Weltraumgestützte Solarenergie

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Weltraumgestützte Solarenergie (, SBSP) ist ein Verfahren, um Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und auf die Erde zu übertragen. Orbitale Sonnenkraftwerke gelten als eine Form der erneuerbaren Energien.

Ein erheblicher Teil der ankommenden Sonnenstrahlung (55–60 %) geht auf dem Weg durch die Erdatmosphäre aufgrund von Reflexion und Absorption verloren. Weltraumgestützte Solarstromsysteme würden mit Solarmodulen Sonnenlicht außerhalb der Atmosphäre auffangen, die Energie in Mikrowellen umwandeln und diese zu einer Bodenstation auf der Erde abstrahlen. Damit würden sie die Verluste und – bei entsprechender Konstruktion – die durch die Erdrotation verursachten Ausfallzeiten vermeiden, allerdings bei extrem hohen Investitionsausgaben für die Installation als geostationäre Satelliten.

Anfang der 1980er Jahre wurden Konzeptstudien aufgrund fehlender Machbarkeit und zu hoher Gefahr von Weltraummüll aufgegeben. Stand 2020 werden Studien und Experimente zur Realisierbarkeit derartiger Projekte unter anderem von Japan, China und den USA aktiv betrieben, in Japan wegen der Ablehnung von Kernkraftwerken in breiten Schichten der Bevölkerung, in China und den USA aufgrund langfristiger strategischer Erwägungen insbesondere des Militärs.

Historische Studien Seit Anfang der 1970er Jahre werden verschiedene Konzepte diskutiert, aber keines ist mit den heutigen Trägerraketen wirtschaftlich sinnvoll, vor allem, weil erdgebundene Kraftwerke den Strom zu einem Bruchteil der Kosten erzeugen. Alle Entwürfe arbeiten mit Strahlenenergiedichten, die nicht schädlich wären, wenn Menschen kurzfristig exponiert würden. Die enorme Größe der benötigten Empfangsantennen würde aber große, ebene (d. h. meist landwirtschaftlich genutzte) Flächen in der Nähe der Endverbraucher erfordern.

Vereinigte Staaten Die US-Weltraumbehörde NASA und das U.S.-Energieministerium gaben von Mitte der 1970er bis Mitte der 2000er Jahre 80 Millionen US-Dollar für Studien zur Machbarkeit von weltraumgestützten Solarkraftwerken aus.Space‐Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security Phase. National Security Space Office, 10. Oktober 2007, archiviert am 23. Oktober 2008 (PDF).

Peter E. Glaser 1941 veröffentlichte der Science-Fiction-Autor Isaac Asimov die Science-Fiction-Kurzgeschichte „Reason“, in der eine Raumstation die von der Sonne gesammelte Energie mittels Mikrowellenstrahlen auf verschiedene Planeten überträgt. Ein reales Konzept für ein orbitales Sonnenkraftwerk wurde erstmals im November 1968 vom tschechisch-amerikanischen Ingenieur Peter E. Glaser beschrieben. 1973 erhielt Glaser das US-Patent Nummer 3.781.647 für sein Verfahren zur Übertragung von Energie unter Verwendung von Mikrowellen über weite Entfernungen von einer sehr großen Sendeantenne (bis zu einem Quadratkilometer) auf einem orbitalen Sonnenkraftwerk bis zu einer viel größeren, heute als „Rectenna“ bekannten Empfangsantenne am Boden.

Glaser war bei der Unternehmensberatung Arthur D. Little tätig. Die NASA beauftragte ADL, zusammen mit den Rüstungskonzernen Raytheon und Grumman sowie dem kalifornischen Solarzellenhersteller Spectrolab eine breit angelegte Studie zu orbitalen Sonnenkraftwerken zu erstellen. Am 1. Februar 1974 kamen die Autoren der Studie zu dem Schluss, dass das Konzept zwar mehrere große Probleme hatte – vor allem die Kosten für die Bereitstellung der benötigten Materialien in der Umlaufbahn und die mangelnde Erfahrung bei Projekten dieser Größenordnung im Weltraum –, dass es aber vielversprechend genug war, um weitere Untersuchungen und Forschungen zu rechtfertigen.Peter E. Glaser, O. E. Maynard, J. Mackovciak, E. L. Ralph. Arthur D. Little, Inc.: Feasibility study of a satellite solar power station. NASA CR-2357, NTIS N74-17784, Februar 1974.

