Fortschritte in der Solartechnologie machen weltraumbasierte Lösungen plausibel

Seit geraumer Zeit wird umfangreich geforscht, wie man weltraumbasierte Solarenergie erfassen und nutzen kann. Wissenschaftler und Technologieexperten glauben, dass weltraumbasierte Solarenergie eine effiziente Ergänzung des verfügbaren Spektrums nachhaltiger Energiequellen sein könnte. 

Funktional würde das System Energieerfassungs- und Erntesonden in orbitalen Höhen besitzen, die die Sonnenenergie zu ihren Empfangspartnern auf der Erde zurückstrahlen. Und da es den Weltraum, die Erde und die Übertragungsstrecke zwischen diesen beiden Punkten umfasst, muss es aus hochentwickelten Technologielösungen bestehen. 

Ermutigend haben weltweit erzielte Fortschritte in der Solartechnologie die Herstellung weltraumbasierter Solarenergie plausibel gemacht. Doch bevor wir tiefer darauf eingehen, werfen wir einen kurzen Blick darauf, was weltraumbasierte Solarlösungen bedeuten und welche Vorteile sie bieten. 

Weltraumbasierte Solarenergie und ihre Vorteile

Laut Daten des US-Energieministeriums erhalten wir jede Stunde auf der Erde mehr Sonnenenergie, als wir in einem Jahr verbrauchen können. Fast 30 % dieser Energie wird von der Atmosphäre ungenutzt zurück in den Weltraum gestrahlt. Diese Energie kann effizient erfasst und genutzt werden, wenn wir robuste weltraumbasierte Solarenergiemechanismen etablieren. 

In diesem System können satellitenbasierte Solarpaneele mehr Energie erfassen und übertragen als Solarpaneele, die auf der Erdoberfläche installiert sind. Sie arbeiten besser aufgrund der Vorteile, die der Weltraum bietet. Laut der Beschreibung des DOE lauten diese: 

“Mit Solarpaneelen ausgestattete, Energie übertragende Satelliten sammeln hochintensive, ununterbrochene Sonnenstrahlung.” 

Die Versorgung ist ununterbrochen, weil es im Weltraum weder Wolken noch Nacht gibt. 

Die Technologie beinhaltet den Einsatz riesiger Spiegel, die große Mengen Sonnenstrahlen auf kleinere Solarsammler reflektieren, sodass sie drahtlos in Form eines Mikrowellen- oder Laserstrahls sicher und kontrolliert zur Erde übertragen werden können. 

Da dieser Prozess hochentwickelte Technologie erfordert, zieht er innovative Lösungen aus aller Welt an. Die NASA hat nun einen Bericht über weltraumbasierte Solarenergie veröffentlicht , um sich mit den ‘Informationen auszustatten, die sie benötigt, um zu bestimmen, wie sie die Entwicklung dieses Forschungsbereichs unterstützen kann’. 

Der Bericht versucht, die Parameter zu bewerten, die eine entscheidende Rolle dabei spielen, weltraumbasierte Solarenergie zu einer wettbewerbsfähigen Option zu machen, wobei das Endziel die Erreichung von Netto-Null-Emissionen ist. 

Einige technologische Engpässe, die die NASA für Forscher und Technologen in diesem Feld identifiziert hat, sind wie folgt:

• Sie müssten Wege finden, große Systeme im Orbit zu montieren und zu warten.
• Es ist Forschung nötig, damit diese Systeme autonom arbeiten und effizientes Energie‑Beamen ermöglichen, um die geerntete Energie zur Erde zu bringen. 
• Der NASA-Bericht betont zudem, dass vor dem Einsatz weltraumbasierter Solarsysteme die Kosten für den Start und den Bau angegangen werden müssen. Denn das Versenden all dieses Materials in den Weltraum erfordert zahlreiche kontinuierliche Missionen, um die Infrastruktur in die Umlaufbahn zu transportieren.

