Von Sci‑Fi zu Himmelshoch: Sind orbitierende Solarpaneele eine glänzende Idee?

Stellen Sie sich vor, die Energie der Sonne nicht nur von der Erde, sondern direkt aus dem Weltraum zu nutzen. Das ist das Wesen der Space Solar Power (SSP). 

Es ist ein fortschrittliches Konzept, bei dem Sonnenenergie im weiten Weltraum gesammelt und dann zur Erde gebündelt wird. Diese Methode umgeht irdische Beschränkungen wie Nacht und Wetterbedingungen und gewährleistet einen konstanten, ungehinderten Fluss von Solarenergie. 

Obwohl es wie eine futuristische Idee klingt, sind die grundlegenden Prinzipien hinter SSP so zeitlos wie die Sonne selbst.

Um Space Solar Power: zu definieren, ist sie eine Quelle sauberer Energie, bei der aus Sonnenlicht im Weltraum gewonnene Energie drahtlos zur Erde übertragen wird. 

Die Sonne, mit einer geschätzten Lebensdauer von 4-5 billion years, stellt eine wirklich langfristige Energielösung dar. Darüber hinaus erzeugt Space Solar Power keine Treibhausgase und ist nicht auf zunehmend knappe Süßwasserressourcen, wertvolle Ackerflächen oder aus Erdgas gewonnene Düngemittel angewiesen. 

Sie erzeugt zudem keinen gefährlichen Abfall und bleibt im Gegensatz zu herkömmlichen Solarlösungen unbeeinflusst von Wolkenbedeckung, Tageslichtschwankungen oder Windgeschwindigkeit.

Die Möglichkeiten, die Space Solar Power bietet, haben viele Organisationen dazu inspiriert, Lösungen darum herum zu entwickeln. Zu den prominenten Akteuren im Markt für weltraumbasierte Solarkraft gehören Airbus, Azur Space Solar Power GmbH, Fralock LLC, die Japanische Raumfahrtagentur, Northrop Grumman (NOC ), Borrego Energy, LLC., Solaren Corporation, Space Tech GmbH, Space Canada, DHV Technology und mehr. 

Bevor wir jedoch tiefer darauf eingehen, wie diese Unternehmen und ihre Lösungen funktionieren, lassen Sie uns zunächst klären, was weltraumbasierte Solarsysteme sind und warum sie als praktikabel für die Erzeugung sauberer, erneuerbarer Energie gelten. 

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Die Wissenschaft hinter weltraumbasierten Solarkraftsystemen

Studien zeigen, dass die Erde jede Stunde mehr Solarenergie erhält, als die Menschheit in einem ganzen Jahr verbraucht. Interessanterweise reflektiert die Erdatmosphäre etwa 30% of this solar energy zurück in den Weltraum. 

Weltraumsolarkraft-Generierungssysteme nutzen die reichlich vorhandene Solarenergie, die sonst im Weltraum verloren geht, ungenutzt. Schließlich sorgt das Fehlen atmosphärischer Störungen wie Wolken und die ständige Sonneneinstrahlung ohne nächtliche Unterbrechungen dafür, dass diese satellitenbasierten Systeme außergewöhnlich effizient sind. Sie können wesentlich mehr Energie erfassen und zur Erde zurückübertragen als herkömmliche Solarpaneele.

In diesen weltraumbasierten Systemen zur Erfassung und Übertragung von Solarkraft verfügen Satelliten mit Paneelen auch über Energie‑Übertragungsfähigkeiten. Sie nutzen großformatige Spiegel, um massive Mengen Sonnenstrahlen auf kleinere Solarsammler zu konzentrieren. Diese hochintensive, ununterbrochene Sonnenstrahlung wird dann drahtlos, sicher und kontrolliert zur Erde gebündelt.

Die Machbarkeit von Space Solar Power: Technische Innovationen

Die Übertragung von Space Solar Power ist dank jüngster technischer Innovationen machbar geworden. Es gibt zwei Arten von Übertragungssystemen. 

Die erste sind die mikrowellenübertragenden Solarsatelliten, die andere die laserübertragenden Solarsatelliten. Bei mikrowellenübertragenden Satelliten wird das Sonnenlicht von den großen Spiegeln in das Zentrum des Satelliten reflektiert, wo es in ununterbrochene Mikrowellenenergie umgewandelt und zur Erde gebündelt wird. 

Bei der zweiten Art, den laserübertragenden Satelliten, nutzen sie, wie der Name schon sagt, Laser anstelle von Mikrowellenstrahlen. Diese Satelliten operieren typischerweise in Gruppen mit anderen kleineren Satelliten, bedingt durch ihre geringere Größe.