NASA/DoE-Studie (Solar Power Satellite) mini|Künstlerisches Konzept des Solarstrom-Satelliten im Einsatz. Gezeigt wird die Anordnung einer Mikrowellenübertragungsantenne. Der Solarstromsatellit sollte sich in einer geosynchronen Umlaufbahn befinden, die 22.236 Meilen über der Erdoberfläche liegt. NASA 1976 mini|Mikrowellenübertragung der Energie zur Antenne auf der Erde mit einem Laser als Leitstrahl

Unter dem Eindruck der Ölkrise von 1973 führten NASA und Energieministerium der Vereinigten Staaten (DoE) zwischen Juli 1977 und August 1980 mit einem Budget von 15,6 Millionen Dollar eine Machbarkeitsstudie zu weltraumgestützten Sonnenkraftwerken durch. Diese Studie ist nach wie vor die umfangreichste, die bisher durchgeführt wurde.. U.S. House Subcommittee on Space and Aeronautics Committee on Science, 7. September 2000. Gemäß dem Solar Power Satellite (SPS) Konzept sollten Solarmodule mit einer Fläche von 50 km² und einem Gewicht von bis zu 50.000 Tonnen in einer erdnahen Umlaufbahn montiert werden und dann in eine geostationäre Umlaufbahn verschoben werden. Die aufgefangene Energie von 10 GW sollte mittels Mikrowellen auf eine ähnlich große irdische Empfangsantenne (Rectenna) gesendet werden. Ende der 1970er Jahre fand der US-amerikanische Astronom Donald J. Kessler heraus, dass das Risiko von zusätzlichem Weltraummüll nicht beherrschbar wäre (siehe Kessler-Syndrom).

Im SPS-Konzept wurden Untersuchungen zu verschiedenen Themenbereichen erstellt, unter anderem:

Ressourcenbedarf (Materialien, Energie und Land) Szenarien für Finanzen und Management Öffentlichkeitsarbeit bzw. öffentliche Akzeptanz Staatliche und lokale Vorschriften für Satelliten-Energieanlagen bzw. Mikrowellenempfangsantennenanlagen Potential von Lasern für die SBSP-Leistungsübertragung Internationale Vereinbarungen Zentralisierung/Dezentralisierung Kartierung von Ausschlussgebieten für Rectenna-Standorte Wirtschaftliche und demographische Fragen; erwarteter Stromverbrauch im Zielgebiet Meteorologische Auswirkungen auf die Ausbreitung von Laserstrahlen und direkt solar gepumpte Laser Bewertung von Energieübertragung und -empfang Transport in die geostationäre Umlaufbahn hohes Risiko von Weltraummüll bei Beschädigung oder Zerstörung eines Solarmoduls Das Projekt wurde nach den Kongresswahlen 1980 und dem Amtsantritt des republikanischen Präsidenten Ronald Reagan nicht fortgesetzt. Das Büro für Technologiebewertung kam zu dem Schluss, dass zu wenig über die technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekte von orbitalen Sonnenkraftwerken bekannt wäre, um eine fundierte Entscheidung treffen zu können, ob mit der Entwicklung und dem Einsatz fortzufahren wäre; ein dementsprechendes Programm wäre mit untragbaren Risiken behaftet. 1995–1997 führte die NASA dann die „Fresh Look Study“ durch, um den aktuellen Stand der Machbarkeit eines solchen Projekts zu untersuchen. Hierbei kam man zu dem Schluss, dass zunächst die Kosten für den Transport von der Erdoberfläche in eine Umlaufbahn drastisch gesenkt werden müssten.

Forschungs- und Technologieprogramm zur Erforschung der Weltraum-Solarenergie (SERT) 1999 wurde das NASA Space Solar Power Exploratory Research and Technology Program (SERT) mit folgender Zielsetzung gestartet: Durchführung von Designstudien für Prototypen von orbitalen Sonnenkraftwerken verschiedener Bauart. Auswertung von Studien über die allgemeine Machbarkeit, das Design und die Anforderungen solcher Kraftwerke. Ausarbeitung von Konzepten für Subsysteme, die auch für andere Zwecke im Weltraum oder auf der Erde eingesetzt werden können. Formulierung eines vorläufigen Aktionsplans für die USA (in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern), um eine aggressive Technologieinitiative zu starten. Erstellung von Technologieentwicklungs- und Demonstrationsfahrplänen für kritische Elemente der Weltraumsolarenergie.

