Weltraumgestützte Solarenergie – Wikipedia

Konzept, Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und auf die Erde zu verteilen

Integriertes symmetrisches Konzentrator-SPS-Konzept der NASA

Weltraumgestützte Solarenergie (SBSP) ist das Konzept, Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und auf die Erde zu verteilen. Potenzielle Vorteile der Sammlung von Sonnenenergie im Weltraum sind eine höhere Sammelrate und eine längere Sammeldauer aufgrund des Fehlens einer diffundierenden Atmosphäre sowie die Möglichkeit, einen Sonnenkollektor an einem Ort im Orbit zu platzieren, an dem es keine Nacht gibt. Ein erheblicher Teil der einfallenden Sonnenenergie (55–60 %) geht auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre durch Reflexions- und Absorptionseffekte verloren. Weltraumgestützte Solarstromsysteme wandeln Sonnenlicht außerhalb der Atmosphäre in Mikrowellen um, wodurch diese Verluste und Ausfallzeiten aufgrund der Erdrotation vermieden werden, jedoch mit hohen Kosten aufgrund der Kosten für den Start von Material in die Umlaufbahn. SBSP wird als eine Form von nachhaltiger oder grüner Energie, erneuerbarer Energie, angesehen und wird gelegentlich unter den Vorschlägen zur Klimatechnik berücksichtigt. Es ist attraktiv für diejenigen, die groß angelegte Lösungen für den anthropogenen Klimawandel oder die Erschöpfung fossiler Brennstoffe (wie Peak Oil) suchen.

Seit Anfang der 1970er Jahre wurden verschiedene SBSP-Vorschläge erforscht,^[1][2] aber keiner ist mit der heutigen Infrastruktur für Weltraumstarts wirtschaftlich rentabel. Einige Technologen spekulieren, dass sich dies in ferner Zukunft ändern könnte, wenn eine außerirdische Industriebasis entwickelt würde, die Solarstromsatelliten aus Asteroiden oder Mondmaterial herstellen könnte, oder wenn radikal neue Weltraumstarttechnologien außer der Raketentechnik in den USA verfügbar werden sollten Zukunft.

Neben den Kosten für die Implementierung eines solchen Systems bringt SBSP auch mehrere technologische Hürden mit sich, darunter das Problem der Übertragung von Energie aus der Umlaufbahn zur Erdoberfläche zur Nutzung. Da Kabel, die sich von der Erdoberfläche zu einem umlaufenden Satelliten erstrecken, mit der aktuellen Technologie weder praktikabel noch machbar sind, beinhalten SBSP-Designs im Allgemeinen die Verwendung einer Art drahtloser Energieübertragung mit den damit einhergehenden Umwandlungsineffizienzen sowie Bedenken hinsichtlich der Landnutzung für die notwendigen Antennenstationen, um die Energie an der Erdoberfläche empfangen. Der Sammelsatellit würde an Bord Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln, einen Mikrowellensender oder Laserstrahler antreiben und diese Energie an einen Kollektor (oder eine Mikrowellen-Rectenna) auf der Erdoberfläche übertragen. Im Gegensatz zum Auftreten von SBSP in populären Romanen und Videospielen schlagen die meisten Designs Strahlenergiedichten vor, die nicht schädlich sind, wenn Menschen versehentlich exponiert werden, beispielsweise wenn der Strahl eines sendenden Satelliten vom Kurs abweicht. Die enormen Abmessungen der erforderlichen Empfangsantennen würden jedoch weiterhin die Beschaffung und Bereitstellung großer Grundstücke in der Nähe der Endverbraucher erfordern. Die Lebensdauer weltraumgestützter Kollektoren angesichts der Herausforderungen durch die langfristige Exposition gegenüber der Weltraumumgebung, einschließlich der Verschlechterung durch Strahlung und Mikrometeoroid-Schäden, könnte für SBSP ebenfalls ein Problem darstellen.