Bezüglich der wirtschaftlichen Machbarkeit dieser beiden Konzepte haben laserbasierte Solarsatelliten relativ niedrige Anfangskosten im Bereich von US 500 Millionen bis US 1 Milliarde. Der kleinere Durchmesser des Laserstrahls erleichtert und verbilligt die Umsetzung am Boden. 

Allerdings erfüllen mikrowellenbasierte Solarsatelliten ihren Zweck, wenn es darum geht, stabile, ununterbrochene Energie durch Regen, Wolken und andere atmosphärische Bedingungen zu erfassen und zu übertragen. Sie können mehr als 1 Gigawatt Energie an ihren bodengebundenen Empfänger liefern, was ausreicht, um eine große Stadt zu versorgen. 

Bei der Diskussion all dieser Fortschritte dürfen wir nicht vergessen, dass diese technologischen Wunder nicht über Nacht entstanden sind. Sie beruhen auf einer langen Tradition wissenschaftlicher und technologischer Forschung. Um das zukünftige Potenzial der Weltraumsolarkraft zu verstehen, müssen wir sie in den Kontext setzen. 

Entwicklung des Weltraumsolarkonzepts: Von den Anfängen bis zum heutigen Stand

1970er:

• Konzepte der Weltraumsolarkraft begannen in den USA untersucht zu werden.

1980er:

• Asien begann, Konzepte der Weltraumsolarkraft zu erforschen.

Späte 1990er – Frühe 2000er:

• 1998: Die Studie zur Definition des Space Solar Power Concept identifiziert glaubwürdige, kommerziell tragfähige Konzepte sowie die damit verbundenen technischen und programmatischen Risiken.

• 1998: Die japanische Raumfahrtbehörde entwickelt ein Weltraumsolarkraftsystem, das weiterhin aktiv ist.

• 1999: Das NASA-Programm für explorative Forschung und Technologie zur Space Solar Power wird gestartet.

Frühe 2010er bis 2020

• 2010: Die Indian Space Research Organisation beginnt mit den Grundlagenarbeiten zur Space Solar Power.

• 2012: China schlägt eine gemeinsame Entwicklung der Space Solar Power mit Indien vor.

• 2015: Caltech und Northrop Grumman Corporation gründeten die Space Solar Power Initiative und stellten für die Entwicklung eines weltraumbasierten Solarkraftsystems über drei Jahre hinweg etwa US 17,5 Millionen bereit.

2020er

• 2022: Das Vereinigte Königreich kündigt seine Space Energy Initiative an, mit dem Ziel, bis Mitte der 2040er Jahre die erste Weltraumkraftstation zu starten und 30 % des Strombedarfs aus dieser Quelle zu decken.

• 2022: Die Europäische Weltraumorganisation kündigt das Solaris-Programm an, das ab 2030 Solarkraftsatelliten betreiben will.

• 2023: Der Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) von CalTech überträgt erfolgreich messbare Energie zur Erde.

Während dieser Jahre haben verschiedene nationale Regierungen, universitäre Forschungsabteilungen und staatlich geförderte Organisationen die Infrastruktur und Möglichkeiten der Space Solar Power untersucht.

Wesentliche Beiträge kamen auch von Unternehmen wie Northrop Grumman, Airbus und Solaren Corporation bei der Entwicklung dieser transformativen Energiequelle.

Obwohl viele dieser Space Solar Programs von nationalen Regierungen, universitären Forschungsabteilungen und staatlich geförderten autonomen Organisationen stammen, haben Unternehmen wie Northrop Grumman, Airbus und Solaren Corporation entscheidende Rollen bei der Nutzung dieser transformativen Energiequelle gespielt. 

Unternehmen mit transformativen Weltraumsolarkraft-Initiativen

1. Northrop Grumman

Das in Baltimore, Maryland ansässige Unternehmen Northrop Grumman arbeitet mit seinem Projektteam Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR) daran, die Übertragung von Solarenergie aus dem Weltraum an jeden Ort auf der Erde zur Realität zu machen. 

Das Projekt zielt darauf ab, orbitale, hocheffiziente Photovoltaikzellen zu nutzen, um Solarenergie zu sammeln und in Funkfrequenz‑ (RF‑) Energie umzuwandeln, die zu einer Empfangsstation auf der Erde gebündelt wird. 

Das Unternehmen ist führend in der Entwicklung schlüsselfertiger Solarpanel‑Systeme für den Weltraum. Seine photovoltaischen Unterbaugruppen nutzen modernste Technologien zum Schweißen oder Löten mittels robotergestützter Automatisierung und verbinden Solarzellen zu Schaltkreisen von bis zu sechs Fuß Länge. 

