Bemühungen zur Übertragung von Solarenergie aus dem Weltraum zur Erde

Forscher führen Experimente durch, um im Weltraum Solarenergie zu erzeugen und diese drahtlos zur Erde zurückzuübertragen.

Simulation des britisch entwickelten Solarenergiesatelliten CASSIOPeiA. Foto: Space Solar — Simulation des britisch entwickelten Solarenergiesatelliten CASSIOPeiA. Foto: *Space Solar*

Ali Hajimiri, Professor für Elektrotechnik am California Institute of Technology (Caltech), forscht laut CNN seit zehn Jahren an Möglichkeiten, Solarzellen ins Weltall zu schicken und die Energie zur Erde zurückzustrahlen. Dieses Jahr unternahmen Hajimiri und seine Kollegen einen weiteren Schritt, um die Solarenergieerzeugung im Weltraum zu realisieren. Im Januar 2023 starteten sie Maple, einen 30 Zentimeter langen Prototypen, der mit einem flexiblen, ultraleichten Sender ausgestattet ist. Ihr Ziel ist es, Sonnenenergie zu sammeln und drahtlos durch den Weltraum zu übertragen. Die gesammelte Strommenge reicht aus, um zwei LED-Lampen zum Leuchten zu bringen.

Das übergeordnete Ziel der Forscher war es jedoch herauszufinden, ob Maple Energie zur Erde zurücksenden könnte. Im Mai 2023 beschloss das Team, ein Experiment durchzuführen, um dies zu untersuchen. Auf einem Dach des Caltech-Campus in Pasadena, Kalifornien, gelang es Hajimiri und einigen anderen Wissenschaftlern, das Signal von Maple aufzufangen. Die gemessene Energie war zu gering, um nutzbar zu sein, doch die drahtlose Übertragung von Strom aus dem Weltraum war erfolgreich.

Die Erzeugung von Solarenergie im Weltraum ist keine allzu komplizierte Idee. Die enorme Energie der Sonne kann im All genutzt werden. Sie stellt eine ständig verfügbare Stromquelle dar, unbeeinflusst von schlechtem Wetter, Bewölkung, Tageszeit oder Jahreszeit. Es gibt viele verschiedene Ansätze, dies zu realisieren, aber das Prinzip ist folgendes: Solarbetriebene Satelliten mit einem Durchmesser von über 1,6 km werden in hohe Umlaufbahnen gebracht. Aufgrund ihrer enormen Größe bestehen sie aus Hunderttausenden kleiner, in Serie gefertigter Module, ähnlich wie Legosteine, die von autonomen Robotern im Weltraum zusammengebaut werden.

Die Solarpaneele des Satelliten sammeln Sonnenenergie, wandeln sie in Mikrowellen um und senden diese drahtlos über einen Sender mit sehr großer Sendeleistung zur Erde. Die Mikrowellen können Wolken und schlechtes Wetter problemlos durchdringen und erreichen die Empfangsantenne auf der Erde. Dort werden sie wieder in Strom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist.

Die Empfangsantennen haben einen Durchmesser von etwa 6 Kilometern und können sowohl an Land als auch auf See errichtet werden. Da die Gitterstruktur nahezu transparent ist, kann der darunterliegende Boden für Solaranlagen, Landwirtschaft oder andere Zwecke genutzt werden. Ein einzelner Solarsatellit im Weltraum kann 2 Gigawatt Strom erzeugen, was der Leistung von zwei mittelgroßen Kernkraftwerken in den Vereinigten Staaten entspricht.

Die größte Hürde für diese Technologie waren bisher die hohen Kosten für den Transport von Kraftwerken in den Orbit. Im letzten Jahrzehnt hat sich dies jedoch geändert, da Unternehmen wie SpaceX und Blue Origin mit der Entwicklung wiederverwendbarer Raketen begonnen haben. Die Startkosten liegen mittlerweile bei etwa 1.500 US-Dollar pro Kilogramm, also rund 30 Mal niedriger als in der Ära des Space Shuttles Anfang der 1980er-Jahre.

Befürworter dieser Idee argumentieren, dass Weltraumsolarenergie die Energieversorgung für Industrieländer mit hohem Energiebedarf, aber unzureichender Infrastruktur sicherstellen könnte. Sie könnte auch die vielen abgelegenen Städte und Dörfer der Arktis versorgen, die jedes Jahr monatelang im Dunkeln liegen, und Gemeinden helfen, die durch Naturkatastrophen oder Konflikte von der Stromversorgung abgeschnitten sind.

Auch wenn es noch ein langer Weg von der Idee bis zur Markteinführung ist, sind Regierungen und Unternehmen weltweit überzeugt, dass Solarenergie aus dem Weltraum den steigenden Bedarf an sauberem Strom decken und zur Bewältigung der Klimakrise beitragen kann. In den USA plant das Forschungslabor der Luftwaffe den Start eines kleinen experimentellen Raumfahrzeugs namens Arachne im Jahr 2025. Das Forschungslabor der US-Marine startete im Mai 2020 ein Modul mit einem orbitalen Testfahrzeug, um Hardware zur Solarenergieerzeugung unter Weltraumbedingungen zu erproben. Die Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie plant, 2028 einen Solarbatterie-Satelliten in eine niedrige und 2030 in eine hohe Erdumlaufbahn zu bringen.

Die britische Regierung hat eine unabhängige Studie durchgeführt und ist zu dem Schluss gekommen, dass die Solarenergieerzeugung im Weltraum technisch machbar ist, beispielsweise mit dem 1,7 km großen Satelliten CASSIOPeiA, der 2 Gigawatt Leistung liefern kann. Auch die Europäische Union entwickelt das Solaris-Programm, um die technische Machbarkeit von Solarenergie im Weltraum zu untersuchen.

In Kalifornien hat Hajimiri mit seinem Team die letzten sechs Monate Prototypen auf Herz und Nieren geprüft, um Daten für die Entwicklung von Segeln der nächsten Generation zu sammeln. Hajimiris Ziel ist eine Reihe flexibler, leichter Segel, die transportiert, gestartet und im Weltraum entfaltet werden können. Milliarden von Komponenten arbeiten dabei perfekt synchronisiert zusammen, um Energie genau dort bereitzustellen, wo sie benötigt wird.

An Khang (laut CNN )

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