Es ist Weltraumwoche auf Energy.gov. Wir erforschen das Sonnensystem (und darüber hinaus), um die Beiträge des Energieministeriums und unserer Nationallabore zum amerikanischen Raumfahrtprogramm hervorzuheben. Schauen Sie diese Woche jeden Tag vorbei, um neue Videos, interaktive Grafiken, Zeitleisten und vieles mehr zu sehen – und reichen Sie Ihre Fragen für unseren Labor-Twitter-Chat über dunkle Energie ein, der am Freitag, den 7. März stattfindet. Verwenden Sie den Hashtag #SpaceWeek, um sich an der Diskussion auf Twitter, Facebook, Google+ und Instagram zu beteiligen.
Nachts kann man keine Sonnenenergie gewinnen. Zumindest nicht auf der Erde. Da gerade Weltraumwoche ist, halten wir es für angebracht, eine vielversprechende, aber futuristische Idee zu betrachten, die das Gesicht der Solarstromerzeugung verändern könnte: Weltraumgestützte Solarenergie (SBSP). Auch wenn das Energieministerium nicht aktiv an SBSP forscht, hoffen wir, dass Sie sich einen Moment Zeit nehmen, um etwas über dieses weit entfernte Konzept zu erfahren.
Die Idee, Sonnenenergie im Weltraum einzufangen, um sie auf der Erde als Energie zu nutzen, gibt es schon seit Beginn des Weltraumzeitalters. In den letzten Jahren haben jedoch Wissenschaftler auf der ganzen Welt – und einige Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) des Energieministeriums – gezeigt, wie die jüngsten technologischen Entwicklungen dieses Konzept Wirklichkeit werden lassen könnten.
Auf der Erde wird die Sonnenenergie durch die Nacht, die Wolkendecke, die Atmosphäre und die Jahreszeit stark reduziert. Etwa 30 Prozent der gesamten einfallenden Sonnenstrahlung erreicht nie den Boden. Im Weltraum scheint die Sonne immer, die Neigung der Erde verhindert nicht die Energiegewinnung und es gibt keine Atmosphäre, die die Intensität der Sonnenstrahlen reduziert. Dies macht die Installation von Solarzellen im Weltraum zu einer verlockenden Möglichkeit. Darüber hinaus kann SBSP eingesetzt werden, um Menschen in abgelegenen Gemeinden auf der ganzen Welt mit zuverlässiger und sauberer Energie zu versorgen, ohne auf das herkömmliche Stromnetz oder ein großes lokales Kraftwerk angewiesen zu sein.
Wie funktioniert es?
Selbstmontierende Satelliten werden zusammen mit Reflektoren und einem Mikrowellen- oder Lasersender ins All geschossen. Die Reflektoren oder aufblasbaren Spiegel breiten sich über einen großen Bereich des Weltraums aus und lenken die Sonnenstrahlung auf die Solarzellen. Diese Paneele wandeln die Sonnenenergie in Mikrowellen- oder Laserenergie um und strahlen ununterbrochene Energie zur Erde. Auf der Erde fangen Energieempfangsstationen den Strahl auf und speisen ihn in das Stromnetz ein.
Die beiden am häufigsten diskutierten Entwürfe für SBSP sind ein großer, tiefer gelegener Mikrowellensatellit und ein kleinerer, näher gelegener Lasersatellit.
Mikrowellensatelliten
Mikrowellensatelliten umkreisen die Erde in einer geostationären Umlaufbahn (GEO), etwa 35.000 km über der Erdoberfläche. Die Entwürfe für Mikrowellen-Sendesatelliten sind riesig, mit Solarreflektoren, die bis zu 3 km groß sind und über 80.000 Tonnen wiegen. Sie wären in der Lage, eine Leistung von mehreren Gigawatt zu erzeugen, genug, um eine US-Großstadt mit Strom zu versorgen.
