte dieser jüngsten Fortschritte überdacht werden.

Diese Aussicht wird durch eine Reihe von Schlüsselperspektiven gestützt, so Mankins gegenüber Space.com. "Der Klimawandel wird wirklich eine Katastrophe sein. Die Nationen haben sich verpflichtet, den Kohlenstoffausstoß auf Null zu reduzieren - und sie haben keine Ahnung, wie sie das anstellen sollen.

Der sich rasch entfaltende Wert des "New Space" verändert auch die Landschaft der Weltraumaktivitäten des 21. Jahrhunderts, fügte er hinzu. "Zwei der größten Hürden für die Verwirklichung von SSP waren immer die Kosten für den Start und die Kosten für die Hardware", sagte Mankins. "Wenn man nun noch die Flugrate hinzunimmt, kommt man plötzlich auf Zahlen, von denen man bei Solarstromsatelliten immer gesprochen hat.

Ein Beispiel dafür ist das Starlink-Breitbandnetzwerk von SpaceX, ein Massenproduktionsprojekt, das mittlerweile 30 Tonnen Satelliten pro Monat produziert. SpaceX ist auf dem besten Weg, innerhalb von fünf Jahren 40.000 Satelliten herzustellen und sie alle zu starten.

"Der Weg zu kostengünstiger Hardware ist aufgezeigt worden", sagte Mankins. "Sie ist modular und wird in Massenproduktion hergestellt. Die Hürden für einen kostengünstigeren Start und die Senkung der Hardwarekosten sind überwunden".

Mankins sagte, dass die Wirtschaftlichkeit von SSP-Konzepten in naher Zukunft, d.h. innerhalb des nächsten Jahrzehnts, noch nie so realisierbar war. Er verwies auf die Fortschritte bei den Startkapazitäten im Weltraum, die Fortschritte in der Robotik für Montage-, Wartungs- und Instandhaltungssysteme im Weltraum und das Wachstum bei verschiedenen Komponententechnologien, wie z. B. hocheffiziente Festkörper-Leistungsverstärker.

Ein früher Teilnehmer, der sich auf das Verständnis der erforderlichen Energiepolitik und die Einrichtung von SSP konzentriert, ist James Michael Snead, Präsident des Spacefaring Institute. Er hat den Begriff "Astroelektrizität" eingeführt, um die von SSP-Systemen erzeugte elektrische Energie zu beschreiben.

Mit Blick auf das "kommende Zeitalter der Astroelektrizität" sieht er eine Welt, die einen Ersatz für Erdöl und Erdgas benötigt, die beiden wichtigsten Energiequellen, die derzeit einen industriellen Lebensstandard aufrechterhalten.

Snead stellt sich eine Welt im Jahr 2100 vor, in der etwa 20 % der elektrischen Energie aus terrestrischer Kernenergie und erneuerbaren Energien stammen und 80 % durch Astroelektrizität bereitgestellt werden.

"So wie die militärische, wirtschaftliche und diplomatische Kontrolle über das Öl im Nahen Osten das Weltgeschehen in den letzten 80 Jahren maßgeblich beeinflusst hat, wird die Kontrolle über die Solarenergieplattformen im Weltraum in diesem Jahrhundert die Weltraumaktivitäten dominieren", so Snead gegenüber Space.com.

Wenn SSP später in diesem Jahrhundert Realität wird, so Snead, wird das US-Militär diese neuen Quellen der nationalen Energiesicherheit genauso schützen und verteidigen müssen wie heute die Öl-Infrastruktur im Persischen Golf.

"Während einige Leute SSP-Konzepte entwickeln, die von der Erde aus gestartet und autonom in der geostationären Erdumlaufbahn montiert werden, halte ich dies nicht für ein erfolgreiches Vorhaben", sagte Snead. Er ist der Ansicht, dass der Bau von Tausenden von SSP-Plattformen, die benötigt werden, bis zum Ende des Jahrhunderts erhebliche Anstrengungen zur Industrialisierung des Weltraums erfordert, an denen mehr als eine Million Menschen beteiligt sind.

Der Ausgangspunkt, so Snead, ist die Schaffung einer "astrologischen" Infrastruktur, die im gesamten Erde-Mond-System funktioniert. Er betonte, dass diese Astrologie die Führung der U.S. Air Force - nicht der Space Force - erfordert, um auf fast ein Jahrhundert an Erfahrung und Fachwissen im Bereich der bemannten Raumfahrt und der Betriebslogistik zurückgreifen zu können.

Dies sei notwendig, um die Bemühungen der Industrie um die Entwicklung und den Bau der erforderlichen neuen bemannten Raumfahrtsysteme zu steuern, wobei der Schwerpunkt eindeutig auf Sicherheit und Effektivität liegen müsse, so Snead.

Die Kommerzialisierung dieser neuen militärischen Astrologie-Fähigkeiten, so Snead, wird diese Sicherheits- und Betriebsvorteile ausweiten, um die kommende industrielle Weltraumrevolution zu unterstützen, die für die Durchführung der SSP erforderlich ist.

"Das ist genau das, was den US-Flugzeugherstellern ermöglicht hat, die Luftverkehrs- und Luftfrachtindustrie jahrzehntelang zu dominieren. Es ist ein erfolgreiches Modell, das nun im Weltraum nachgeahmt werden soll - ein Modell, das weder die NASA noch die U.S. Space Force effektiv umsetzen können", sagte Snead.

Paul Jaffe vom U.S. Naval Research Laboratory hält ein Modul, das für die Untersuchung von Solarenergie im Weltraum entwickelt wurde, vor einer maßgeschneiderten Vakuumkammer, in der das Gerät getestet wird.

