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Beam es runter
Im Weltraum scheint die Sonne immer hell. Keine Wolken blockieren die Sonnenstrahlen und es gibt keine Nacht. Auf einem umlaufenden Satelliten montierte Sonnenkollektoren würden somit 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr Strom erzeugen. Wenn diese Kraft auf die Erde übertragen werden könnte, könnten die Energieprobleme der Welt für immer gelöst sein.
Solarstromsatelliten (SPS) wurden ursprünglich von dem tschechisch-amerikanischen Ingenieur Peter Glaser, damals bei Arthur D. Little, als Lösung für die Ölkrisen der 1970er Jahre vorgeschlagen. Glaser stellte sich 50 Quadratkilometer große Solarzellen-Arrays vor, die auf Satelliten stationiert sind, die 36.000 Kilometer über Fixpunkten entlang des Äquators kreisen. Ein Satellit in dieser geosynchronen Höhe braucht 24 Stunden, um die Erde zu umkreisen und bleibt somit die ganze Zeit über denselben Punkt auf der Erde fixiert.
Die Idee war elegant. Photovoltaikzellen auf einem Satelliten würden Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln, der wiederum einen Mikrowellengenerator an Bord antreiben würde. Der Mikrowellenstrahl würde durch den Weltraum und die Atmosphäre wandern. Am Boden würde ein Array von Gleichrichterantennen oder Rectennas diese Mikrowellen sammeln und elektrische Energie gewinnen, entweder für den lokalen Gebrauch oder zur Verteilung über konventionelle Versorgungsnetze.
Die Technologie stellte, wie ursprünglich vorgesehen, gewaltige technische Hürden. Die effiziente Übertragung elektrischer Energie von einem Satelliten in einer geosynchronen Umlaufbahn würde eine Sendeantenne an Bord des Satelliten mit einem Durchmesser von etwa einem Kilometer und eine Empfangsantenne am Boden mit einem Durchmesser von etwa 10 Kilometern erfordern. Ein Projekt dieser Größenordnung verblüfft den Verstand; staatliche Förderagenturen scheuten sich davor, immense Summen in ein Projekt zu investieren, dessen Realisierbarkeit so unklar war. Die NASA und das Energieministerium, das vorläufige Designstudien gefördert hatte, verloren Ende der 1970er Jahre das Interesse.
In den letzten Jahren hat die Kommunikationsindustrie jedoch Satellitenprojekte angekündigt, die darauf hindeuten, dass es an der Zeit ist, die Idee von Solarstromsatelliten zu überdenken. Anfang des nächsten Jahrhunderts werden Schwärme von Kommunikationssatelliten in geringer Höhe die Erde umkreisen und Sprache, Video und Daten an die entlegensten Orte der Erde weiterleiten. Diese Satelliten werden über Mikrowellenstrahlen Kommunikationssignale an die Erde weiterleiten. Die Übertragung elektrischer Leistung mit einem Mikrowellenstrahl wurde bereits 1963 demonstriert, und die Projektion von Leistung und Daten entlang desselben Mikrowellenstrahls gehört zum Stand der Technik. Warum nicht denselben Strahl verwenden, um elektrische Energie zu übertragen?
Die neuen Kommunikationssatelliten werden in einer Höhe von nur wenigen hundert Meilen umkreisen. Anstatt über einem Punkt auf dem Äquator zu schweben, kreisen Satelliten mit niedriger Umlaufbahn in nur 90 Minuten um den Globus und verfolgen Pfade, die um den Äquator oszillieren und bis zu 86 Breitengrade auf- und absteigen. Da sie näher an der Erdoberfläche sind, können die Sonnenkollektoren auf dem Satelliten statt 10 Kilometer einen Durchmesser von einigen hundert Metern haben. Und weil sich die von ihnen erzeugten Mikrowellenstrahlen viel weniger ausbreiten würden als die von geosynchronen Satelliten, könnten auch die Bodenrektennas entsprechend kleiner und kostengünstiger sein. Durch Huckepack-Anbindung an diese Flotten von Kommunikationssatelliten – und die Nutzung ihrer Mikrowellensender und -empfänger, Bodenstationen und Kontrollsysteme – kann die Solarstromtechnologie wirtschaftlich rentabel werden.
