Raum

Ende letzten Monats zeigten Ingenieure des europäischen Luft- und Raumfahrtunternehmens Airbus in München, wie die Zukunft sauberer Energie aussehen könnte. Sie sammelten Sonnenlicht mit Sonnenkollektoren, wandelten es in Mikrowellen um und strahlten die Energie durch einen Flugzeughangar, wo sie wieder in Elektrizität umgewandelt wurde, die unter anderem ein Stadtmodell beleuchtete. Die Demo lieferte nur 2 Kilowatt über 36 Meter, warf aber eine ernste Frage auf: Ist es an der Zeit, einen lange als Science-Fiction verspotteten Plan wiederzubeleben und riesige Satelliten zu starten, um Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln? In einer hohen Umlaufbahn, befreit von Wolken und Nacht, könnten sie 24 Stunden am Tag Strom erzeugen und ihn zur Erde transportieren.

„Es ist keine neue Wissenschaft, es ist ein technisches Problem“, sagt Airbus-Ingenieur Jean-Dominique Coste. „Aber es wurde noch nie in [großem] Maßstab durchgeführt.“

Der dringende Bedarf an grüner Energie, einem günstigeren Zugang zum Weltraum und Verbesserungen in der Technologie könnten dies endlich ändern, glauben Befürworter der Weltraum-Solarenergie. „Sobald jemand die kommerzielle Investition tätigt, wird es aufblühen. Es könnte eine Billionen-Dollar-Industrie werden“, sagt der ehemalige NASA-Forscher John Mankins, der vor einem Jahrzehnt für die Agentur Weltraum-Solarenergie evaluierte.

Größere Investitionen liegen wahrscheinlich noch in weiter Ferne, und es bleiben unzählige Fragen offen, darunter auch, ob die Übertragung von Gigawatt an Strom auf den Planeten effizient erfolgen kann – und ohne Vögel, wenn nicht sogar Menschen zu braten. Doch die Idee verlagert sich von Konzeptpapieren hin zu immer mehr Tests am Boden und im Weltraum. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA), die die Münchner Demo gesponsert hat, wird ihren Mitgliedsstaaten nächsten Monat ein Programm von Bodenexperimenten vorschlagen, um die Durchführbarkeit des Vorhabens zu bewerten. Die britische Regierung hat in diesem Jahr bis zu 6 Millionen Pfund an Zuschüssen zum Testen von Technologien bereitgestellt. Chinesische, japanische, südkoreanische und US-Behörden haben allesamt kleine Anstrengungen unternommen. „Der Ton und der Tenor des gesamten Gesprächs haben sich geändert“, sagt der NASA-Politikanalyst Nikolai Joseph, Autor einer Einschätzung, die die NASA in den kommenden Wochen veröffentlichen will. Was einst unmöglich schien, meint die Raumfahrtpolitik-Analystin Karen Jones von der Aerospace Corporation, könne jetzt darauf ankommen, „alles zusammenzubringen und zum Laufen zu bringen“.

Die NASA untersuchte das Konzept der Weltraum-Solarenergie erstmals während der Treibstoffkrise Mitte der 1970er Jahre. Aber eine geplante Weltraumdemonstrationsmission – mit Technologie aus den 70er-Jahren, die im Space Shuttle transportiert und von Astronauten zusammengebaut wurde – hätte etwa 1 Billion US-Dollar gekostet. Die Idee wurde auf Eis gelegt und bleibt laut Mankins für viele in der Agentur ein Tabuthema.

Heutzutage haben sich sowohl die Weltraum- als auch die Solarenergietechnologie bis zur Unkenntlichkeit verändert. Der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Solarzellen (PV) sei im letzten Jahrzehnt um 25 % gestiegen, sagt Jones, während die Kosten stark gesunken seien. Mikrowellensender und -empfänger sind eine weit entwickelte Technologie in der Telekommunikationsbranche. Roboter, die zur Reparatur und Betankung von Satelliten im Orbit entwickelt werden, könnten zum Bau riesiger Solaranlagen eingesetzt werden.

