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Aug 18, 2023

Satellit strahlt zunächst Sonnenenergie auf die Erde

Forscher haben einen kleinen, aber notwendigen Schritt zur Verwirklichung eines gemacht

Forscher haben einen kleinen, aber notwendigen Schritt zur Verwirklichung eines seit langem gehegten Traums getan: Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und zur Erde zu übertragen. Ein im Januar gestarteter Satellit hat die Energie eines Mikrowellenstrahls auf Ziele im Weltraum gelenkt und einen Teil dieser Energie sogar an einen Detektor auf der Erde gesendet, gab der Erbauer des Experiments, das California Institute of Technology (Caltech), am 1. Juni bekannt. „Das hat noch niemand gemacht“, sagt der Weltraumwissenschaftler Sanjay Vijendran von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). „Sie verleihen dem Thema Glaubwürdigkeit, indem sie diese Fähigkeit unter Beweis stellen.“

Glaubwürdigkeit ist seit langem die Herausforderung für weltraumgestützte Solarenergie. Um so viel Strom zu produzieren wie ein typisches Kohle- oder Atomkraftwerk, bräuchte ein Satellit eine Sammelfläche von mehreren Kilometern, was Hunderte von Starts und Montagen im Orbit erfordert. Während der Energiekrise der 1970er Jahre plante die NASA eine Demonstrationsmission. Aber mit der damaligen Technologie, die vom Space Shuttle in die Luft getragen und von Astronauten zusammengebaut wurde, hätte die Mission 1 Billion Dollar gekostet. Danach nahmen es nur wenige ernst.

Seitdem hat sich der Raum verändert. Solarzellen und Mikrowellenstrahlen sind billiger und effizienter. Roboter, die Strukturen zusammenbauen können, werden bald im Orbit sein, und Unternehmen wie SpaceX haben die Kosten für Starts drastisch gesenkt. Jüngste von der ESA und der britischen Regierung in Auftrag gegebene Studien deuten darauf hin, dass riesige Generatoren im Orbit bald in der Lage sein werden, Strom zu Kosten zu erzeugen, die mit erdgebundenen Kernkraftwerken vergleichbar sind.

Einige vereinzelte Forschungsprogramme haben das Gebiet vorangebracht. Ab den 1980er Jahren demonstrierten Forscher der Universität Kyoto mithilfe suborbitaler Raketen die Energieübertragung über kurze Distanzen am Rande des Weltraums. Im Jahr 2020 schickte ein Team des US Naval Research Laboratory eine „Sandwichplatte“ in der Größe einer Pizzaschachtel mit Solarzellen auf der einen Seite, einer Füllung aus Elektronik und Mikrowellensendern auf der anderen Seite in die Umlaufbahn, um die Umwandlung von Sonnenlicht in Mikrowelle zu demonstrieren .

Die von der Donald Bren Foundation und der Northrop Grumman Corporation finanzierte Caltech-Mission zielte darauf ab, mit leichten, kostengünstigen und flexiblen Komponenten noch einen Schritt weiter zu gehen. Der Mikrowellensender bestand aus einer Anordnung von 32 flachen Antennen, die auf einer Oberfläche untergebracht waren, die etwas größer als ein Essteller war. Durch Variation des Timings der an die verschiedenen Antennen gesendeten Signale konnten die Forscher den Strahl des Arrays steuern. Sie richteten es auf ein Paar Mikrowellenempfänger in etwa einem Unterarmabstand und wechselten den Strahl nach Belieben von einem Empfänger zum anderen, wobei an jedem eine LED aufleuchtete.

Die übertragene Leistung war gering, nur 200 Milliwatt, weniger als die eines Handy-Kameralichts. Dennoch gelang es dem Team, den Strahl auf die Erde zu lenken und ihn mit einem Empfänger am Caltech zu erkennen. „Es war ein Proof of Concept“, sagt der Caltech-Elektroingenieur Ali Hajimiri. „Es zeigt, was ein Gesamtsystem leisten kann.“

Für die Caltech-Raumsonde sind noch zwei weitere Experimente geplant. Man testet derzeit 32 verschiedene Solarzellenvarianten, um herauszufinden, welche den Strapazen des Weltraums am besten standhält. Das zweite ist ein gefaltetes Stück ultraleichten Verbundmaterials, das sich zu einer segelähnlichen Struktur mit einem Durchmesser von 2 Metern entfaltet. Obwohl das Segel keine Solarzellen enthalten wird, soll es die Art von dünnen, flexiblen und großen Einsätzen testen, die für ein zukünftiges Kraftwerk erforderlich sind.

Das Interesse an weltraumgestützter Solarenergie scheint an Fahrt zu gewinnen. Die ESA hat dieses Jahr zwei Studien zu möglichen Architekturen für umlaufende Kraftwerke in Auftrag gegeben. Laut Vijendran haben sich Energieversorgungsunternehmen der Initiative angeschlossen. Das Kyoto-Team kündigte letzten Monat an, dass es mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA zusammenarbeiten werde, um Power Beaming im Orbit zu testen.

Der Elektroingenieur Naoki Shinohara aus Kyoto freute sich über den Erfolg von Caltech, „aber gleichzeitig bin ich enttäuscht, weil wir Japaner im Jahr 2025 das weltweit erste Satellitenexperiment zur drahtlosen Energieübertragung durchführen wollten.“

Das Startup-Unternehmen Virtus Solis Technologies hat ebenfalls Power Beaming getestet und plant, im Jahr 2026 eine Pilotanlage in die Umlaufbahn zu bringen. CEO John Bucknell sagt, das Unternehmen beabsichtige, Kunden noch vor Ende des Jahrzehnts kommerziellen Strom anzubieten. „Weltraumsolar ist die einzige saubere, solide und skalierbare Energietechnologie, die einen glaubwürdigen Weg zu tatsächlichen Null-Kohlenstoff-Emissionen bietet.“