Die niedrige Erdumlaufbahn bringt jedoch ihre eigenen Schwierigkeiten mit sich. Da sie den Planeten so schnell umkreisen, müssen Satelliten in niedriger Umlaufbahn über ausgeklügelte computergesteuerte Systeme verfügen, um das Ziel des Mikrowellenstrahls so einzustellen, dass er auf der Empfangsstation landet. Diese Satelliten müssen ausgeklügelte elektronische Systeme, sogenannte Phased-Arrays, verwenden, um den ausgehenden Strahl kontinuierlich neu auszurichten.
Energie für Entwicklung
Die Nachfrage nach weltraumgestützter Solarenergie könnte außergewöhnlich sein. Bis 2050 werden einigen Schätzungen zufolge 10 Milliarden Menschen auf der Erde leben – mehr als 85 Prozent davon in Entwicklungsländern. Die große Frage: Wie können wir den wachsenden Energiebedarf der Menschheit am besten mit den geringsten Umweltbelastungen decken?
Auf der Suche nach einem günstigen Start
Eine wichtige Überlegung bei der Planung der Weltraumenergie sind die Kosten für die Beförderung eines Satelliten in die Umlaufbahn. Derzeit kostet es tausendmal mehr, ein Objekt ins All zu bringen, als es mit einem Verkehrsflugzeug quer durchs Land zu fliegen, obwohl beide Jobs ungefähr gleich viel Energie benötigen – etwa 10 Kilowattstunden pro Kilogramm Nutzlast. Zwei Faktoren sind für die zusätzlichen Kosten verantwortlich: die Armee von Ingenieuren und Wissenschaftlern, die für einen erfolgreichen Weltraumstart erforderlich sind, und die Praxis, einen Großteil der Trägerrakete nach jedem Flug wegzuwerfen.
Die Startkosten dürften jedoch sinken, da die Nachfrage nach regelmäßigem Transport großer Materialmengen ins All steigt: Je häufiger ein Startsystem eingesetzt wird, desto geringer sind die Kosten pro Einsatz. Darüber hinaus sucht die NASA nach einer neuen Generation wiederverwendbarer Trägerraketen. Die Agentur hat kürzlich einen Wettbewerb unter Luft- und Raumfahrtunternehmen für ein Raumfahrzeug mit dem Potenzial für einen fluglinienähnlichen Betrieb gesponsert. Der Gewinner war Lockheed Martin Skunk Works, legendäre Innovatoren im Flugzeugdesign von der U-2 bis zum Stealth-Jäger. Lockheed Martin plant, die keilförmige, wiederverwendbare X-33 im Wert von 1 Milliarde US-Dollar zu bauen und zu testen – eine halbgroße Version einer Trägerrakete namens Venture Star, die ein Achtel der Masse ist und das Space Shuttle für den Transport von Fracht in eine niedrige Umlaufbahn ersetzen würde. Die angestrebten Startkosten betragen 2.200 US-Dollar pro Kilogramm – ein Zehntel der Kosten eines Shuttle-Starts. Zu diesem Preis könnte Weltraumstrom kostengünstig werden, wenn Satelliten als Kommunikationsrelais und Solarstromquelle doppelte Aufgaben erfüllen.
Ein Solarstromsatellit soll die Energie, die er benötigt, um ihn in die Umlaufbahn zu bringen, schnell zurückzahlen. Beginnen Sie mit der konservativen Annahme, dass die Solarenergie-Satellitentechnologie am Boden pro Kilogramm Masse im Orbit 0,1 Kilowatt Strom erzeugen würde. In diesem Fall würde sich der Energieaufwand von 10 Kilowattstunden pro Kilogramm, um den Satelliten in die Umlaufbahn zu heben, bereits nach 100 Stunden – weniger als fünf Tagen – in Strom amortisiert sein.
Eine Möglichkeit, die Startkosten niedrig zu halten, besteht darin, eine aufblasbare Struktur als Sonnenkollektor zu verwenden. Dies würde die Kollektorfläche maximieren – wichtig für die Gewinnung der größten Menge an Sonnenenergie – ohne der Trägerrakete eine große Gewichtsbelastung aufzuerlegen. Entleerte Sonnenkollektoren könnten an Bord des Raumfahrzeugs in einen kompakten Raum gefaltet werden; Einmal im Orbit würde Gas aus einem Druckbehälter die Struktur aufblasen.
Ballons im Weltraum sind eine alte Geschichte. Tatsächlich war der 1960er-Jahrgangssatellit, bekannt als Echo I, ein Ballon, mit dem Radiowellen zur Erde zurückgeworfen wurden. Die NASA untersucht jetzt die Machbarkeit von aufblasbaren Strukturen im Weltraum für Antennen, Sonnenschirme und Solaranlagen, wenn auch nicht explizit für Solarstrom-Satellitensysteme. Ein wichtiger experimenteller Meilenstein war der erfolgreiche Einsatz von Space Shuttle Endeavour Astronauten im Mai 1996 des Spartan Inflatable Antenna Experiment – einer 14-Meter-Antenne, die durch einen Stickstoffgaskanister im Orbit aufgeblasen wird.
Von einem solchen Experiment zu einem Sonnensammelsatelliten, der aus aufgeblasenen Segmenten im Orbit zusammengebaut werden könnte, ist es kein so großer Schritt. Würde die NASA der Erforschung aufblasbarer Weltraumstrukturen eine hohe Priorität einräumen, könnte sich die Wissensbasis für die Herstellung kostengünstiger massearmer Energiesatelliten schnell entwickeln.
Ein Schritt auf einmal
Zunächst würde die aus dem Weltraum übertragene Sonnenenergie nur verwendet, um die minimale elektrische Leistung bereitzustellen, die erforderlich ist, um die Elektronik der Empfangsstation am Boden zu betreiben - ähnlich wie herkömmliche Telefone mit Leitungsstrom betrieben werden. Letztendlich würden die Satelliten größere Strommengen abstrahlen, die die Megawatt Strom liefern könnten, die wesentlich dazu beitragen würden, ein Dorf oder sogar eine Stadt mit Strom zu versorgen.
Eine Skalierung auf höhere Leistungsniveaus wäre unkompliziert und würde lediglich die Bereitstellung einer größeren Menge an Solarsammelfläche im Weltraum erfordern. Der Strom würde über die Infrastruktur von Sendern und Empfängern übertragen, die dann für die Satellitenkommunikationssysteme vorhanden sind. In dieser Hinsicht hat die Mikrowellenübertragung einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Kabelverfahren zur Übertragung von Leistung. Ein Mikrowellensystem, das beim Senden von 1 Kilowatt zu 80 Prozent effizient ist, wird beim Senden von 1 Megawatt immer noch zu 80 Prozent effizient sein. Dies unterscheidet sich grundlegend von einer Stromübertragungsleitung, bei der dickere und teurere Drähte benötigt werden, um mehr Strom zu übertragen. Wenn zu viel Strom durch ein Kabel geleitet wird, schmilzt es die Isolierung.
Einige befürchten, dass ein Netzwerk von Solarstromsatelliten die Atmosphäre in einen großen Mikrowellenherd verwandeln könnte, der alles kocht, was in den Strahlengang gelangt. In Wirklichkeit lägen die von uns vorgeschlagenen Mikrowellenintensitäten um Größenordnungen unter der Schwelle, ab der sich Objekte aufheizen. Die Menschen würden Mikrowellenpegeln ausgesetzt sein, die denen von Mikrowellenherden und Mobiltelefonen vergleichbar sind. Während einige Kritiker spekulieren, dass Mikrowellen nichtthermische Gefahren für die menschliche Gesundheit darstellen, gibt es keine zuverlässigen epidemiologischen Beweise für schädliche Wirkungen von Mikrowellen bei diesen niedrigen Konzentrationen. An den Rectennas, auf die die Strahlen fokussiert werden, wäre eine höhere Mikrowellenstrahlung zu finden, aber Zäune und Warnschilder könnten diese möglichen Gefahrenbereiche abgrenzen. Aber nach unseren Berechnungen würden die Mikrowellenintensitäten sogar am Umfang der Rectenna in den Bereich fallen, der jetzt von der Arbeitsschutzbehörde als sicher angesehen wird.
Ein größeres potenzielles Problem besteht darin, die begrenzten Frequenzen im Mikrowellenspektrum gemeinsam zu nutzen. Motorola ist zum Beispiel in die Kritik geraten, weil sein geplantes System Frequenzen im Bereich von 1,616 bis 1,626 Gigahertz verwenden wird, was fast die 1,612-Gigahertz-Frequenz überlappt, auf die sich Astrophysiker einstellen, wenn sie Daten über den Kosmos sammeln. Radioastronomen befürchten, dass Interferenzen eines Solarsatelliten die vergleichsweise schwachen Signale, die sie nachweisen möchten, überwältigen. Motorola verspricht, das Überschwappen seiner Kommunikationsstrahlen in die Frequenznische der Radioastronomen zu begrenzen, aber das Problem unterstreicht die Tatsache, dass das Mikrowellenspektrum eine begrenzte Ressource ist, die von kommerziellen und gemeinnützigen Nutzern gleichermaßen eifersüchtig bewacht wird. Die Zuteilung des Spektrums muss schnell und effektiv angegangen werden, um eine Bevorzugung der Weltraumenergietechnologie zu vermeiden, bevor sie geboren wird.
Ob Solarstromsatelliten Realität werden, hängt letztendlich von der Bereitschaft der Telekommunikations- und Stromversorger ab, in das Raumfahrtgeschäft einzusteigen. Bisher hat keine der beiden Branchen großes Interesse gezeigt. Aber die kommerziellen Möglichkeiten sind ihnen meist nicht bewusst. Man muss wissen, dass es eine Option gibt, um es zu wählen. Vor dreißig Jahren waren Kommunikationssatelliten ein Novum. Vor zehn Jahren hatte noch niemand vom Internet gehört.
Sicher ist, dass der gegenwärtige Deregulierungsdruck zu einem Gerangel der Telekommunikations-, Computer-, Kabelfernseh- und Versorgungsindustrie geführt hat, um gegenseitig in die Märkte einzudringen. Einige Elektrizitätsunternehmen wollen in das Telekommunikationsgeschäft einsteigen, um von den enormen Investitionen in Drähte und Kabel zu profitieren, die praktisch jedes Gebäude des Landes erreichen. Ebenso sinnvoll ist es, Kommunikationsunternehmen vorzuschlagen, in das Stromgeschäft einzusteigen. In der Praxis könnten Konsortien von Energie- und Kommunikationsunternehmen die vorgeschlagene Technologie gemeinsam entwickeln.
Kein einzelnes Stück dieser Technologie stellt einen grundlegenden Stolperstein dar. Die Physik von Photovoltaikzellen und die Mikrowellenerzeugung sind gut verstanden. Um zur nächsten Stufe zu gelangen, muss jedoch demonstriert werden, dass alle Teile dieses Systems zusammenarbeiten können: die Sonnenkollektoren, die Phased-Array-Mikrowellenantennen, die Empfangsstationen, die die Datensignale von den Leistungsstrahlen trennen, und die Computer, die den Satelliten mitteilen, wo auf dem Boden sie die Strahlen ausrichten sollen. Die NASA könnte diese Entwicklung enorm beschleunigen, indem sie einen Prototyp eines Solarstromsatelliten in die Umlaufbahn bringt.
Die Vorteile sind zu groß, um wegzugehen. Ein Netzwerk von Solarstromsatelliten wie das, was wir vorschlagen, könnte die Erde mit 10 bis 30 Billionen Watt elektrischer Energie versorgen – genug, um die Bedürfnisse der Menschheit im nächsten Jahrhundert zu befriedigen. Solarstromsatelliten bieten somit eine Vision, in der die Energieproduktion von der Erdoberfläche abweicht und es allen ermöglicht, auf einem grüneren Planeten zu leben. Bedenken Sie die philosophischen Implikationen: Die Menschheit braucht sich nicht länger auf dem Raumschiff Erde mit begrenzten Ressourcen gefangen zu sehen. Wir könnten die grenzenlosen Ressourcen des Weltraums erschließen und den Planeten als unbezahlbare Ressource der Artenvielfalt bewahren.