SBSP wird aktiv von Japan, China,^[3] Russland, Indien, Großbritannien^[4] und die USA.

Im Jahr 2008 verabschiedete Japan sein grundlegendes Weltraumgesetz, das Weltraumsolarenergie als nationales Ziel festlegte^[5] und JAXA hat eine Roadmap für kommerzielles SBSP.

2015 präsentierte die China Academy for Space Technology (CAST) ihre Roadmap auf der International Space Development Conference. Im Februar 2019, Wissenschaft und Technologie täglich (科技日报, Keji Ribao), die offizielle Zeitung des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie der Volksrepublik China, berichtete, dass mit dem Bau einer Testbasis im Bezirk Bishan in Chongqing begonnen wurde. CAST-Vizepräsident Li Ming wurde mit den Worten zitiert, China erwarte, als erstes Land ein funktionierendes Solarkraftwerk mit praktischem Wert zu bauen. Berichten zufolge planten chinesische Wissenschaftler, zwischen 2021 und 2025 mehrere kleine und mittlere Weltraumkraftwerke in Betrieb zu nehmen.^[6][7] Im Dezember 2019 berichtete die Nachrichtenagentur Xinhua, dass China plant, bis 2035 eine 200-Tonnen-SBSP-Station zu starten, die Megawatt (MW) Strom zur Erde erzeugen kann.^[8]

Im Mai 2020 führte das US Naval Research Laboratory seinen ersten Test zur Solarstromerzeugung in einem Satelliten durch.^[9] Im August 2021 gab das California Institute of Technology (Caltech) bekannt, bis 2023 ein SBSP-Testarray auf den Markt zu bringen, und gab gleichzeitig bekannt, dass Donald Bren und seine Frau Brigitte, beide Caltech-Treuhänder, seit 2013 das Institut finanzierten Weltraumgestütztes Solarenergieprojekt, das über 100 Millionen US-Dollar spendet.^[10]

Geschichte[edit]

Ein Laserpilotstrahl leitet die Mikrowellenleistungsübertragung zu einer Rectenna

1941 veröffentlichte der Science-Fiction-Autor Isaac Asimov die Science-Fiction-Kurzgeschichte “Reason”, in der eine Raumstation die von der Sonne gesammelte Energie mit Mikrowellenstrahlen auf verschiedene Planeten überträgt. Das SBSP-Konzept, ursprünglich bekannt als Satelliten-Solarstromsystem (SSPS), wurde erstmals im November 1968 beschrieben.^[11] 1973 erhielt Peter Glaser das US-Patent Nr. 3.781.647 für sein Verfahren zur Übertragung von Energie über große Distanzen (zB von einer SPS zur Erdoberfläche) mit Mikrowellen von einer sehr großen Antenne (bis zu einem Quadratkilometer) auf dem Satelliten zu einer viel größeren , heute als Rectenna bekannt, auf dem Boden.^[12]

Glaser war damals Vizepräsident bei Arthur D. Little, Inc. Die NASA unterzeichnete 1974 einen Vertrag mit ADL, um vier weitere Unternehmen in einer umfassenderen Studie zu leiten benötigten Materialien im Orbit und der Mangel an Erfahrung mit Projekten dieser Größenordnung im Weltraum – dies war vielversprechend genug, um weitere Untersuchungen und Forschungen zu verdienen.^[13]

Konzeptentwicklungs- und Evaluierungsprogramm für Satellitenstromsysteme[edit]

Zwischen 1978 und 1986 autorisierte der Kongress das Energieministerium (DoE) und die NASA, das Konzept gemeinsam zu untersuchen. Sie organisierten das Konzeptentwicklungs- und Evaluierungsprogramm für das Satellitenstromsystem.^[14][15] Die Studie ist nach wie vor die umfangreichste, die bisher durchgeführt wurde (Budget 50 Millionen US-Dollar).^[16] Es wurden mehrere Berichte veröffentlicht, in denen die technische Machbarkeit eines solchen Engineering-Projekts untersucht wurde. Sie beinhalten:

Künstlerisches Konzept eines Solarstromsatelliten an Ort und Stelle. Gezeigt ist die Montage einer Mikrowellen-Sendeantenne. Der Solarstromsatellit sollte sich in einer geosynchronen Umlaufbahn in 35.786 Kilometern (22.236 Meilen) über der Erdoberfläche befinden. NASA 1976

• Ressourcenbedarf (kritische Materialien, Energie und Land)^[17]
• Finanz-/Management-Szenarien^[18][19]
• Öffentliche Akzeptanz^[20]
• Staatliche und örtliche Vorschriften in Bezug auf Mikrowellenempfangsanlagen von Satellitenstromsystemen^[21]
• Schülerbeteiligung^[22]
• Potenzial des Lasers für die SBSP-Leistungsübertragung^[23]
• Internationale Abkommen^[24][25]
• Zentralisierung/Dezentralisierung^[26]
• Kartierung von Ausschlussbereichen für Rectenna-Standorte^[27]
• Wirtschaftliche und demografische Probleme im Zusammenhang mit der Bereitstellung^[28]
• Einige Fragen und Antworten^[29]
• Meteorologische Auswirkungen auf die Laserstrahlausbreitung und direkte solargepumpte Laser^[30]
• Experiment zur Öffentlichkeitsarbeit^[31]
• Technische Zusammenfassung und Bewertung von Stromübertragung und -empfang^[32]
• Weltraumtransport^[33]

Einstellung[edit]

Das Projekt wurde mit dem Regierungswechsel nach den US-Wahlen 1980 nicht weitergeführt. Das Office of Technology Assessment kam zu dem Schluss, dass „derzeit zu wenig über die technischen, wirtschaftlichen und umweltbezogenen Aspekte von SPS bekannt ist, um eine fundierte Entscheidung über die Entwicklung und den Einsatz zu treffen. ein technisches Verifizierungsprogramm wäre ein riskantes Unterfangen.”^[34]

1997 führte die NASA ihre “Fresh Look”-Studie durch, um den modernen Stand der Machbarkeit von SBSP zu untersuchen. Bei der Bewertung von “Was sich seit der DOE-Studie geändert hat” stellte die NASA fest, dass die “US National Space Policy jetzt die NASA auffordert, erhebliche Investitionen in Technologie (nicht in ein bestimmtes Fahrzeug) zu tätigen, um die Kosten von ETO zu erhöhen”. [Earth to Orbit] Transport drastisch nach unten. Das ist natürlich eine absolute Voraussetzung für Weltraum-Solarenergie.“^[35]

Umgekehrt behauptet Pete Worden von der NASA, dass weltraumgestützte Solarenergie etwa fünf Größenordnungen teurer ist als Solarenergie aus der Wüste von Arizona, wobei die Hauptkosten der Transport von Materialien in die Umlaufbahn sind. Worden bezeichnete mögliche Lösungen als spekulativ, die frühestens Jahrzehnte lang nicht verfügbar seien.^[36]

Am 2. November 2012 schlug China eine Zusammenarbeit im Weltraum mit Indien vor, in der SBSP erwähnt wurde, „möglicherweise eine weltraumbasierte Solarenergie-Initiative, damit sowohl Indien als auch China zusammen mit anderen bereiten Weltraumnationen, die Weltraum bringen wollen, für eine langfristige Verbindung mit angemessener Finanzierung arbeiten können Sonnenenergie zur Erde.”^[37]

Forschungs- und Technologieprogramm zur Exploration von Weltraumsolarenergie[edit]

SERT Integrated Symmetrical Concentrator SPS-Konzept.NASA

1999 wurde das Space Solar Power Exploratory Research and Technology-Programm (SERT) der NASA zu folgenden Zwecken initiiert:

• Durchführung von Designstudien ausgewählter Flugdemonstrationskonzepte.
• Bewerten Sie Studien der allgemeinen Machbarkeit, des Designs und der Anforderungen.
• Erstellen Sie konzeptionelle Designs von Subsystemen, die fortschrittliche SSP-Technologien nutzen, um zukünftige Weltraum- oder terrestrische Anwendungen zu nutzen.
• Formulieren Sie einen vorläufigen Aktionsplan für die USA (in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern), um eine aggressive Technologieinitiative durchzuführen.
• Erstellung von Technologieentwicklungs- und Demonstrations-Roadmaps für kritische Weltraum-Solarstrom-Elemente (SSP).

Das SERT entwickelte ein Solarstromsatellitenkonzept (SPS) für ein zukünftiges Gigawatt-Weltraumstromsystem, um elektrische Energie bereitzustellen, indem die Sonnenenergie umgewandelt und auf die Erdoberfläche gestrahlt wird, und stellte einen konzeptionellen Entwicklungspfad bereit, der aktuelle Technologien nutzt. SERT schlug eine aufblasbare photovoltaische Struktur mit Konzentratorlinsen oder Solarwärmemotoren vor, um Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Das Programm betrachtete sowohl Systeme in einer sonnensynchronen Umlaufbahn als auch in einer geosynchronen Umlaufbahn. Einige der Schlussfolgerungen von SERT:

• Der weltweit steigende Energiebedarf dürfte noch viele Jahrzehnte anhalten und zum Bau neuer Kraftwerke aller Größenordnungen führen.
• Die Umweltauswirkungen dieser Anlagen und ihre Auswirkungen auf die weltweite Energieversorgung und geopolitische Beziehungen können problematisch sein.
• Erneuerbare Energien sind sowohl philosophisch als auch technisch ein überzeugender Ansatz.
• Viele erneuerbare Energiequellen sind aufgrund des inhärenten Land- und Wasserbedarfs in ihrer Fähigkeit, die für die globale industrielle Entwicklung und den Wohlstand erforderliche Grundlastleistung erschwinglich bereitzustellen, begrenzt.
• Basierend auf ihrer Konzeptdefinitionsstudie könnten Weltraum-Solarenergiekonzepte bereit sein, wieder in die Diskussion einzutreten.
• Solarstromsatelliten sind nicht länger so vorstellbar, dass sie unvorstellbar hohe Anfangsinvestitionen in feste Infrastruktur erfordern, bevor mit der Aufstellung produktiver Kraftwerke begonnen werden kann.
• Weltraum-Solarstromsysteme scheinen im Vergleich zu alternativen Ansätzen viele bedeutende Umweltvorteile zu besitzen.
• Die Wirtschaftlichkeit von Weltraum-Solarstromanlagen hängt von vielen Faktoren und der erfolgreichen Entwicklung verschiedener neuer Technologien ab (darunter nicht zuletzt die Verfügbarkeit eines viel kostengünstigeren Zugangs zum Weltraum als bisher); Gleiches gilt jedoch für viele andere fortschrittliche Energietechnologien.
• Weltraumsolarenergie könnte sich als ernsthafter Kandidat unter den Optionen zur Deckung des Energiebedarfs des 21. Jahrhunderts herausstellen.^[38]
• Startkosten im Bereich von 100 bis 200 US-Dollar pro Kilogramm Nutzlast von der niedrigen Erdumlaufbahn bis zur geosynchronen Umlaufbahn sind erforderlich, wenn SPS wirtschaftlich rentabel sein soll.^[16]

Japanische Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung[edit]

Das IEEE Spectrum-Magazin vom Mai 2014 brachte einen langen Artikel von Susumu Sasaki mit dem Titel “It’s Always Sunny in Space”.^[39] In dem Artikel heißt es: „Es ist seit Jahrzehnten Gegenstand vieler früherer Studien und Science-Fiction-Zeug, aber weltraumbasierte Solarenergie könnte endlich Realität werden – und innerhalb von 25 Jahren, so ein Vorschlag von Forschern des Tokyo -basierte Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA).”