Der NASA-Bericht geht davon aus, dass weltraumbasierte Solarsysteme bis 2050 vollständig produktiv und betriebsbereit sein könnten. Durch den Bericht wurden einige Meilenstein‑Fortschritte in diesem Bereich deutlich. Beispielsweise erinnerte er an die JAXA‑Wissenschaftler, die bewiesen haben, dass es möglich ist, Energie präzise als Mikrowellen über eine beträchtliche Distanz drahtlos zu übertragen und schließlich in nutzbaren Strom umzuwandeln. 

Im Sinne dieses Erfolgs entwickelten Caltech‑Wissenschaftler im März 2023 den Space Solar Power Demonstrator (SSPD‑1) als das erste Raumfahrzeug, das solar erzeugte Energie aus dem Weltraum drahtlos zur Erde überträgt.

Die NASA hat zudem einige Schätzungen zur wirtschaftlichen Machbarkeit weltraumbasierter Solarenergie veröffentlicht. Einige seit langem eng mit diesem Bereich verbundene Experten haben diese Schätzungen ebenfalls hinterfragt. Dennoch gibt es kaum Zweifel an den Vorteilen, die dieses Stromerzeugungssystem verspricht. Es könnte bei Katastrophenhilfe, der Stromversorgung entlegener Sensoren und der Beseitigung bestehender Engpässe unseres traditionellen Energiesystems und seiner Lieferkette helfen. 

Betrachtet man die Vorteile, haben nationale Regierungen aller entwickelten Länder begonnen, darin zu investieren. Große Unternehmen mit den nötigen Ressourcen, wie Airbus und Northrop Grumman (NOC ), arbeiten ebenfalls unermüdlich daran. 

Wir werden nun einige ihrer Errungenschaften in den kommenden Abschnitten betrachten. Dabei sollte jedoch beachtet werden, dass es sich um ein sich entwickelndes Feld handelt und viele Vorhaben noch im Prototypstadium sind.

#1. Airbus Power Beaming

Eines der führenden Unternehmen, das an der Weiterentwicklung der Solartechnologie arbeitet, um weltraumbasierte Lösungen zu ermöglichen, ist Airbus. Seine Power‑Beaming‑Technologie, entwickelt von den Abteilungen Central Research & Technology und Blue Sky des Unternehmens, hat glaubwürdige Demonstrationen erbracht, wie dies ein Wendepunkt im Bereich weltraumbasierter Solartechnologie sein könnte. 

Laut Jean‑Dominique Coste, der zusammen mit Yoann Thueux und ihren Kollegen für die Entwicklung von Power Beaming verantwortlich ist: 

“Das Potenzial der Technologie liegt darin, Sonnenlicht zu erfassen und dann drahtlos zu übertragen.” 

Diese Wissenschaftler glauben, dass diese Energielösung in der Lage sein könnte, Städte, Fabriken, Haushalte und Flugzeuge ausreichend mit Strom zu versorgen.

Die Airbus‑Technologieentwickler demonstrierten Power Beaming erstmals in der X‑Works Innovation Factory des Unternehmens am 27. September 2022. Obwohl die Demonstration in kleinerem Maßstab erfolgte, konnte sie ausreichend verdeutlichen, was nötig ist, um Power Beaming zum Funktionieren zu bringen. 

Coste, Thueux und ihre Kollegen nutzten Mikrowellen‑Beaming, um grüne Energie zwischen zwei Punkten zu übertragen, die ‘Weltraum’ und ‘Erde’ repräsentierten. Der Abstand zwischen diesen beiden Punkten betrug 36 Meter. Die Demonstration erzeugte zudem grünen Wasserstoff, um eine Modellstadt zu versorgen. 

Nach Abschluss der Demonstration sagte Yoann Thueux: 

“Jetzt, wo wir die Schlüsselbausteine eines zukünftigen weltraumbasierten Solarsystems zum ersten Mal im kleinen Maßstab erfolgreich getestet haben, sind wir bereit, Power Beaming auf die nächste Stufe zu heben.”

Airbus erwartet, dass diese Technologie in Kürze Realität wird. Es glaubt, dass die ersten einsatzfähigen Power‑Beaming‑Prototypen Anfang der 2030er Jahre verfügbar sein werden. 

In ihrer endgültigen Anwendungsform würde die Technologie ein Solarpanel in der geostationären Umlaufbahn, etwa 36.000 km über der Erde, platzieren. Dieses Solarpanel würde mit einem gleichgroßen Solarpanel auf der Erde gekoppelt werden. 