Seine Covered Interconnected Cells ermöglichen die Integration von Solarzellen und Deckglas für CIC‑Baugruppen. 

Es fertigt außerdem Solarzellen‑Stränge, Widerstands‑Wing‑Isolations‑Board‑Baugruppen für die extremsten Weltraumbedingungen, temperaturbereichsübergreifende Komponenten (‑185 bis >300 °C), Platin‑Widerstandsthermometer‑Baugruppen und mehr. 

Diese Innovationen haben den Fortschritt von Space Solar Power‑Initiativen beschleunigt und ihr Potenzial erschlossen. 

Im Jahr 2022 verzeichnete Northrop Grumman einen Umsatz von US 36,6 Milliarden und ein transaktionsbereinigtes Ergebnis je Aktie von US 25,54. Der Nettogewinn des Unternehmens lag im Geschäftsjahr 2022 bei fast US 5 Milliarden. 

2. Airbus

Ein weiteres Unternehmen, das in diesem Bereich führend ist, war Airbus. Seine Energie‑Bündelungs‑Lösungen zielen darauf ab, Europa den unabhängigen Zugang zu mehr erneuerbaren Energien zu ermöglichen, indem neue Energie‑Netzwerke am Himmel eine unabhängige und nachhaltige Stromversorgung rund um die Uhr bieten. Die ersten einsatzfähigen Power‑Beaming‑Prototypen von Airbus könnten bereits Anfang der 2030er Jahre genutzt werden.

Zusätzlich ist Airbus ein führender europäischer Hersteller von Solarpanelen, Photovoltaik‑Baugruppen und Solarzellen‑Baugruppen für institutionelle und kommerzielle Anwendungen. Es hat Leistungs‑Conditioning‑ und Verteilungs‑Einheiten für Satelliten hergestellt. Außerdem liefert es elektrische Antriebssysteme und eine Reihe von Elektronik für elektrische Antriebe, einschließlich Leistungs‑Steuerungs‑ und -Verarbeitungseinheiten, die in Weltraumsolarsystemen benötigt werden.

Airbus arbeitet zudem an der Entwicklung fortschrittlicher Photovoltaik‑Solarmodule, die leichter, flexibler und in der Lage sind, mehr Energie auf ihrer Oberfläche zu erfassen. Sein Flaggschiff‑Programm Zephyr ist ein hochfliegendes Pseudo‑Satellit, das ausschließlich durch Solarenergie betrieben wird.

All dies trägt wesentlich dazu bei, die Entwicklung der Space Solar Power schneller voranzutreiben und die Effizienz zu steigern.

Im Geschäftsjahr 2022 verzeichnete Airbus einen Umsatz von 58,8 Milliarden Euro, mit einem bereinigten EBIT von 5,6 Milliarden Euro. Der freie Cashflow vor Fusionen & Übernahmen und Kundenfinanzierung lag bei 4,7 Milliarden Euro. Das Unternehmen schlug eine Dividende von 1,80 Euro pro Aktie vor.

3. Solaren Corporation

Ein aufstrebender Innovator in diesem Bereich, Solaren Corporation, hat Wege entwickelt, um kostengünstigen, emissionsfreien Strom aus dem Weltraum zu übertragen. 

In den nächsten zehn Jahren wird Solaren die erste SSP‑Anlage entwickeln, starten und betreiben sowie Strom verkaufen. Solaren hat zudem hochmoderne SSP‑Systempatente in Ländern wie den Vereinigten Staaten, der Europäischen Union, China, Japan, Indien, Kanada und der Russischen Föderation erworben.

Solaren’s Space Solar Power‑Lösungen bieten zahlreiche Vorteile. Sie umfassen eine saubere Grundlaststromversorgung rund um die Uhr, die kostengünstig, emissionsfrei und frei von nuklearer Strahlung ist. Außerdem benötigen sie kein Wasser für die thermische Kühlung, wodurch die Erwärmung von Ozeanen, Flüssen und Seen vermieden wird.

Die Space Solar Power‑Lösung von Solaren besteht aus zwei Komponenten: dem Solar Power Satellite und der Ground Receive Station. Der Satellit nutzt Solarpaneele und eine RF‑Antenne, um Energie zu erfassen und zu übertragen. Die Ground Receive Station empfängt die übermittelten Leistungen über ihre Empfangsantennen.

Im Juli 2023 kündigte Solaren den erfolgreichen Abschluss seiner neuesten Finanzierungsrunde an, die von Skyseed Ventures geleitet wurde. Solaren sammelte dabei $2,46 Millionen in dieser Runde.

