Es ist eine rund 100 Jahre alte Idee, die immer noch begeistert: Ingenieure und Wissenschaftler wollen große Solarfarmen im Weltall bauen – und die gesammelte Energie zur Erde strahlen. Doch selbst nach Jahrzehnten der Forschung scheint ein solches Kraftwerk nicht in Sicht. Wir erklären, warum.
Von Michael Förtsch
Die Menschheit braucht elektrischen Strom. Und zwar immer mehr davon. Daher verbrennt sie nach wie vor Öl, Kohle, Müll und Gas und spaltet Atome. Das mit dem Verbrennen ist allerdings ziemlich dreckig. Und die Sache mit der Kernenergie kann gründlich schiefgehen. Leider haben saubere Alternativen meist einen Haken. Mit Wind und Wasser lässt sich Strom erzeugen, aber nur wenn er weht und es fließt. Wirklich beständig ist nur eine alternative Energiequelle: die Sonne. Und die ist eigentlich auch sonst ziemlich ideal. Denn sie liefert Energie en gros – für alle.
Die Sonnenstrahlen, die die Erde in nur einer Stunde treffen, könnten den Strombedarf der ganzen Menschheit für ein ganzes Jahr decken. Und mit Photovoltaik lässt sich diese Energie bereits einfangen . Aber dabei gibt es leider Hürden. Zum Einen liefern Solarzellen nur solange Strom, wie die Sonne über ihnen scheint. Die Energie muss also mit riesigen Batterien und anderen Speichern für die Zeit gelagert werden, wenn alle abends ihr Licht anschalten. Zum Anderen geht ein großer Teil der Energie schon verloren, bevor er überhaupt die Solarkraftwerke auf der Erde erreichen kann. Allein 30 Prozent der Sonnenstrahlen werden wieder ins All reflektiert und kommen erst gar nicht an.
Die verbleibenden Lichtstrahlen müssen die Atmosphäre der Erde, Wolkendecken, Staubschleier und all die Gase, die unsere atembare Luft formen, durchqueren. Das Licht wird dabei gestreut und absorbiert. Je nach Wellenlänge wird es bis zu 60 Prozent abgeschwächt. Insgesamt ist das Licht, das auf der Erdoberfläche ankommt rund 11-mal schwächer als außerhalb der Atmosphäre, sagt die European Space Agency. Die Lösung? Ganz einfach: Das Licht dort mit Solarkraftwerken einfangen, wo es ständig in Reinform vorhanden ist und direkt einfangen werden kann. Im All! Genial einfach. Eigentlich.
Eine echt alte Idee
Die Idee, die Sonnenenergie direkt im All nutzbar zu machen, ist nicht neu. Für seine Kurzgeschichte Reason erdachte der Autor Isaac Asimov bereits 1941 eine Raumstation, die stets im Sonnenschein schwebt, die Strahlung mit riesigen Paneelen einfängt und als Mikrowellen auf die Erde schickt. Wann genau ist nicht bekannt, aber rund drei Jahrzehnte davor spekulierte auch schon der russische Autor, Erfinder und Forscher Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski darüber, dass sich mit Raketen irgendwann riesige Sonnenkraftwerke ins All transportieren lassen könnten.
„Beide haben das Sonnenlicht früh und sehr richtig als nachhaltige Energiequelle für die Menschen auf der Erde identifiziert“, sagt John Bucknell gegenüber 1E9. „Sie wussten, denke ich, dass wir darauf hinarbeiten sollten, die Energie direkt an dieser Quelle abzugreifen.“ Bucknell ist Ingenieur für Kerntechnik, hat den Hybrid-Antrieb für den Supersportwagen Czinger 21C konstruiert, Trägerraketen konzipiert und war bei SpaceX für die Raptor-Triebwerke der Falcon-Raketen mitverantwortlich. Vor allem aber ist er ein Experte für space-based solar power – und selbst Leiter und Chef-Ingenieur von Virtus Solis, einem 2019 gegründeten Weltraum-Energie-Start-up. Dazu aber später mehr.
Beide haben das Sonnenlicht früh und sehr richtig als nachhaltige Energiequelle für die Menschen auf der Erde identifiziert.
