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May 21, 2023

Wissenschaftler kommen der Nutzung von Solarenergie aus dem Weltraum näher

In der Nacht des 22. Mai versammelte sich eine Gruppe von Forschern und Studenten um einen

In der Nacht des 22. Mai versammelte sich eine Gruppe von Forschern und Studenten um einen Computermonitor auf dem Dach der Elektrotechnikabteilung des Caltech. Die Monitore waren an Geräte angeschlossen, die die von einem Satelliten im Weltraum empfangene Mikrowellenstrahlung erfassen sollten. Und etwa 300 Meilen über ihnen, weit über der dichten Wolkendecke der Nacht, war dieser Satellit im Begriff, über ihnen hinwegzufliegen, ausgestattet als Testumgebung für Technologien, die sie entwickelt hatten, um Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und sie auf die Erde zu projizieren.

Die Forscher hatten nicht viel erwartet. Sie hatten ihr Hauptziel bereits im März erreicht: Mithilfe von Mikrowellenstrahlung projizierten sie Elektrizität über einen Abstand von wenigen Zentimetern, um ein Paar LEDs an Bord des Raumfahrzeugs zum Leuchten zu bringen und zu testen, ob ihr Energieübertragungssystem, das für die Energiegewinnung aus Solarenergie eines Tages unerlässlich ist, funktioniert zur Erde, würde der rauen Umgebung des Weltraums standhalten. Es herrschte große Unsicherheit darüber, ob es ihnen beim ersten Versuch gelingen würde, eine winzige Menge messbarer Energie auf die Erde zu bringen. Dennoch wurde es still, je näher der Zeitpunkt des Satellitenflugs über ihnen rückte. Um 21:57 Uhr begannen die Monitore zu zeigen, dass die Hintergrundstrahlung, die die Empfänger auffingen, zu etwas anderem verschmolz: einem elektrischen Signal, das mit dem übereinstimmte, was von ihrem Satelliten projiziert wurde. Sie hatten erfolgreich die Mikrowellenenergie entdeckt, die ihr neuartiges Energieübertragungssystem auf die Erde richtete. „Es hat einen Moment gedauert, bis ich es verstanden habe“, sagt Ali Hajimiri, Professor für Elektrotechnik am Caltech. „Dann waren alle richtig aufgeregt.“

Hajimiri leitet einen Teil eines größeren Vorhabens von Caltech-Forschern, eine Technologie zu entwickeln, die die Sonnenenergie in riesigen Satelliten, die die Erde umkreisen, sammeln und sie nach unten senden könnte, um das Stromnetz mit Strom zu versorgen. Es ist ein kühnes Konzept, das weltverändernde Vorteile mit sich bringen würde, falls jemals solche umlaufenden Solarkraftwerke gebaut werden sollten. Sonnenkollektoren auf der Erde funktionieren nur tagsüber und produzieren an bewölkten Tagen oder wenn die Sonne am Abend oder frühen Morgen tief steht, nicht viel Strom. Im Orbit würden solche Panels jedoch einen konstanten Strom emissionsfreien Stroms erzeugen. „Im Weltraum ist es an einem sonnigen Tag immer Mittag“, sagt Hajimiri.

Es ist eine Idee, die seit Jahrzehnten die Fantasie von Schriftstellern und Zukunftsforschern beflügelt – die erste veröffentlichte Erwähnung des Konzepts erfolgte wahrscheinlich 1941 in einer Kurzgeschichte des Roboterautors Issac Asimov. Doch selbst als Kommunikationssatelliten, Mondlandungen und Sonden zum Mars Realität wurden, blieben Solarkraftwerke im Bereich der Science-Fiction. Viele für ein solches System erforderliche Komponenten wurden im Laufe der Jahre entwickelt, aber die physikalischen Probleme, dieses theoretische Kraftwerk in Betrieb zu nehmen, waren schwieriger – jedes System, das in der Lage wäre, eine brauchbare Menge Strom zu erzeugen, wäre viel zu schwer, um es problemlos in den Orbit zu befördern .