Die große Wellenlänge der Mikrowellen erfordert eine lange Antenne und ermöglicht es, die Energie durch die Erdatmosphäre zu strahlen, egal ob es regnet oder scheint, und zwar mit einer sicheren, geringen Intensität, die kaum stärker ist als die Mittagssonne. Vögel und Flugzeuge würden kaum etwas davon bemerken, wenn sie ihre Flugbahn kreuzen.
Die geschätzten Kosten für den Start, die Montage und den Betrieb eines mit Mikrowellen ausgestatteten GEO-Satelliten liegen im zweistelligen Milliarden-Dollar-Bereich. Wahrscheinlich wären bis zu 40 Starts nötig, um alle notwendigen Materialien ins All zu bringen. Auf der Erde hätte die Rectenna, die den Mikrowellenstrahl auffängt, einen Durchmesser von 3 bis 10 km, eine riesige Landfläche, deren Anschaffung und Entwicklung eine Herausforderung darstellt.
Laserübertragende Satelliten
Laserübertragende Satelliten, wie sie von unseren Freunden am LLNL beschrieben werden, kreisen in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) in etwa 400 km Höhe über der Erdoberfläche. Mit einem Gewicht von weniger als 10 Tonnen ist dieser Satellit nur ein Bruchteil des Gewichts seines Mikrowellen-Gegenstücks. Diese Konstruktion ist auch billiger; einige Schätzungen gehen davon aus, dass der Start und der Betrieb eines mit einem Laser ausgestatteten SBSP-Satelliten fast 500 Millionen Dollar kosten würde. Es wäre möglich, den gesamten sich selbst zusammensetzenden Satelliten mit einer einzigen Rakete zu starten, was die Kosten und die Zeit bis zur Produktion drastisch reduzieren würde. Durch die Verwendung eines Lasersenders hat der Strahl außerdem nur einen Durchmesser von etwa 2 Metern statt von mehreren Kilometern, was eine drastische und wichtige Verringerung darstellt.
Um dies zu ermöglichen, wird für das Solarstrahlsystem des Satelliten ein diodengepumpter Alkalilaser verwendet. Dieser Laser, der 2002 erstmals am LLNL demonstriert wurde und sich dort noch in der Entwicklungsphase befindet, wäre etwa so groß wie ein Küchentisch und leistungsfähig genug, um Energie mit einem extrem hohen Wirkungsgrad von über 50 Prozent zur Erde zu strahlen.
Dieser Satellit ist zwar viel leichter, billiger und einfacher zu installieren als sein Mikrowellen-Gegenstück, doch es gibt noch ernsthafte Probleme. Die Idee von Hochleistungslasern im Weltraum könnte Ängste vor einer Militarisierung des Weltraums wecken. Dieses Problem könnte dadurch gelöst werden, dass die Richtung, in die das Lasersystem seine Leistung übertragen könnte, begrenzt wird.
Die geringere Größe des Satelliten hat eine entsprechend geringere Kapazität von etwa 1 bis 10 Megawatt pro Satellit zur Folge. Daher wäre dieser Satellit am besten als Teil einer Flotte ähnlicher Satelliten geeignet, die zusammen eingesetzt werden.
Man könnte sagen, dass SBSP noch weit entfernt ist oder eine Utopie darstellt (Wortspiel beabsichtigt) – und damit hätte man weitgehend Recht. Aber es gibt bereits viele Technologien, die dies möglich machen, und viele sind nicht mehr weit entfernt. Während das Energieministerium derzeit keine speziellen SBSP-Technologien entwickelt, könnten viele der übrigen für SBSP benötigten Technologien in den kommenden Jahren unabhängig voneinander entwickelt werden. Und obwohl wir die Zukunft der Energiegewinnung aus dem Weltraum nicht kennen, freuen wir uns darauf, Ideen wie diese in die Tat umzusetzen (okay, letztes Wortspiel, ich verspreche es).