John Bucknell
In der Zeit von Asimov und Ziolkowski waren Weltraum-Sonnenkraftwerk natürlich noch ein Ding der Unmöglichkeit. Es fehlte sowohl die Technik, um sie zu konstruieren, als auch die Möglichkeit, sie in den Weltraum zu bringen. Doch mit dem Start des Satelliten Vanguard 1 wurde 1958 bewiesen, dass Photovoltaik im Weltraum nutzbar ist: Er war der erste Satellit, der Energie über Solarpaneele erzeugte. Und mit der Konstruktion der mächtigen Saturn-5-Rakete und der Vorbereitung der Landung auf dem Mond erschien es nicht mehr ausgeschlossen, das Science-Fiction-Konzept in die Realität zu hieven. Das war zumindest die Überzeugung von Peter Eduard Glaser.
„Peter Glaser arbeitete für Arthur Little, einem NASA-Zulieferer“, sagt Bucknell. Dort werkelte er am Apollo-Programm mit, unter anderem an den Laser-Reflektoren, die bei Apollo 11 auf der Mondoberfläche aufgestellt wurden. Aber er ging auch eigenen Konzepten nach. Unter anderem erarbeitete er einen Vorschlag, den er 1968 unter dem Titel Power from the Sun: It’s the Future im Science Magazine erstmals veröffentlichte – und über die folgenden drei Jahre weiter ausarbeitete. Der 2014 verstorbene Entwickler war überzeugt, dass es machbar wäre, zahlreiche jeweils mehrere Quadratkilometer durchmessende Satelliten mit Kreisrunden Solarpaneelen – sogenannte Solardisks – in das All zu transportieren.
Diese Sonnensatelliten würden, so Glaser, die Sonnenstrahlung umwandeln und jeweils über Mikrowellensender in Richtung von rund acht Kilometer durchmessenden Empfängerschüsseln auf der Erde schicken – wo aus den Mikrowellen wieder Strom wird. Das Konzept begeisterte – unter anderem Gerard O’Neill, einen der Vordenker der Besiedlung des Alls. Auch die NASA und das US-Energieministerium waren interessiert. Mehrere Millionen US-Dollar wurden zwischen 1974 und 1986 in Studien und Forschungsreihen investiert, um die Idee auszubauen und ihre Umsetzbarkeit zu prüfen.
Mit dem sogenannten SPS Reference System wurde die Idee von Glaser dann in eine andere Richtung weiterentwickelt. Aus den riesigen Scheiben wurden zehn Kilometer lange und fünf Kilometer breite Flügel, die sich mutmaßlich einfacher konstruieren lassen sollten. Auch die Möglichkeit, Laser-Strahlen statt Mikrowellen für den Energietransfer zu Erde zur nutzen, wurde austariert. Vor allem aber wurde viel kalkuliert. Wie John Bucknell sagt, stellte sich heraus, dass zumindest zum damaligen Zeitpunkt nicht klar war, ob es machbar und ökonomisch sinnvoll wäre, Hunderte oder gar Tausende Raketenstarts durchzuführen, um Satelliten ins All zu bringen, die die bisherigen Kraftwerke ersetzen.
1981 kam die National Academy of Sciences in ihrer Studie zum Schluss, dass ein solches Projekt rund 50 Jahre dauern und drei Billionen US-Dollar kosten würde. Wobei nicht sicher sei, ob es dann auch nachhaltig betrieben werden könnte. Insbesondere in Anbetracht des günstigen Öl- und Kohlepreise erschien Solarstrom aus dem All daher nicht interessant, unrentabel und viel zu aufwendig. Es sei ein „risikoreiches Unterfangen“ weiter an weltraumgestützter Solarenergie zu forschen, urteilten die National Academy of Sciences und das Energieminsterium. Damit schien die Idee begraben – vorerst.
Am wichtigsten ist die weltweit steigende Energienachfrage und die daraus resultierende zunehmende Besorgnis hinsichtlich der Kohlenstoffverbrennung, der CO2-Emissionen und des globalen Klimawandels.
John Mankins
Ein neuer Anfang
In den 1990ern wurde das Konzept der space-based solar power neu entdeckt. Schließlich hatte sich in der Zwischenzeit in der Solar- und Raketentechnik, aber auch in Politik, Gesellschaft und Ökologie einiges getan. „Am wichtigsten ist die weltweit steigende Energienachfrage und die daraus resultierende zunehmende Besorgnis hinsichtlich der Kohlenstoffverbrennung, der CO2-Emissionen und des globalen Klimawandels“, heißt in einer Fresh-Look-Studie der NASA, die das Thema im Jahre 1997 zeitgenössisch neu bewerten, Chancen ermitteln und neue Wege finden sollte.
Das NASA-Team entwickelte dabei auch eine neue Herangehensweise: den sogenannten Sun Tower. Dabei sollte es sich tatsächlich um eine Art durch lose Module und Kabel verbundenen Turm aus einzelnen Satelliten-Segmenten handeln, an dem jeweils in Zweierpaaren 50 bis 100 Meter durchmessende Scheiben montiert wären, die das Licht mit Linsen auf Photovoltaikplatten fokussieren. Mehrere dieser über einen Kilometer langen Türme sollten dicht über der Erde schweben und dadurch von der Gravitation in Position gehalten werden, um die gesammelte Energie in einem engen Mikrowellenstrahl zur Erde zu schicken. Die NASA kam in ihren Nachforschung zum Schluss, dass dieses und andere Konzepte unbedingt weiter verfolgt werden sollten.
Die Studien entfachten das Interesse neu. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt konzipierte Anfang der 2000er den The European Sail Tower, eine Idee ähnlich dem Sun Tower der NASA, nur, dass hier statt riesiger Solarpaletten rund 60 ausfaltbare Photovoltaiksegel mit 150 Meter Kantenlänge genutzt werden sollten. Die japanische Raumfahrtagentur JAXA erdachte zu Beginn der 2010er-Jahre ein System aus zwei großen Spiegeln, die das Sonnenlicht auf einen Satelliten mit zwei kleinen, aber umso effizienter nutzbaren Photovoltaikpaneelen fokussieren sollen. Ein Team um John Mankins bei der NASA selbst legte 2012 mit SPS-Alpha ein Model für ein Solarkraftwerk nach, das aus Hunderten dünnen Spiegeln eine Glocke formen soll, um das Sonnenlicht auf eine kompakte Photovoltaik-Scheibe zu bündeln.
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Tatsächlich führten die ambitionierten Konzepte zu praktischen Tests und Entwicklungen. Die japanische Raumfahrtbehörde erprobte mit zwei Satelliten, ob die so oft vorgeschlagene Energieübertragung mittels Mikrowellen im Weltraum überhaupt machbar ist. Die Antwort: ja. Über einen halben Kilometer schickten die japanischen Ingineure einen Energiestrahl durch die leere des Alls. Unabhängig davon arbeitet die US-Universität Caltech seit rund fünf Jahren an Photovoltaikelementen, die die Technik für die Konvertierung und Übertragung der Energie von vornherein integriert haben und sich gleich einem Origami zusammen- und auffalten lassen. Aus den 10-mal-10-Zentimeter-Platten könnten irgendwann mehrere Quadratkilometer durchmessende Solarfarmen entstehen.
Müssen wir noch lange auf Weltallstrom warten?
Bis aus all den verschiedenen Projekten eine erste Solarfarm im All hervorgeht, könnte es noch dauern. Lange dauern. Abgesehen von einem Projekt aus China. Dessen staatliche Raumfahrtunternehmen wollen bereits 2025 den Prototypen einer Photovoltaik-Farm im Orbit positionieren. „Ich habe mit allen möglichen Teams gesprochen [die an diesen Projekten arbeiten]“, sagt dennoch der Ingenieur John Bucknell. Aber echte Pläne und Bestrebungen die Technik kommerziell nutzbar zu machen, sehe er nicht. Auch, weil viele davon zu komplex und unpraktikabel seien. „Ich bin der Meinung, dass die bisherigen Entwürfe von Akademikern und Wissenschaftlern und nicht von Ingenieuren mit Erfahrung in der Großserienfertigung erdacht wurden“, führt Bucknell aus. Daher will er es nun selbst in die Hand nehmen, ein Solarkraftwerk ins All zu bringen – mit seinem Start-up Virtus Solis.
Zwei Jahre haben er und einige Mitstreiter bereits an der Technologie und dem Konzept gearbeitet. Sie wollen einen einfachen Satelliten mit ausfaltbaren Solarpaneelen bauen. Mehrere dieser Satelliten könnten sich im Weltraum dann zu großen Solarfeldern verknüpfen. Die Basis-Technologie sei bereits fertig und könnte bald am Boden und daraufhin in der Leere des All getestet werden. „Unsere Lösung existiert aufgrund des Moore’schen Gesetzes“, sagt Bucknell. Heißt: Sie sei sehr simpel gehalten und basiere auf Technik, die bewährt, verfügbar, kompakt und in großen Stückzahlen erschwinglich ist.