Im Rahmen von SERT wurde – unter Annahme damals verfügbarer Technologien – ein Konzept für ein zukünftiges Gigawatt-Kraftwerk entwickelt. Man schlug eine aufblasbare photovoltaische Spinnennetzstruktur mit Konzentratorlinsen oder Wärmekraftmaschinen vor, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Die Ingenieure zogen sowohl Systeme in sonnensynchroner Umlaufbahn als auch in geosynchroner Umlaufbahn in Betracht. Hier einige ihrer Schlussfolgerungen:

Der steigende Trend beim globalen Energiebedarf wird sich voraussichtlich noch viele Jahrzehnte fortsetzen, so dass neue Kraftwerke jeder Größe gebaut werden. Die Umweltauswirkungen dieser Anlagen und ihre Auswirkungen auf die Weltenergieversorgung und geopolitische Beziehungen können problematisch sein. Erneuerbare Energien sind ein überzeugender Ansatz, sowohl philosophisch als auch in technischer Hinsicht. Viele erneuerbare Energiequellen sind aufgrund ihres inhärenten Land- und Wasserbedarfs nur begrenzt dazu in der Lage, die für die globale industrielle Entwicklung und den Wohlstand erforderliche Grundlastleistung erschwinglich bereitzustellen. Einige Konzepte für orbitale Sonnenkraftwerke sind soweit ausgereift, dass sie ernsthaft diskutiert werden können. Weltraum-Solaranlagen scheinen im Vergleich zu anderen Ansätzen viele bedeutende Umweltvorteile zu haben. Die Wirtschaftlichkeit von Weltraumsolaranlagen hängt von vielen Faktoren und der erfolgreichen Entwicklung verschiedener neuer Technologien ab (nicht zuletzt von der Verfügbarkeit eines wesentlich kostengünstigeren Zugangs zum Weltraum als bisher); dasselbe gilt jedoch für viele andere Energietechnologien. Die Weltraumsolarenergie kann sich durchaus als ernstzunehmender Kandidat unter den Optionen zur Deckung des Energiebedarfs des 21. Jahrhunderts erweisen.Space Solar Power Satellite Technology Development at the Glenn Research Center—An Overview. James E. Dudenhoefer und Patrick J. George, NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio. Startkosten im Bereich von $100–$200 pro Kilogramm Nutzlast für eine niedrige Erdumlaufbahn bzw. geosynchrone Umlaufbahn sind notwendig, wenn ein orbitales Sonnenkraftwerk wirtschaftlich rentabel sein soll.

Bis 2010 unternahm die NASA verschiedene weitere Studien zur Machbarkeit von Solarkraftwerken im Weltraum.Space Solar Power. Kennedy Space Center, abgerufen am 26. Dezember 2020.

Japan In Japan befassen sich die Japan Science and Technology Agency, die Society of Japanese Aerospace Companies und andere Institutionen seit 1979 mit Grundlagenforschung und Konzepten für orbitale Sonnenkraftwerke.

Aktuelle Projekte Japanische Behörde für Luftfahrt- und Weltraumforschung Nachdem das Parlament am 21. Mai 2008 ein Weltraumgesetz verabschiedet hatte, wurde beim japanischen Kabinett mit Inkrafttreten des Gesetzes im August 2008 das Strategische Hauptquartier für Weltraumpolitik eingerichtet. Am 2. Juni 2009 verabschiedete dieses ein Weißbuch zur Weltraumpolitik. Dort war ein zunächst auf zehn Jahre befristetes Programm zur Entwicklung von weltraumgestützter Sonnenenergie festgeschrieben. Ein experimentelles Gerät zur drahtlosen Stromübertragung sollte im Kibō-Modul der Internationalen Raumstation (ISS) oder in einem kleinen Satelliten installiert werden, um das System zu testen und die Dämpfungeffekte der Atmosphäre zu messen. In der Ausgabe 2020 des Weißbuchs zur Weltraumpolitik ist die Entwicklung eines orbitalen Sonnenkraftwerks weiterhin festgeschrieben.

Im April 2014 führte der Astrophysiker Susumu Sasaki vom Institute of Space and Astronautical Science der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA