Energie
Weltraum‑basierte Energiesysteme für endlose saubere Energie
Erneuerbare Energien weiter vorantreiben
Der Vorstoß, unsere Energiesysteme zu dekarbonisieren und zu elektrifizieren, stützt sich derzeit auf erneuerbare Energien, insbesondere Wind und Solar. Geothermie und Kernenergie könnten ebenfalls helfen.
Leider leidet jede dieser Lösungen unter einigen Einschränkungen:
- Geothermie ist nach wie vor eher unbewiesen, wenn es um die Produktion im großen Maßstab geht, und hängt von ungleichen lokalen Wärmequellen ab.
- Kernenergie ist unpopulär, erzeugt nuklearen Abfall und erfordert viel Anfangskapital. Das hindert ihre Einführung, selbst wenn die meisten dieser Probleme könnten durch die 4teGeneration von Kernkraftwerken gelöst werden.
- Erneuerbare Energien leiden unter Intermittenz, was die Umstellung der Stromnetze zwingt, massive Summen in Batterien und andere Formen der Energiespeicherung zu investieren.
Bei Solarenergie scheint die Intermittenz ein unvermeidliches Merkmal zu sein, da die Erde die Hälfte der Zeit nachts ist. Zusätzlich kann Bewölkung die Stromerzeugung wochen- oder sogar monatelang in einigen Regionen der Welt drastisch reduzieren, und das noch bevor die Probleme durch Staub oder Schnee diskutiert werden.
Was wäre, wenn wir, um Nacht‑ und Klima‑Probleme zu vermeiden, unsere Solarenergie‑Basis in den Weltraum verlagern würden? Wie würde das funktionieren? Und gibt es eine andere Möglichkeit, die Zivilisationen der Erde aus dem Weltraum zu versorgen?
Weltraumgestützte Solarenergie
Das erste Schlüsselmerkmal der weltraumgestützten Solarenergie ist, dass die Stromsatelliten, während sie die Erde umkreisen, in eine Umlaufbahn gebracht werden können, die niemals im Erdschatten liegt, und somit rund um die Uhr produzieren. Das verdoppelt nicht nur die Produktion, sondern eliminiert auch die Notwendigkeit von Batterien für bodengebundene Solaranlagen.
Kombiniert mit dem Wegfall von Produktionsverlusten im Winter oder durch Wolken wird intermittierende Solarenergie fast zu perfektem Grundlaststrom.
Ein weiterer Faktor ist, dass die Atmosphäre selbst ohne Wolken einen Großteil des Sonnenlichts absorbiert. Die Neigung der Erde und ihre kugelförmige Gestalt reduzieren zudem die Sonneneinstrahlung auf den Boden außerhalb der Äquatorregion.
Orbitale Solarpaneele leiden nicht unter diesen Einschränkungen. Dank all dieser Faktoren kombiniert, ein Solarpanel im Orbit könnte bis zu 40‑mal mehr produzieren als eines auf dem Boden.
Wie funktioniert das?
Wir wissen bereits, wie man Solarenergie im Weltraum erzeugt, da Hochleistungssolarzellen bereits praktisch alle Satelliten und die ISS versorgen. Theoretisch müssten wir lediglich deutlich mehr solcher Solarpaneele in die Umlaufbahn bringen und die Energie zurück zur Erde senden.
Quelle: Solar.com
Überraschenderweise ist das Zurücksenden der Energie nicht so schwierig, wie man sich vorstellen könnte. Das bisher dominierende Konzept besteht darin, Mikrowellen (2,45 GHz) zu verwenden, die von Wolken nicht absorbiert werden. Die Mikrowellen werden dann von einer speziellen Antenne, einer sogenannten Rectenna, aufgenommen und zurück in Strom umgewandelt.
Alternativ könnte die Energie auch mit Lasern zurückgestrahlt werden.
Quelle: ESA – European Space Agency
Das Zurückstrahlen einer riesigen Energiemenge zur Erdoberfläche mag etwas beunruhigend klingen. Es ruft das Bild eines Science‑Fiction‑Superschurken‑Todesstrahls hervor. In der Praxis wäre ein solcher Strahl jedoch energiegeladen, aber bei weitem nicht stark genug, um eine Gefahr für die Oberfläche darzustellen.
Es muss beachtet werden, dass einer der Vorteile dieses Systems darin besteht, dass die von den Solarpaneelen erzeugte Gleichstromleistung direkt für das Herunterstrahlen verwendet werden kann, wobei Wechselstrom nur am Boden erzeugt wird, um den Strom ins Netz einzuspeisen.
Warum jetzt?
Solar‑Kosten
Die Erzeugung von Strom aus orbitalen Solaranlagen ist eine alte Idee. Erst jetzt scheint es jedoch realisierbar zu werden.
Der erste Grund ist die steigende Effizienz und sinkenden Kosten von Solarpaneelen, die dieselben Faktoren sind, die sie am Boden zu einer praktikablen Option gemacht haben.
Quelle: News Channel 3
Weitere Fortschritte in der Technologie könnten die Umwandlungseffizienz weiter steigern. Derzeit haben die gängigen bodengebundenen Solarpaneele eine Effizienz von 20‑23 %. Die im Weltraum verwendeten erreichen oft bis zu 30 %, da die zusätzlichen Kosten durch das geringere Gewicht für den Transport in den Orbit ausgeglichen werden, wobei weitere Verbesserungen erwartet werden.
“Aktuelle im Weltraum eingesetzte Paneele erreichen Effizienzen von etwa 30 % bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, und in den nächsten 20 Jahren erwarten wir, dass sie 40 % erreichen”
Startkosten
Der andere Elefant im Raum ist die sinkende Kosten für das Erreichen der Erdumlaufbahn, die fast ausschließlich durch SpaceX’ Erfolge bei wiederverwendbaren Raketen getrieben werden. Diese Kosten wurden bereits um den Faktor 10 reduziert und werden voraussichtlich weiter sinken mit dem Start von Starship und der Massenproduktion der größten Rakete der Geschichte.
Quelle: Ark Invest
Als die Startkosten £7.716 pro Kilogramm betrugen, entsprach das etwa £154 pro Watt „Installationskosten“, verglichen mit lediglich £2‑1,5 am Boden. Aber wenn die Startkosten niedrig genug fallen, wird weltraumgestützte Solarenergie aus wirtschaftlicher Sicht rentabel. Und Elon Musk strebt langfristig lediglich 100 $/kg an, dank voller Wiederverwendbarkeit der massiven Starship‑Nutzlast.
Einschränkungen der weltraumgestützten Solarenergie
Preis‑ und Startkosten
Wie oben erläutert, ist solarbasierte Energie nur dann rentabel, wenn die Startkosten erheblich sinken. Während dies möglicherweise geschieht, ist unklar, wie schnell eine weitere 10‑fache Reduktion der orbitalen Startkosten erreicht werden kann.
Dies könnte die Einführung von weltraumgestützter Solarenergie erheblich verzögern, wobei die meisten großen Prototypprojekte (nahe der MW‑Skala) bestenfalls erst 2025‑2030 erwartet werden. Ein signifikanter Einfluss wird erst erreicht, wenn Systeme gebaut werden, die 1.000‑mal größer auf GW‑Ebene sind.
Orbitale Überfüllung
Ein weiteres Anliegen ist die reale Haltbarkeit der Solarpaneele im Orbit. Der Weltraum ist eine raue, hochstrahlungsintensive Umgebung, und die Paneele werden im Laufe der Zeit degradieren. Ähnliches ist wahrscheinlich bei elektronischen Komponenten wie der Mikrowellenantenne.
Zusätzlich wird der orbital Raum immer stärker überfüllt. Weltraumschrott wird zu einem ernsthaften Problem, und Konstellationen von Low‑Earth‑Orbit‑Satelliten (LEO) erhöhen exponentiell die Anzahl der Objekte um unseren Planeten.