Laut Bucknell ließe sich mit einer Konstellation seiner Satelliten, je nach Anzahl, ein oder gar mehrere Kraftwerke am Erdboden ersetzen. Bis zu 20 Gigawatt an Nennleistung wären durch eine Satellitenkonstellation vorstellbar – alle Solaranlagen in Deutschland zusammen kommen derzeit auf rund 50 Gigawatt. Virtus Solis würde die Satellitenkonstellationen betreiben und den elektrischen Strom an Energiebieter oder Regierungen verkaufen. Was es dazu braucht, seien derzeit Investoren, die an die Vision glauben. Dass die irgendwann ihr Geld zurückbekommen, davon ist der Gründer überzeugt. Denn der Betrieb eines Weltraumkraftwerks sei nicht anders als ein Atomkraftwerk. „Ein einzelnes großes Kernkraftwerk kann viele Milliarden kosten – und dennoch jahrzehntelang seine Energie zu niedrigen Kosten verkaufen und Geld an seine Investoren zurückgeben“, sagt er. „Wir glauben, dass wir alle Kosten für neue Energieinfrastrukturen bequem unterbieten können, insbesondere in Entwicklungsländern.“
Die gleiche Überzeugung treibt auch einige wenige andere Privatunternehmen an. Darunter Solaren, ein 2009 gegründetes Start-up, das mit zahlreichen Solarpaneelen bestückte Satelliten in den Weltraum transportieren wollte. Eigentlich sollten die bereits seit 2016 Strom an kalifornische Haushalte liefern. Aber noch kein einziger ist bisher an einer Raketenspitze in die Höhe schossen worden. Ähnliches gilt für das vom NASA-Physiker John Mankins in Australien mitgegründete Solar Space Technologies, das auf dem SPS-Alpha-Konzept der NASA aufbauen will. Das Team hat die Installation modifiziert, so dass aus mehreren Modulen ein rund sechs Kilometer breite Trichterkonstruktion zusammengesetzt werden könne. Wie und wann aber nun ein erstes Weltraumkraftwerk zu erwarten ist? Das bleibt vorerst unklar – denn es ist auch eine Geldfrage. Selbst bei Starts mit aktuellen Falcon-9-Raketen von SpaceX würden alleine die Transportkosten für eine 1-Gigawatt-Anlage 31 Milliarden US-Dollar betragen, wird in einer Analyse der University of California überschlagen. Jedoch könnten diese Kosten durch weitere Entwicklungen und noch effektiver wiederverwendbare Raketen in Zukunft fallen. Teuer wäre es dennoch weiterhin.
Nur wenig von der Energie kommt an
Futuristisch und utopisch wirkt die Vorstellung, Strom einfach aus dem All zu beziehen – und das auch noch aus sauberer und kostenfreier Sonnenenergie. Allerdings hat die Idee auch ihre Kritiker. Zu denen gehört ausgerechnet Elon Musk, der mit Tesla und SpaceX in beiden Geschäftsfeldern engagiert ist, die es brauchen würde, um ein Solarkraftwerk im All aufzubauen. Er sagt allerdings: space-based solar power sei „die dümmste Sache überhaupt“. Dabei, meint er, „dass wenn jemand die Idee mögen sollte, dann ich“. Aber sie „kann nicht funktionieren“, sagt Musk. Nicht ganz ohne Grund.
Space-based solar power hat ein fundamentales Problem. Das hat nichts mit der Umsetzbarkeit an sich zu tun. Laut Einschätzungen der Autoren einer Studie der International Academy of Astronautics gibt es abseits finanzieller Aspekte spätestens seit den 2010er-Jahren nichts, was der Umsetzung im Wege steht. Es gebe „keine fundamentalen technischen Hürden“, die den Bau und Betrieb eines Weltraumkraftwerks verhindern. Das Problem ist ein anderes: Von der Sonne bis zur Erde muss Energie dreimal umgewandelt werden. Von Licht in Strom, von Strom in Mikrowellen oder Laser-Licht und dann erneut in elektrischen Strom. Diese Prozesse sind nicht sonderlich effektiv. Es geht auf diesem Weg jede Menge Energie verloren .
Solarstrom aus dem Weltraum, okay, die dümmste Sache überhaupt.