Der größte Auftrieb für die Idee kam jedoch von den sinkenden Einführungskosten. Ein Solarsatellit, der groß genug ist, um ein typisches Atom- oder Kohlekraftwerk zu ersetzen, muss einen Durchmesser von mehreren Kilometern haben, was Hunderte von Starts erfordert. „Es würde eine Großbaustelle im Orbit erfordern“, sagt ESA-Weltraumwissenschaftler Sanjay Vijendran.

Das private Raumfahrtunternehmen SpaceX hat die Vorstellung weniger abwegig erscheinen lassen. Eine SpaceX-Falcon-9-Rakete befördert Fracht für etwa 2600 US-Dollar pro Kilogramm – weniger als 5 % dessen, was sie im Space Shuttle kostet – und das Unternehmen verspricht Preise von nur 10 US-Dollar pro Kilogramm für sein gigantisches Raumschiff, das dieses Jahr zum ersten Mal starten soll. „Es verändert die Gleichung“, sagt Jones. „Wirtschaft ist alles.“

Ebenso senkt die Massenproduktion die Kosten für Weltraumhardware. Bei Satelliten handelt es sich in der Regel um Einzelanfertigungen, die aus teuren weltraumtauglichen Komponenten bestehen. Der Perseverance-Rover der NASA auf dem Mars kostete beispielsweise 2 Millionen Dollar pro Kilogramm. Im Gegensatz dazu kann SpaceX seine Starlink-Kommunikationssatelliten für weniger als 1000 US-Dollar pro Kilogramm produzieren. Dieser Ansatz könnte für riesige Weltraumstrukturen funktionieren, die aus einer großen Anzahl identischer, kostengünstiger Komponenten bestehen, argumentiert Mankins, jetzt beim Beratungsunternehmen Artemis Innovation Management Solutions, seit langem. Kombinieren Sie kostengünstige Starts und diese „Hypermodularität“, sagt er, und „plötzlich wird die Wirtschaftlichkeit der Weltraum-Solarenergie offensichtlich.“

Eine bessere Technik könnte diese Wirtschaftlichkeit günstiger machen. Coste sagt, dass die Airbus-Demo in München insgesamt einen Wirkungsgrad von 5 % hatte, wenn man den Input von Solarenergie mit dem Output von Strom vergleicht. Bodengebundene Solaranlagen schneiden besser ab, aber nur, wenn die Sonne scheint. Wenn die Weltraumsolarenergie einen Wirkungsgrad von 20 % erreichen kann, könnte sie laut aktuellen Studien preislich mit bestehenden Energiequellen konkurrieren.

Geringere Gewichtskomponenten verbessern auch die Kostenkalkulation. „Sandwich-Paneele“, Pizzakarton-große Geräte mit PV-Zellen auf der einen Seite, Elektronik in der Mitte und einem Mikrowellensender auf der anderen Seite könnten helfen. Wenn Sie Tausende davon wie einen Fliesenboden zusammenfügen, bilden sie die Basis eines Weltraum-Solarsatelliten ohne große, schwere Verkabelung zur Energieübertragung. Forscher testen seit Jahren Prototypen am Boden, doch im Jahr 2020 gelang es einem Team des US Naval Research Laboratory (NRL), sie an Bord des experimentellen Raumflugzeugs X-37B der Luftwaffe zu bringen.

„Es ist immer noch im Orbit und produziert ständig Daten“, sagt Projektleiter Paul Jaffe vom NRL. Das Modul wandelt Sonnenenergie mit einem Wirkungsgrad von 8 % in Mikrowellen um, sendet diese aber nicht zur Erde. Nächstes Jahr plant die Luftwaffe jedoch, eine Sandwichplatte zu testen, die ihre Energie nach unten abstrahlt. Und ein Team am California Institute of Technology wird im Dezember mit SpaceX sein Prototyp-Panel auf den Markt bringen.

