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30% der Sonnenstrahlung geht durch die Erdatmosphäre verloren. Science-Fiction Autoren, die NASA und die Sowjetunion spielten deshalb immer wieder mit der Idee, Sonnenenergie direkt im Weltall einzufangen. Mit den neuesten technologischen Entwicklungen im Bereich der Raumfahrt wird diese Vision greifbarer. Konkret wird heute mit zwei möglichen Ansätzen gearbeitet: kleinere Laser-Satelliten im Tieforbit oder riesige Mikrowellen-Satelliten im geostationären Orbit um Space Based Solar Power (SBSP) nutzbar zu machen.
1987 schrieben amerikanische Zeitungen besorgt über die neuesten Pläne der Sowjetunion, mittels riesigen Satelliten im Orbit Sonnenlicht für ihre Städte auf der Erde umzuwandeln. Kurz zuvor hatten die Sowjets erfolgreich ihre neue „Energia“ ins All geschickt, eine Träger-Rakete gross genug um Raumstationen in den Orbit zu befördern.
Gemäss der Sowjetischen Akademie der Wissenschaften hätte die Entwicklung dieser Satelliten in drei Phasen erfolgen sollen. In der ersten Phase würden gigantische Solarreflektoren in der Umlaufbahn das Sonnenlicht zur Erde umleiten um Ackerfelder vor Frost zu schützen und nachts Städte zu beleuchten. In der zweiten Phase hätten sie die gigantischen Satelliten mit Sonnenkollektoren ergänzt. In der dritten Phase würden die Sowjets schliesslich Antennen auf dem Boden konstruieren, um die Energie der Satelliten aufzufangen und in ihr Elektrizitätsnetz zu leiten.
Vier Jahre später brach die Sowjetunion zusammen und die Pläne wurden nie realisiert. Zuvor in den 70ern hatte die USA ähnliche Pläne entwickelt, sie aber vor allem wegen den Kosten verworfen. Heute würde ein ähnliches Projekt dank technologischen Innovationen und privaten Initiativen in der Raumfahrt weniger kosten. Organisationen wie die NASA entwickeln daher wieder konkrete Pläne für SBSP (Space Based Solar Power).
Erprobt: Solarenergie im Weltraum
Die potentiellen Vorteile von SBSP machten Solarsatelliten immer wieder zum Thema. 30% der Sonnenstrahlung geht beim Eintritt in die Atmosphäre verloren, und der Rest wird teilweise durch Bewölkung beeinträchtigt. Nachbaren können Einspruch gegen den Bau von Solarpanels erheben. Alles Probleme, die es im Weltall nicht gibt.
Die Technologie, im Weltall Solarenergie zu nutzen ist alt und erprobt. Bereits 1958 startete mit Vanguard 1 der erste solarbetriebene Satellit ins All. Seither wurde sie eingesetzt für Raumsonden wie Juno, Raumstationen wie MIR oder ISS, das Hubble Teleskop oder die Mars Exploration Rovers. Um der stärkeren Strahlung im All standzuhalten sind die dabei verwendeten Solarzellen stabiler als die auf der Erde verwendeten silikonbasierten Zellen. Deshalb werden in der Raumfahrt heute oft Tandem-Solarzellen verwendet, die aus mehreren übereinandergeschichteten Solarzellen aus verschiedenen Materialien bestehen.
Energietransport vom All auf die Erde
Solarenergie im Weltall an sich ist eine ausgereifte Technologie. Das Transportieren dieser Energie zur Erde ist der schwierigere Teil. Science-Fiction Autor Isaac Asimov aber löste das Problem bereits 1941 konzeptionell in seiner Kurzgeschichte „REASON“: Mikrowellen-Strahlen transportieren die eingesammelte Solarenergie zur Erde und anderen Planeten.
Mikrowellen überwinden die Erdatmosphäre einfacher und transportieren deshalb die Energie verlustfreier als Sonnenstrahlung. 2008 gelang amerikanischen und japanischen Forschern ein entsprechendes Experiment mit einem Mikrowellen-Strahl übermittelt zwischen zwei Inseln, 148 Kilometer voneinander entfernt. Diese Distanz ist äquivalent zur Dicke der Atmosphäre, die ein Mikrowellen-Strahl aus dem Weltall überwinden müsste.
Laser- oder Mikrowellensatelliten
Fortschritte in Solartechnologie, Raumfahrt und Robotik machen SBSP heute finanziell realistischer als zu Zeiten des Kalten Krieges. Solarzellen sind bis zu 40% effektiver geworden und können Korrosion besser standhalten. Private Raumfahrt-Firmen wie SpaceX reduzieren die Kosten um Bestandteile ins All zu schicken. Durch Fortschritte in der Robotik können sich Satelliten im All weitgehend selber zusammenbauen und warten.
Heute verfolgen die NASA, JAXA und ESA gezielt Ansätze von SBSP. Auch Indien ist interessiert an der Technologie, um Lücken in ihrem Verteilnetz zu schliessen. Richtstrahlen aus dem Weltall könnten entlegene Gegenden einfach erreichen. Hierfür würde sich der kostengünstigere Laser-Ansatz (0.5-1 Milliarde CHF) eignen, den die NASA verfolgt. Kleinere Satelliten in tiefem Erdorbit (400 km) würden die eingesammelte Solarenergie mit einem Laserstrahl zur Erde transportieren. Diese Übermittlung wäre präzise und bräuchte nur eine kleine Auffangstation. Allerdings werden Laserstrahlen wie Sonnenlicht abgeschwächt von schlechter Witterung. Und im tiefen Orbit sorgen atomisierte Sauerstoffatome für beschleunigte Oxidation von Materialien.
Der andere Ansatz, den die NASA verfolgt, kommt sowohl der Vision Asimovs als auch den gescheiterten Plänen der Sowjetunion am nächsten: Riesige Satelliten mit bis zu 3 km Durchmesser, gemäss dem US Department of Energy, und über 80 000 Tonnen schwer. Die Bestandteile müssten in über 100 Launches in den geostationären Orbit (35 000 km) gebracht werden, wo sich die Satelliten dann selber zusammenbauen. Die Empfangsstation auf der Erde hätte ebenfalls einen Durchmesser von mehreren Kilometern. Die Kosten wären mehrere 10 Milliarden CHF. Dafür könnte ein solcher Satellit mehrere Gigawatt Energie erzeugen. Genug, um eine grössere Stadt zu versorgen. Und Platz dafür hat es im All genug.