Die im Weltraum gesammelte Energie würde über ein Gebiet, das mit vielen Antennen bestückt ist, nach unten gebündelt. Diese Antennen würden die Strahlen auffangen, um die Energie wieder zusammenzusetzen und Strom zu erzeugen. 

Sobald dieses System ein bestimmtes Ausmaß erreicht, würde die Energieerzeugung damit dieselben Kosten verursachen wie große Energieprojekte auf der Erde, die auf Kernenergie, Öl oder anderen erneuerbaren Energiequellen basieren. Laut Schätzungen würde ein geostationärer Solarpark bis zu zwei Gigawatt Strom erzeugen. 

Am 15. Februar 2024, Airbus veröffentlicht seine Jahresergebnisse 2023, mit einem Jahresumsatz von 65,4 Milliarden und einem bereinigten EBIT von 5,8 Milliarden Euro. 

#2. Northrop Grumman

Ein weiteres großes globales Unternehmen, das die notwendigen Tests abgeschlossen hat, um seine Fähigkeiten in der weltraumbasierten Solartechnologie zu bestätigen, ist Northrop Grumman. Das Unternehmen hat erfolgreich gezeigt, dass es Radiofrequenzenergie zu verschiedenen Antennen strahlen kann, indem es den Strahl steuert. Es ist zuversichtlich, bis 2025 einen Prototyp zu präsentieren. 

Dieser Prototyp würde die Fähigkeit des Unternehmens demonstrieren, RF‑Energie zur Erde zu strahlen. Die Technologie wird von Northrop Grumman’s Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR) entwickelt. 

Laut Tara Theret, Programmdirektorin für SSPIDR: 

“Jetzt geht es nur noch darum, den Rest der Hardware in einem anspruchsvollen Zeitplan zu bauen, zu testen und zu integrieren.”

Weitere Arbeiten in diesem Prozess umfassen die Verkleinerung elektronischer Komponenten und die Skalierung der Anzahl von ‘Sandwich‑Tiles’. Sandwich‑Tiles sind im Grunde Photovoltaik‑Zellenpaneele, die Sonnenenergie sammeln und die Leistung an die nächste Schicht weiterleiten, wobei Komponenten die Umwandlung von Solar‑ zu RF‑Energie ermöglichen und die Strahlenbildung unterstützen. 

Das Unternehmen stellt zudem die notwendige Flughardware her, um das System zusammenzusetzen und es auf der firmeneigenen ESPAStar‑Plattform zu starten. Die ESPAStar‑Plattform ist ein Satellitenbus, der Nutzlasten mit notwendigem Antrieb, Energie, Lageregelung und Kommunikation ausstattet. 

Zur Bestätigung seiner Arbeit ermutigte das US Air Force Research Laboratory die Bemühungen von Northrop Grumman im Jahr 2018 mit einem Vertrag über 100 Millionen US‑Dollar, um eine Nutzlast zu entwickeln, die Schlüsselkomponenten des Prototyp‑Weltraum‑Solarenergiesystems demonstriert.

Die Luftwaffenbehörden wollten die Entwicklungsbemühungen beschleunigen, die nötig sind, um ein Prototyp‑Weltraumsystem zu bauen, das US‑Militärbasen mit Solarenergie versorgen kann. 

Insgesamt betonte Tara Theret das Potenzial, das weltraumbasierte Lösungen in der Solartechnologie für die Zukunft bieten, und sagte: 

“Weltraum‑Solarenergie‑Beaming hat das Potenzial, überall auf der Erde zu jeder Zeit Energie bereitzustellen. Diese Technologie könnte Strom für abgelegene Orte verfügbar machen, die medizinische und Kommunikationsausrüstung benötigen.”

Northrop Grumman verzeichnete Gesamtumsätze von 36,6 Milliarden US‑Dollar im Geschäftsjahr zum 31. Dezember 2022. Der Umsatz aus dem Bereich Space Systems lag bei fast 12,3 Milliarden US‑Dollar, ein deutlicher Anstieg gegenüber 10,6 Milliarden US‑Dollar im Vorjahr. Von den 12,3 Milliarden US‑Dollar Umsatz im Jahr 2022 stammten 94 % von der US‑Regierung, während die restlichen 3 %, 2 % und 1 % aus internationalen Verkäufen, Verkäufen an andere Kunden bzw. intersegmenten Verkäufen stammen. 