Weltraumgestützte Solaranlagen würden mehrere Quadratkilometer umfassen, sodass sie wahrscheinlich regelmäßig von Weltraumschrott getroffen werden. Selbst Mikrometeoriten würden ein Problem darstellen, wenn genügend Fläche und Zeit vorhanden sind.
Im schlimmsten Fall würde ein großer Einschlag mehr Trümmer erzeugen, die wiederum mehr Trümmer erzeugen, in einer katastrophalen Kaskade, die die meisten Erd‑Satelliten zerstört. Dies ist ein Phänomen bekannt als Kessler‑Syndrom.
Derzeit wäre das Kessler‑Syndrom bereits schädlich genug, um Telekommunikation, weltraumgestützte Bildgebung und Wissenschaft sowie Frühwarnsysteme für nukleare Waffen zu zerstören.
Würde jedoch ein großer Teil der Erdenergie von orbitalen Solaranlagen bereitgestellt, wäre ein solches Ereignis noch verheerender.
Haltbarkeit und Recycling
Außer wenn sie sich in einer sehr entfernten Umlaufbahn, weit entfernt von LEO, befinden, neigen Satellitenbahnen dazu, relativ schnell zu sinken. Daher müssen Solarkraftwerke in höhere Umlaufbahnen, in Richtung geostationärer Umlaufbahnen (GEO), verlegt werden, was die Kosten erhöht, da mehr Startkapazität erforderlich ist.
Dies wirft auch Fragen zu ihrem Recycling auf, da diese Solarpaneele viele wertvolle und nicht‑erneuerbare Ressourcen verbrauchen, einschließlich Silber.
Langfristig muss jede großskalige Solarkraftinfrastruktur das Recycling der Paneele beherrschen, anstatt sie zu zerstören, indem man sie im Orbit belässt oder zurück zur Erde stürzt.
Schließlich ist das Versenden von Material in den Orbit sehr energieintensiv. Daher werden nur hocheffiziente Raketen den Prozess rentabel machen, sodass die orbitalen Solarpaneele die für ihre Herstellung und den Transport in den Orbit aufgewendete Energie „zurückzahlen“ können.
Energieverluste
Wie wir sagten, erhalten Solarpaneele im Weltraum viel mehr Energie als am Boden. Sie müssen jedoch mehrere zusätzliche Schritte durchlaufen, bevor sie das Netz speisen:
- Bodenbasiert: Sonnenlicht sammeln → Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln → Strom ins Netz einspeisen.
- Weltraumbasiert: Sonnenlicht sammeln → in Mikrowellen umwandeln → Mikrowellen zurück in Strom umwandeln → Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln → Strom ins Netz einspeisen.
Die zusätzlichen Schritte, die das Herunterstrahlen von Mikrowellen beinhalten, verursachen massive Energieverluste und reduzieren die maximale Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht zu Strom von 30‑40 %.
“Das System, das wir in unserer Demonstration verwendet haben, hatte eine End‑zu‑End‑Effizienz von etwa 5 %. Das ist nicht operativ rentabel, obwohl das Sonnenlicht kostenlos ist. Für eine weltraumgestützte Solaranlage müsste die Effizienz mindestens bei etwa 20 % liegen.”
Stabile Umlaufbahnen und Sonnenwind
Eine letzte Frage ist, wie man die orbitalen Bahnen der Solaranlagen steuert.
Das Solarpanel muss seine Position ständig anpassen, um die maximale Sonneneinstrahlung zu erhalten. Die Mikrowellenstrahlen müssen ständig umgelenkt werden, um den richtigen Bereich der Erdoberfläche zu treffen.
Aufgrund ihres geringen Gewichts und der maximalen Sonneneinstrahlung werden die Solarpaneele von Sonnenflügeln und Licht angetrieben. Tatsächlich wurde dieser Lichtdruck bereits genutzt, um Sonnensegel zur Antrieb von Raumschiffen zu entwickeln.
Im Kontext einer orbitalen Solarkraftanlage, die stabil bleiben muss, könnte dies ein Problem darstellen.