Aber Forscher des Space Solar Power Project von Caltech sagen, dass neue technologische Entwicklungen – insbesondere das Potenzial für extrem leichte, flexible Solarmodule und leichte Energieübertragungssysteme als Ersatz für sperrige Antennen – die Idee in die Realität umgesetzt haben. Caltechs Weltraum-Solarenergie-Demonstrator, der im Januar gestartet wurde, umfasst eine Reihe verschiedener Arten fortschrittlicher Solarmodule, die getestet werden müssen, um zu testen, welche am besten für ein Weltraum-Solarkraftwerk geeignet sind, sowie ein Testsystem, das sich zu einem 6 x 6-Zoll großen Solarmodul entwickeln lässt. ft. Struktur, die neben dem Energieübertragungssystem von Hajimiri zur Aufnahme von Sonnenkollektoren verwendet werden könnte.

Caltech ist nicht die einzige Organisation, die sich für Solarkraftwerke interessiert. Die chinesische Regierung plant für 2028 eine Mission, um die Technologie im erdnahen Orbit zu demonstrieren. Und im vergangenen November gaben die EU-Wissenschaftsminister grünes Licht für Solaris, ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und des Luft- und Raumfahrtunternehmens Airbus, das die Möglichkeit des Baus gigantischer Solarkraftwerke im geostationären Orbit über Europa prüfen soll. (Ob beabsichtigt oder nicht, die Verbindung zur Welt der Science-Fiction der Mitte des Jahrhunderts bleibt bestehen, da das Projekt den Titel von Stanislaw Lems klassischem Roman von 1961 trägt.)

Der Space Solar Power Demonstrator von Caltech ist eigentlich kein Prototyp eines Kraftwerks. Es handelt sich vielmehr um eine Sammlung von drei separaten Experimenten zum Testen von Komponenten, die schließlich in ein System integriert werden sollen. Zwei der Experimente – das Selbstorganisationssystem und die Solartests – haben noch keine Ergebnisse erbracht. Die Energieübertragungskomponente sorgte dafür, dass Elektrizität einige Zentimeter weit transportiert wurde. Wenn es auf die Erde gerichtet ist, verteilt es den größten Teil seiner Energie erwartungsgemäß über eine sehr große Fläche und schafft es nur, einen äußerst kleinen Teil seiner Energie auf den Empfänger zu übertragen (ein größeres System könnte die Energie auf eine viel kleinere Fläche konzentrieren). Im Grunde unterscheidet sich die Funktionsweise dieses Systems nicht von der typischen Art und Weise, wie Satelliten mit der Erde kommunizieren, indem sie Mikrowellenstrahlung projizieren, die an einem Empfänger in elektrische Energie umgewandelt wird. Aber Hajimiris System ist anders konzipiert und basiert auf einem Konzept, das eine Skalierung ermöglichen würde, um große Energiemengen auf kleine erdbasierte Empfänger zu konzentrieren. Mit mehr Finanzierung und Forschung sind die an dem Projekt arbeitenden Ingenieure optimistisch, dass die Technologie in den kommenden Jahrzehnten kommerzialisiert werden könnte. Sie gehen davon aus, dass sie in etwa fünf Jahren in der Lage sein könnten, ein System zu bauen, das genug Solarenergie übertragen kann, um einen Laptop vom Weltraum aus aufzuladen. Von da an geht es darum, weiter zu skalieren, um ein vollwertiges kommerzielles Kraftwerk zu bauen.

„Wir bauen derzeit Dinge in unseren Universitätslabors und sind daher zwangsläufig klein“, sagt Sergio Pellegrino, Caltech-Professor für Luft- und Raumfahrt und Bauingenieurwesen, der am Weltraum-Solarprojekt arbeitet. „Diese Infrastruktur wird sehr groß sein, daher ist der Übergang zu einer industriellen Produktionsanlage der Schlüssel für den nächsten Schritt.“

„Mit der richtigen Menge Geld dauert es ein paar Jahre“, fügt er hinzu. „Es dauert nicht sehr viele Jahre.“

Dank des Interesses eines Mannes gelangten die Forscher am Caltech in eine Liga mit der chinesischen Regierung und der ESA. Im Jahr 2011 las Donald Bren, 91, ein milliardenschwerer kalifornischer Immobilienmagnat und lebenslanges Mitglied des Caltech-Kuratoriums, einen populärwissenschaftlichen Artikel über weltraumgestützte Solarenergie. Fasziniert vom Potenzial der Technologie begann er, ein Programm am Caltech zu finanzieren, um die Idee weiterzuverfolgen, und spendete schließlich mehr als 100 Millionen Dollar.

Drei Caltech-Professoren kamen an Bord. Pellegrino erforschte leichte, selbstorganisierende Strukturen – etwas, das auf engstem Raum in einer Rakete Platz findet, sich dann aber im Orbit entfaltet, um die Sonnenstrahlen zu absorbieren. Harry Atwater, Professor für angewandte Physik und Materialwissenschaften, untersuchte die Suche nach den richtigen Solarmodulen für das Kraftwerk. Herkömmliche Solaranlagen auf Satelliten verwenden Glas zum Schutz der darunter liegenden Systeme, eine solche Lösung wäre jedoch zu schwer für das Solarkraftwerk. „Wir haben untersucht, wie wir Dinge von Natur aus strahlungsfest machen und so dieses Stück Glas loswerden könnten“, sagt Atwater.

Hajimiri leitete unterdessen den Teil des Projekts, der sich mit der Energieübertragung befasste. Im Videochat zeigt er seine Lösung, ein flexibles Blatt, das mit einem Gittermuster bedeckt ist. Anstatt eine einzelne riesige Antenne auf ein Ziel zu richten, sendet jeder Punkt im Hajimiri-Gittersystem eine kleine Menge Mikrowellenstrahlung aus. Computer passen die Frequenzen der überlappenden Strahlung genau an und erzeugen so eine Art Linseneffekt durch konstruktive und destruktive Interferenz, ähnlich wie überlappende Wellen in einem Teich, um die Energie auf einen bestimmten Punkt zu fokussieren. „Sie haben sich von einem riesigen Elefanten zu einer Ameisenarmee dieser einzelnen Sender entwickelt“, sagt Hajimiri.

Ein Kraftwerk, das eine solche Technologie nutzt, könnte Strom an jeden Punkt unterhalb der Erde senden, den Übertragungsstandort nahezu augenblicklich wechseln oder sogar Energie an mehrere Standorte gleichzeitig leiten. Es eröffnet die Möglichkeit, Strom problemlos an Orte auf der ganzen Welt zu senden, die ihn am meisten benötigen, oder Strom nach Naturkatastrophen an bestimmte Orte zu leiten. Ersthelfer müssten lediglich einen Empfänger am Boden ausrollen, um selbst an bewölkten Tagen oder in der Nacht eine konstante Stromversorgung zu erhalten.

Die neuen Ergebnisse des Experiments vom vergangenen Montag haben bewiesen, dass die Technologie tatsächlich aus dem Weltraum funktionieren könnte. Der nächste Schritt besteht darin, kleine Unregelmäßigkeiten zu beseitigen, um die nächste Generation des Stromübertragungssystems zu verbessern, ein Prozess, der Monate dauern kann. Anschließend geht es an die Aufgabe, alle experimentellen Komponenten in ein größeres System zu integrieren. „Obwohl es noch immer Hürden zu überwinden gilt, wenn es um die groß angelegte drahtlose Energieübertragung von Weltraum-Solarenergie geht“, sagt Hajimiri, „bringt uns das näher.“

Korrektur, 1. Juni

In der Originalversion dieser Geschichte wurde der Name eines Caltech-Professors falsch angegeben. Er ist Harry Atwater, nicht Henry Atwater.

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