Elon Musk
Nach Berechnungen von Forschern an der National University of Singapore würden bei einem Solarkraftwerk im All mit heutiger Technik nur neun bis zehn Prozent der Energie, die im All gesammelt wird, als Strom auf der Erde ankommen. Das ist nicht gerade beeindruckend mehr als bei Solarinstallationen auf der Erde. Die Vision wirkt dadurch eher wenig erstrebenswert. Insbesondere wenn noch die weiteren Hürden einbezogen werden. Die Kühle des Alls verkürzt die Lebenszeit der Technik. Gleichzeitig ist die Wartung teuer und schwierig, solange diese keine automatisierten Roboter übernehmen können. Dadurch müsste im schlimmsten Falle jedesmal ein Astronautenteam geschickt werden, um Schäden zu beheben. Das alles würde den Strom aus dem All teurer machen als den aus irdischen Solaranlagen.
Die Diskrepanz bei der Energieumwandlung könnte laut den Forschern aber langfristig durch effizientere Technik geschmälert werden. Über 40 Prozent der gesammelten Energie könnte dadurch in einigen Jahrzehnten als elektrischer Strom in den Steckdosen ankommen. Auch ein derartiges Ergebnis wäre nicht ideal, aber eines, mit dem sich leben ließe. Davon scheinen auch die Forscher der National Space Society überzeugt. Sie sagen trotz all der Makel des Konzeptes und all der Stolpersteine: „Das Ergebnis wird die Mühe wert sein wird“. Denn: „Die Weltraumsolarenergie kann unsere Energieprobleme langfristig vollständig lösen. Je früher wir anfangen und je härter wir arbeiten, desto kürzer wird die ‚lange Frist‘ sein.“
Die Weltraumsolarenergie kann unsere Energieprobleme langfristig vollständig lösen. Je früher wir anfangen und je härter wir arbeiten, desto kürzer wird die ‚lange Frist‘ sein.
National Space Society
Ebenso könnte auch die schiere Masse ein Faktor sein. Je mehr und umso größer die Solarkraftwerke im All werden, umso günstiger können sie am Ende ausfallen. Ähnlich wie bei der Entwicklung und Produktion von Smartphones oder Elektrofahrzeugen. „Die Kosten für den Endkunden sind das, was am Ende zählt“, sagt der Virtus-Solis-Gründer John Bucknell. Er ist sich sicher, dass Strom aus dem All letztendlich zuverlässiger und günstiger angeboten werden könnte als alle anderen Formen von erneuerbaren Energien – und wohl letztlich auch als fossile Energien. Insbesondere dort, wo der Energiehunger der Menschen gerade erst zu wachsen beginnt. Dass das aber wirklich funktioniert, muss er erst noch beweisen und vor allem Investoren davon überzeugen, dass er das kann.
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Ein Konzept für Mond und Mars
Bei Sonnenenergie aus dem All geht es aber nicht nur um die Energieversorgung der Erde. Insbesondere andernorts könnte sie eine Lösung darstellen. Beispielsweise auf dem Mond, zu dem die Amerikaner bald zurückkehren wollen, um eine dauerhafte Basis aufzubauen. Menschen wie Jeff Bezos hoffen sogar, dort ganze Fabriken und Produktionsanlagen betreiben zu können. Solarzellen auf der Oberfläche wären hier eine Lösung – wenn denn nur die Pole des Mondes besiedelt würden, wo zuverlässig die Sonne scheint. Anders sieht es abseits der Pole aus. Dort gibt es Nächte wie auf der Erde – nur, dass diese nicht nur einige Stunden dauern, sondern ganze zwei Wochen. Das liegt an der gebundenen Rotation mit der Erde. Es wären immense Energiespeicher oder Ersatzversorgungsmöglichkeiten wie ein Atomkraftwerk nötig, um diese Zeit zu überbrücken. Mit space-based solar power wäre dieses Problem gelöst.
Auch auf dem Mars könnte Strom aus dem All eine Option sein. Denn im Orbit des roten Planeten wären die Solarpaneele geschützt vor Stürmen und Staub. Vor allem wäre es einfacher und kostengünstiger, möglicherweise schon im Erdorbit vorgefertigte Solar-Satelliten in den Orbit des Mars zu schicken als Tonnenschwere Batterien und Kraftwerke auf dem Planeten zu laden. Forscher wie Matthew Lynn Dalton von Active Space Technologies glauben daher, dass der roten Planet sogar vor der Erde mit space-based solar power versorgt werden könnte. Er sei „der perfekte Ort, um die ökonomischen und technologischen Vorzüge dieser Technologie zu präsentieren“. Damit könnte elektrischer Sonnenstrom aus dem All eine weitere Technik werden, die für die Raumfahrt entwickelt wird und letztlich zum Teil des irdischen Alltags wird. Oder zumindest des marsianischen Alltags.
Teaser-Bild: NASA