Gesamtperspektiven der Weltraum‑Photovoltaik
Ein großer Teil der Zukunft der weltraumgestützten Solarenergie wird von der Entwicklung der Raumfahrtindustrie insgesamt abhängen. Einige Schlüsselfaktoren müssen zusammenkommen, damit es gelingt:
- Wachstum der Branche ermöglicht Skalierung und Innovation, um die Startkosten auf das erforderliche Niveau zu senken.
- Entwicklung einer orbitalen und/oder cislunaren Industrieökonomie, zumindest für Wartung und Recycling der Stromsatelliten.
- Richtige Verwaltung von Weltraumschrott und Sicherstellung, dass die Umlaufbahn ein neutraler und friedlicher Bereich bleibt.
Alternative zur photovoltaischen Weltraumsolarenergie
Konzentrationssolarkraft und orbitale Spiegel
Das Licht → Energie → Mikrowelle → Rückführung in das Energiesystem verursacht von Natur aus massive Verluste, die den höheren Solaroutput im Weltraum teilweise ausgleichen.
Dies ist eine Kernkritik dieses Konzepts, von niemand anderem als Elon Musk bereits 2012 aufgegriffen
„Lassen Sie mich eines meiner Lieblingsthemen erzählen: weltraumgestützte Solarenergie. OK, das Dümmste überhaupt.
Und wenn irgendjemand an Weltraum‑Solarenergie denken oder sie mögen sollte, dann sollte ich es sein. Ich habe ein Raketenunternehmen und ein Solarunternehmen. Ich sollte wirklich dabei sein, wissen Sie.“
Natürlich hat sich seit 2012 vieles geändert. Die Preise für Solarpaneele und die Startkosten sind gesunken. Und der Bedarf an erneuerbarer Grundlaststromerzeugung ist deutlich größer.
Dennoch könnte es eine Alternative geben: das direkte Reflektieren von Sonnenlicht anstatt es mit photovoltaischen Paneelen zu sammeln. Dies könnte erreicht werden, indem man einen riesigen Spiegel in den Orbit bringt.
Ein Vorteil dieser Methode ist, dass wir wissen, wie man ultraleichte und ultradünne Spiegel im Weltraum aus Aluminiumfolie baut. Da das Material nur reflektierend sein muss und keine Elektronik enthält, kann es pro Quadratmeter deutlich günstiger und leichter sein als eine photovoltaische Zelle.
Die Idee wird insbesondere von Ben Nowack, Gründer von Reflect Orbital, der University of Glasgow’s SOLSPACE (mit einem €2,5 M‑Grant des Europäischen Forschungsrates) und dem Energieriesen Engie’s Laborelec unterstützt.
Die Idee ist, bodengebundene Solarfarmen nachts zu betreiben, indem man Sonnenlicht zu ihnen strahlt. Das Geschäftsmodell wäre also, Sonnenlicht an bodengebundene Solarversorger zu „verkaufen“.
Ein solches System könnte nicht durch Wolken hindurchstrahlen, wäre jedoch eine großartige Option für Solarfarmen in trockenen oder Wüstengebieten.
Potentiell könnte das Konzept auch die „klassischen“ weltraumgestützten Photovoltaikanlagen stärken, indem es die Gesamtenergie, die sie erhalten, kostengünstig erhöht, bevor sie zur Erde zurückgestrahlt wird.
Im Jahr 2018 kündigte China Pläne an, ein solches Spiegelsystem bis 2022 zur Ersetzung von Straßenbeleuchtungen in der Nacht zu nutzen. Während dies nicht umgesetzt wurde, könnte es ein kreativer Weg sein, weltraumgestützte „Solarenergie“ zu nutzen, um unseren Energieverbrauch nachts zu reduzieren, wenn erneuerbare Energien unterproduzieren.
Weltraumfabriken
Wie oben erklärt, ist ein großer Kostenfaktor der weltraumgestützten Solarenergie das Versenden von Hunderten oder Tausenden Tonnen Material in den Orbit. Eine Lösung hierfür wäre, die Solarpaneele (oder Spiegel) direkt im Weltraum zu produzieren, wobei bereits vorhandene Ressourcen vor Ort genutzt werden.