#3. CESI

CESI mit Sitz in Mailand, Italien, verfügt über drei Jahrzehnte Erfahrung in Forschung, Entwicklung und Produktion von Solarzellen, die für Weltraumanwendungen hoch effizient sind. Darüber hinaus ist es einer der gefragtesten globalen Lieferanten von Mehrfachzellen, die Galliumarsenid und Indiumgalliumphosphid verwenden. 

CESI bietet eine Reihe von Triple‑Junction‑Weltraumzellen an. Diese Zellen enthalten neben Galliumarsenid und Indiumgalliumphosphid auch Germanium. Sie erweisen sich als effektiv für Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn (LEO) und geostationärer Umlaufbahn (GEO). Diese Produkte entsprechen zudem den erforderlichen ECSS‑E‑ST20‑08C‑Standards. CESI ist nun dabei, Vier‑Junction‑Zellen einzuführen, die höhere Effizienzwerte als Dreifach‑Junction‑Zellen aufweisen. 

Zukünftig plant CESI, ein breites Sortiment an Weltraum‑Solarzellen anzubieten, das jede Anforderung eines Raumfahrtprogramms erfüllt. Bisher haben die Bemühungen von CESI zu mehr als 200.000 Solarzellen geführt, die über 70 zivile Satelliten für Kunden in 25 Ländern versorgen.

CESI verfügt über proprietäre Technologie zur Herstellung von Solarzellen in Mailand. Im Laufe der Jahre hat es ein eng vernetztes und tiefes Netzwerk mit vielen internationalen Raumfahrtbehörden und Akteuren aufgebaut.

Wie Northrop Grumman arbeitet CESI ebenfalls mit der italienischen Regierung zusammen und hat Fördermittel von der italienischen Raumfahrtagentur (ASI) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) erhalten. Es hat fortschrittliche Solarzellen hergestellt, um den Bedürfnissen des europäischen Raumfahrtprogramms und zahlreicher interplanetarer Missionen gerecht zu werden.

Laut der zuletzt verfügbaren Finanzberichterstattung erzielte das Unternehmen im Geschäftsjahr zum 31. Dezember 2022 einen Umsatz von über 87 Millionen tschechischen Kronen. 

Fortschritte in der Weltraum‑Solartechnologie: Der Weg nach vorn

Weltraum‑Solartechnologie hat ihren Platz gefunden, indem sie ihren Wert für die globale Gemeinschaft bewiesen hat, was nationale Regierungen weltweit dazu veranlasste, mit großer Begeisterung darin zu investieren. In den USA wurde dies in die Tat umgesetzt, als das Naval Research Laboratory 2020 ein Experiment durchführte, um Sonnenlicht zu erfassen und in Gleichstromenergie umzuwandeln. Dafür wurde das X‑37B‑Raumflugzeug der Luftwaffe eingesetzt. 

Gleichzeitig gewinnen internationale Anstrengungen an Schwung. Die chinesischen Behörden haben mit ihrem Plan für 2028 ehrgeizige Ziele für eine weltraumbasierte Demonstration, geleitet vom China Academy of Space Technology, gesetzt. In Europa sticht Solaris als gut finanziertes dreijähriges Forschungsprogramm hervor, das von der Europäischen Weltraumorganisation genehmigt wurde. Auch das Vereinigte Königreich ist im Rennen und bietet Fördermittel für Studien zur Nutzung von Solarenergie im Weltraum an. 

Offensichtlich arbeiten innovative Unternehmen, große und ressourcenstarke globale Organisationen sowie Regierungen weltweit zusammen, um die Energie, die der Weltraum uns bietet, zu erfassen und zu nutzen. Da diese ununterbrochene, ungenutzte Solarenergie darauf wartet, zum Nutzen des Planeten erschlossen zu werden, sieht die Zukunft tatsächlich vielversprechend aus.

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