Paul Jaffe vom U.S. Naval Research Laboratory hält ein Modul, das für Weltraum-Solarenergieuntersuchungen entwickelt wurde, vor einer speziell angefertigten Vakuumkammer, in der das Gerät getestet wird.

Während neue Kunstwerke, wirtschaftliche Pläne und konzeptionelle SPS-Überlegungen und -Visionen entstehen, ist bereits ein technologisches Experiment im Weltraum im Gange.

Auf seiner jüngsten Mission, die im Mai 2020 startete, hat das Roboter-Raumflugzeug X-37B der Space Force das Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module Flight Experiment (PRAM-FX) an Bord, eine Untersuchung des Naval Research Laboratory (NRL) zur Umwandlung von Sonnenenergie in hochfrequente Mikrowellenenergie.

Der Schwerpunkt dieser X-37B-Untersuchung liegt nicht auf der Herstellung einer tatsächlichen Energieübertragungsverbindung, sondern vielmehr auf der Bewertung der Leistung der Umwandlung von Sonnenlicht in Mikrowellenenergie.

"Er funktioniert wie ein Champion", sagte Paul Jaffe, ein NRL-Elektronikingenieur, der sich mit Power-Beaming und Solarenergie-Satelliten beschäftigt. "Wir erhalten regelmäßig Daten, und diese Daten übertreffen unsere Erwartungen", sagte er gegenüber Space.com.

PRAM-FX besteht hauptsächlich aus handelsüblichen Teilen und nicht aus "weltraumtauglicher" Hardware. "Die Tatsache, dass es weiterhin funktioniert und uns positive Ergebnisse liefert, ist sehr ermutigend", sagte Jaffe. Kommerzielle Teile werden in Massenproduktion hergestellt, während viele weltraumtaugliche Teile Einzelanfertigungen sind.

Solarenergiesatelliten, wie sie im hohen Erdorbit geplant sind, würden aus Tausenden von Elementen bestehen, die aus ähnlichen Komponenten bestehen, die an Bord der X-37B getestet werden, sagte Jaffe.

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Weltraumgestützte Solarenergie könnte dem Vereinigten Königreich helfen, bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen, so ein führendes britisches System-, Ingenieur- und Technologieunternehmen.

Einem führenden britischen System-, Ingenieur- und Technologieunternehmen zufolge könnte die weltraumgestützte Solarenergie dem Vereinigten Königreich helfen, bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen.

"Der große Kritikpunkt an der Solarenergie im Weltraum war immer, dass die Wirtschaftlichkeit nicht gegeben ist. Diejenigen, die sich ernsthaft mit dieser Idee auseinandergesetzt haben, wissen, dass es aus physikalischer Sicht keinen Grund gibt, warum es nicht möglich sein sollte", so Jaffe.

"Mit der Massenproduktion von Weltraum-Hardware und der Senkung der Kosten für den Zugang zum Weltraum wird es immer plausibler, dass es funktionieren könnte", fügte er hinzu. "Ich würde vor übermäßigem Optimismus warnen ... aber auch darauf hinweisen, dass sich die Dinge ändern. Es gibt viele ermutigende Entwicklungen."

Die GRV wird mit Sicherheit mit den Energiekosten verglichen werden, so Jaffe abschließend. "Es gibt einfach nicht genug Daten, um eine Grundlage für die Energiekosten für die Solarenergie im Weltraum zu schaffen. Es ist verfrüht. Was wir jetzt sehen, legt den Grundstein für diese Art von Bewertung".

Zu diesem Zweck hat Mankins von Artemis Innovation Management Solutions das Projekt SPS-ALPHA ("Solar Power Satellite by means of Arbitrarily Large Phased Array") entwickelt, das er auf dem 72. Internationalen Astronautenkongress vom 25. bis 29. Oktober in Dubai, Vereinigte Arabische Emirate, vorstellte. Mit einem detaillierten Geschäftsmodell und einem schrittweisen SSP-Fahrplan bietet das Konzept seiner Meinung nach einen klaren, erschwinglichen Weg zur Einführung einer dringend benötigten neuen Energieoption.

"Ich glaube, dass wir innerhalb eines Jahrzehnts einsatzbereite Solarstromsatelliten haben könnten", sagte Mankins.

Diese Möglichkeit in Verbindung mit der Tatsache, dass mehrere Nationen SSP als vielversprechendes Energieerzeugungssystem der Zukunft betrachten, wirft eine Frage auf: Ist ein Wettlauf um Solarstromsatelliten im Gange?

Laut Mankins ist es nicht weit davon entfernt. "Ich denke, es muss eine Zusammenarbeit zwischen Freunden und Verbündeten sein. Aber ich denke, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass es zu einem Wettbewerb mit China kommt. Je länger wir mit der Dringlichkeit von Maßnahmen gegen den Klimawandel warten, desto wahrscheinlicher ist es, dass wir den Anschluss verpassen werden."

Mankins ist seit 26 Jahren mit der Bewertung von SSP und den erforderlichen Technologien vertraut. "Der Zeitpunkt ist gekommen", sagte er. "Ich denke, die richtige Antwort ist ganz klar: Wir müssen es einfach tun".

Ein Artikel von Leonard David (01/2022)

Leonard David ist Autor des Buches "Moon Rush: The New Space Race", das im Mai 2019 bei National Geographic erscheint. Als langjähriger Autor für Space.com berichtet David seit mehr als fünf Jahrzehnten über die Raumfahrtindustrie. Folgen Sie uns auf Twitter @Spacedotcom oder Facebook.