Diese Methode würde die Kosten für das Hochheben der Solarkraftanlage in den Orbit vollständig aus der Gleichung entfernen. Stattdessen würden nur die Kosten für das Hochschicken der Ausrüstung, die für die Herstellung einer weltraumgestützten Solarpanel‑ (oder Spiegel‑)Fabrik nötig ist, anfallen.
Eine Möglichkeit wäre, Asteroiden mit den richtigen Ressourcen zu erobern, sie abzubauen und die Kraftanlage direkt im Orbit zu produzieren.
Konzeptionell sinnvoll, ist dies jedoch noch sehr spekulativ, da bisher kein Asteroidenbergbau jeglicher Art erfolgreich durchgeführt wurde.
Mondbasis
Selbst wenn Solaranlagen im Weltraum produziert werden, bleiben die Probleme der Balance von Sonnenwind‑Einflüssen durch Weltraumschrott und des Recyclings bestehen.
Eine Alternative wäre, die Solaranlagen stattdessen auf dem Mond zu installieren. Die Energie würde von riesigen Solarfarmen auf dem Mond gesammelt und dann direkt oder indirekt zur Erde gestrahlt. Die Mikrowellenstrahlen vom Mond können ebenfalls durch Spiegel umgelenkt werden, da Metalle Mikrowellen reflektieren.
Quelle: Arizona State University
- Schwerkraft: Mit einem Sechstel der Erdschwerkraft könnte der Mond viel freundlicher sein, um Erden‑Produktionsprozesse an den Weltraum anzupassen als vollständig schwerelose Umgebungen.
- Perfekt für Solar: Ohne Atmosphäre leidet die Mondoberfläche nie unter Wind, Wolken, Nebel, Eis, Staubstürmen, Hagel usw. Daher wird die Energieproduktion hochzuverlässig und vorhersehbar sein.
- Menschliche Wartung: Orbitale Systeme müssten vollständig auf Roboter für Montage, Wartung und Recycling setzen. Stattdessen würden die geplanten Mondbasen der USA sowie China+Russland das lokale Personal bereitstellen, wenn Roboter nicht ausreichen.
- Ressourcen: Der Mond ist ein massiver Himmelskörper, der wahrscheinlich reich an Ressourcen ist. Das macht ihn zu einem besseren Kandidaten für eine Weltraumfabrik als die unbewiesene Idee des Asteroidenbergbaus.
Silizium, Aluminium und Eisen können chemisch aus Mondboden für die Herstellung von Solarzellen extrahiert werden. Spurenelemente können von der Erde für das Dotieren von Solarzellen mitgebracht werden.
Es wird geschätzt, dass ein Kilogramm Material, das von der Erde zum Mond transportiert wird, die Lieferung von 200‑mal so viel elektrischer Energie zur Erde ermöglicht wie ein Kilogramm eines solarbetriebenen Satelliten.
Allerdings hat die Idee einige Einschränkungen.
Insbesondere hat der Mond einen 28‑tägigen Tag‑Nacht‑Zyklus, wodurch ein solches Konzept auf eine Reihe von Kraftwerken, die über die gesamte Mondoberfläche (oder orbitale Spiegel) verteilt sind, angewiesen wäre, um eine kontinuierliche Leistung zu erzeugen.
Helium‑3, Fusion und Mondkraftwerke
Eine weitere Diskussion über zukünftige Energie, die den Mond einbezieht, ist sein Vorkommen an Helium‑3. Das sehr seltene Element auf der Erde könnte theoretisch eine ultra‑effiziente Form der Kernfusion antreiben.
Theoretisch könnte dies die Weltraumerkundung und den Bergbau zu einem Schlüsselelement unserer zukünftigen Energieversorgung machen. In der Praxis befindet sich die Fusion jedoch noch im experimentellen Stadium.
Ähnliche Quellen seltener Isotope von Wasserstoff, Helium und anderen Elementen, zum Beispiel in den Gasriesen Jupiter und Saturn, könnten langfristig eine ähnliche Rolle spielen.