Globale Auswirkungen und Machbarkeit von Space Solar Power

Das Aufkommen hochentwickelter Technologien rund um weltraumbasierte Solarkraftsysteme hat dazu beigetragen, Raumfahrzeuge, Satelliten, Rover und andere Weltrauminfrastrukturen zu betreiben. Solarenergie aus dem Weltraum kann diese Systeme über lange Zeiträume hinweg versorgen, ohne dass häufiges Nachtanken aus Bordenergiequellen nötig ist.

Die Innovationen haben die Kosten für die Entwicklung wiederverwendbarer Raketen gesenkt und die Ausgaben für den Start von Ausrüstung in den Weltraum reduziert. Auch die Wartungskosten der weltraumbasierten Solarkraft‑Erfassungs‑ und Übertragungsarchitektur sind gesunken. Der vermehrte Einsatz von Robotik und Automatisierung wird eine entscheidende Rolle dabei spielen, die Kosten weiter zu senken und die Effizienz zu steigern.

Schätzungen zufolge dominiert Nordamerika den Markt mit fast zwei Fünfteln des globalen Umsatzes, der aus der Region stammt. Hinsichtlich zukünftiger Wachstumstreiber besitzen jedoch China und Indien ein hohes Potenzial.

Herausforderungen zu bewältigen

Zukünftig müssen Weltraumsolarkraft‑Lösungen einige entscheidende Engpässe überwinden. Einer davon ist das Erreichen des optimalen Gleichgewichts zwischen Produktionskosten und Leistung. Die kostengünstigeren laserbasierten Übertragungslösungen leiden unter der geringen Leistung jedes Satelliten, sodass mehrere Satelliten nötig sind, um einen nennenswerten Effekt zu erzielen. Die teureren mikrowellenbasierten Lösungen hingegen können bei den Startkosten in die Zehn‑Milliarden‑Dollar‑Region steigen.

Laser‑Übertragungslösungen können, obwohl innovativ, sicherheitsrelevante Probleme wie Blendgefahr und potenzielle Bewaffnung mit sich bringen. Mikrowellen‑Übertragungslösungen hingegen, obwohl sie diese spezifischen Sicherheitsbedenken vermeiden, benötigen viel Platz, sodass bodengebundene Empfänger mehrere Kilometer im Durchmesser erfordern.

Laser‑Satelliten sind zudem anfällig für atmosphärische Unregelmäßigkeiten wie dichte Wolken oder Regen. Mikrowellen‑Lösungen sind aufgrund ihrer erforderlichen Distanz zur Erde praktisch nicht reparierbar.

All diese Probleme müssen angemessen adressiert und gelöst werden. Die Größe von Satelliten und bodengebundenen Empfängern muss drastisch reduziert werden, ohne ihre Energieerfassungs‑ und Übertragungsfähigkeiten zu beeinträchtigen.

Die Kosten müssen für Entwicklungsländer moderat sein, damit sie mehr Vertrauen in das Testen und Ausprobieren dieser Technologien haben. Reparaturmöglichkeiten müssen stärker ausgebaut werden, und die Lösungen sollten in ihrer Leistungsfähigkeit unabhängig vom herrschenden Wetter werden.

Ein vielversprechender Weg voraus

Da große börsennotierte Unternehmen stark in die Herstellung von Space Solar Power‑Produkten und -Lösungen investieren, sieht die Zukunft vielversprechend aus. Innovationen werden florieren und das System wird effizienter und optimaler werden.

Schließlich ist die treibende Kraft hinter den globalen Space Solar Power‑Missionen das übergeordnete Ziel, durch erneuerbare Energien Nachhaltigkeit für den Planeten zu erreichen.

Erreicht die Space Solar Power ihr volles Potenzial, könnte sie Strom in jedes Land zu denselben Kosten liefern, ohne dass neue Ausgaben für den Bau von Langstrecken‑Übertragungsleitungen erforderlich wären.

Analysten gehen davon aus, dass Space Solar Power in den kommenden zwei Jahrzehnten mehr als 250.000 dauerhafte High‑Tech‑Jobs schaffen kann. In Wirklichkeit könnte diese Zahl sogar noch höher liegen.

Daher werden Weltraumsolarkraft‑Lösungen weiterhin einen wachsenden Anteil am bestehenden US 2‑Billionen‑Dollar‑globalen Strommarkt einnehmen. Mit zunehmender Reichweite werden immer mehr Lösungsanbieter auf den SSP‑Zug aufspringen. Es wird zu einer wirtschaftlich tragfähigen Methode, die heutigen Energieprobleme des Planeten zu lösen.

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