Der Nachteil von Sandwichpaneelen besteht darin, dass die Mikrowellenseite immer zur Erde zeigen muss, sodass sich die PV-Seite bei der Umlaufbahn des Satelliten manchmal von der Sonne abwendet. Um die Stromversorgung rund um die Uhr aufrechtzuerhalten, benötigt ein Satellit Spiegel, um diese Seite beleuchtet zu halten, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Spiegel auch das Licht auf die PV konzentrieren können. In einer NASA-Studie von Mankins aus dem Jahr 2012 wurde ein Entwurf vorgeschlagen, bei dem eine schalenförmige Struktur mit Tausenden einzeln steuerbaren Dünnschichtspiegeln Licht auf die PV-Anlage lenkt.

Ian Cash von der britischen International Electric Company hat einen anderen Ansatz entwickelt. Sein vorgeschlagener Satellit verwendet große, feststehende Spiegel, die abgewinkelt sind, um Licht auf ein PV- und Mikrowellen-Array zu lenken, während die gesamte Struktur rotiert, um die Spiegel in Richtung Sonne zu halten (siehe Grafik oben). Der Strom aus den PV-Zellen wird in Mikrowellen umgewandelt und einer Milliarde kleiner senkrechter Antennen zugeführt, die zusammen als „Phased Array“ fungieren und den Strahl unabhängig von der Ausrichtung des Satelliten elektronisch in Richtung Erde lenken. Laut Cash liefert dieses Design die meiste Leistung für seine Masse und ist damit „wirtschaftlich das wettbewerbsfähigste“.

Sollte ein Weltraumkraftwerk jemals fliegen, muss der erzeugte Strom effizient und sicher zur Erde gelangen. In einem kürzlich durchgeführten bodengestützten Test strahlte Jaffes Team am NRL 1,6 Kilowatt über einen Kilometer ab, und Teams in Japan, China und Südkorea haben ähnliche Anstrengungen unternommen. Allerdings verlieren aktuelle Sender und Empfänger die Hälfte ihrer Eingangsleistung. Für die Weltraumsolarenergie benötigt die Energieübertragung einen Wirkungsgrad von 75 %, sagt Vijendran, „idealerweise 90 %“.

Auch die Sicherheit der Strahlung von Gigawatt durch die Atmosphäre muss getestet werden. Die meisten Entwürfe zielen darauf ab, einen kilometerweiten Strahl zu erzeugen, so dass jedes Raumschiff, Flugzeug, jeder Mensch oder Vogel, der sich in ihn verirrt, nur einen winzigen – hoffentlich harmlosen – Teil der 2-Gigawatt-Übertragung empfängt. Empfangsantennen sind billig zu bauen, aber sie „benötigen viel Platz“, sagt Jones, obwohl sie sagt, dass man unter ihnen Pflanzen anbauen oder sie vor der Küste aufstellen könnte.

Derzeit nehmen öffentliche Behörden die Weltraum-Solarenergie in Europa am ernstesten. „Da gibt es ein Engagement, das man in den USA nicht sieht“, sagt Jones. Im vergangenen Jahr gab die ESA zwei Kosten-Nutzen-Studien zur Weltraumsolarenergie in Auftrag. Vijendran sagt, sie seien zu dem Schluss gekommen, dass es hinsichtlich der Kosten möglicherweise mit bodengebundenen erneuerbaren Energien mithalten könne. Aber selbst zu einem höheren Preis, vergleichbar mit Atomkraft, wäre die Verfügbarkeit rund um die Uhr – im Gegensatz zu konventioneller Solar- oder Windenergie – wettbewerbsfähig.

Im November wird die ESA die Mitgliedstaaten auffordern, eine Bewertung darüber zu finanzieren, ob die technischen Hürden überwunden werden können. Wenn die Nachrichten gut sind, wird die Agentur Pläne für umfassende Anstrengungen im Jahr 2025 vorlegen. Ausgestattet mit 15 bis 20 Milliarden Euro könnte die ESA bis 2030 eine Demonstrationsanlage im Megawatt-Maßstab in die Umlaufbahn bringen und auf Gigawatt erweitern – das Äquivalent eines konventionellen Kraftwerks – bis 2040, sagt Vijendran. „Es ist wie ein Mondschuss.“