Der Mond könnte sich auch als Standort für ein potenziell gefährliches, aber hochproduktives Energiesystem (insbesondere nuklear) vorstellen lassen, wodurch die Folgen eines katastrophalen Versagens von der Erde entfernt würden. Allerdings könnten die Energieverluste beim Zurückstrahlen einer solchen Energiequelle sowie die Kosten für den Bau im Weltraum die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen.
Solar‑Raum‑Unternehmen
1. Space Solar
Space Solar ist ein britisches Unternehmen, das einen 2‑GW‑Weltraumsatelliten, CASSIOPeiA, entwickeln will. Dies wäre bei weitem eine der größten je von der Menschheit gebauten Strukturen und würde einige der höchsten Wolkenkratzer im Vergleich winzig erscheinen lassen.
Quelle: Space Solar
CASSIOPeiA würde 60.000 Solarpaneele enthalten, 2.000 Tonnen wiegen und in geosynchroner Höhe umkreisen.
Power transmission would be done using a changing phase array to aim the energy beam. The ground station would need to be 5km in diameter. The power-beaming technology has so far been demonstrated on Earth, with 30kW of power. This was achieved thanks to HARRIER, die erste 360° drahtlose Energieübertragung, die kein bewegliches Teil erfordert, ein Schlüsselfaktor für hohe Zuverlässigkeit.
Das Konzept des Stromsatelliten würde auf 2 Solarreflektoren basieren, die das Sonnenlicht zurück in das zentrale Sammelsegment senden.
Quelle: Space Solar
Das Programm wird voraussichtlich £17 Mrd. für die erste Version kosten, mit £3,6 Mrd. für nachfolgende Iterationen. Das entspricht einem Viertel der Kosten eines gleichwertigen Kernkraftwerks mit 2 GW‑Kapazität, ein fairer Vergleich, wenn man das Grundlastprofil des Kraftwerks berücksichtigt.
2. Reflect Orbital
Wie oben erwähnt, beabsichtigt Reflect Orbital nicht, im Orbit Strom zu erzeugen. Stattdessen zielt das Unternehmen darauf ab, „Sonnenlicht nach Einbruch der Dunkelheit“ an bodengebundene Solarunternehmen zu „verkaufen“.
Da die Spitzenpreise häufig kurz nach Sonnenuntergang liegen, wenn die Menschen zu Hause sind, aber erneuerbare Energien offline sind, kann dies eine gute Strategie sein. Zudem kann der Satelliten‑Sonnenstrahl leicht zu verschiedenen Standorten umgelenkt werden, was Arbitrage zwischen unterschiedlichen Preisen in Ländern oder bei schlechtem Wetter in einer Region ermöglicht.
Damit wird es ein interessantes Unternehmen, dem man folgen sollte, falls die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, dann in Mikrowellen und zurück in Strom tatsächlich zu ineffizient ist, um mit bodengebundenen Solaranlagen zu konkurrieren.
Derzeit entwickelt das Unternehmen seine Satelliten und sammelt Mittel. Um das Konzept besser zu erklären, haben sie zudem eine Demo mit einem Heißluftballon in 3 km Höhe durchgeführt, die viral ging.
Quelle: Reflect Orbital
Das Unternehmen plant, bis 2025 einen Prototyp zu testen. Jeder Satellit würde nur 35 Pfund (16 Kilogramm) wiegen und mit Mylar‑Spiegeln von 33 Fuß mal 33 Fuß (9,9 m × 9,9 m) ausgestattet sein, die sich im Orbit entfalten.
Die Pläne von Reflect Orbital könnten weniger High‑Tech sein als ein vollständiges orbital‑ oder mondbasiertes Solar‑Satellitennetzwerk. Aber das könnte eine Stärke sein, da es im Wesentlichen nur vollständig bekannte Technologien auf kreative Weise nutzt, die seit Jahrzehnten beherrscht werden. Das könnte das Projekt etwas risikoärmer machen.