JAXA gab am 12. März 2015 bekannt, dass sie 1,8 Kilowatt 50 Meter drahtlos zu einem kleinen Empfänger strahlten, indem sie Strom in Mikrowellen und dann wieder in Strom umwandelten. Dies ist der Standardplan für diese Art von Leistung.^[40][41] Am 12. März 2015 demonstrierte Mitsubishi Heavy Industries die Übertragung von 10 Kilowatt (kW) Leistung an eine 500 Meter (m) entfernte Empfangseinheit.^[42]

Vorteile und Nachteile[edit]

Vorteile[edit]

Das SBSP-Konzept ist attraktiv, weil der Weltraum gegenüber der Erdoberfläche mehrere große Vorteile für die Sammlung von Sonnenenergie bietet:

• Es ist immer Sonnenmittag im All und volle Sonne.
• Sammelflächen könnten aufgrund des Fehlens von Hindernissen wie atmosphärischen Gasen, Wolken, Staub und anderen Wetterereignissen viel intensiveres Sonnenlicht erhalten. Folglich beträgt die Intensität im Orbit etwa 144 % der maximal erreichbaren Intensität auf der Erdoberfläche.^{[citation needed]}
• Ein Satellit könnte über 99% der Zeit beleuchtet sein und sich zu den Frühlings- und Herbst-Tagundnachtgleichen um lokale Mitternacht nur maximal 72 Minuten pro Nacht im Erdschatten befinden.^[43] Satelliten im Orbit können einer konstant hohen Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein, in der Regel 24 Stunden am Tag, während Sonnenkollektoren auf der Erdoberfläche derzeit durchschnittlich 29% des Tages Strom sammeln.^[44]
• Strom könnte relativ schnell direkt in die Gebiete umgeleitet werden, die ihn am dringendsten benötigen. Ein Sammelsatellit könnte möglicherweise Strom nach Bedarf zu verschiedenen Oberflächenstandorten leiten, basierend auf dem geographischen Grundlast- oder Spitzenlast-Leistungsbedarf.
• Reduzierte Störungen durch Pflanzen und Wildtiere.

Nachteile[edit]

Das SBSP-Konzept weist auch eine Reihe von Problemen auf:

• Die hohen Kosten für den Start eines Satelliten ins All. Für 6,5 kg/kW dürfen die Kosten für die Platzierung eines Stromsatelliten in GEO 200 USD/kg nicht überschreiten, wenn die Stromkosten wettbewerbsfähig sein sollen.
• Mikrowellenoptik erfordert aufgrund der Strahlausbreitung der Airy-Scheibe eine GW-Skala. Typischerweise breitet sich eine 1 km lange Sendescheibe bei 2,45 GHz auf 10 km in Erdentfernung aus.
• Unfähigkeit, die Kraftübertragung innerhalb winziger Strahlwinkel zu beschränken. Zum Beispiel ist ein Strahl von 0,002 Grad (7,2 Bogensekunden) erforderlich, um innerhalb eines ein Kilometer langen Empfangsantennenziels aus geostationärer Höhe zu bleiben. Die fortschrittlichsten gerichteten drahtlosen Energieübertragungssysteme (Stand 2019) verteilen ihre Halbwertsstrahlbreite über mindestens 0,9 Bogengrad.^{[45][46][47][48]}
• Unzugänglichkeit: Die Wartung eines erdbasierten Solarpanels ist relativ einfach, aber der Bau und die Wartung eines Solarpanels im Weltraum würden typischerweise telerobotisch erfolgen. Abgesehen von den Kosten sind Astronauten, die im GEO (geosynchronous Earth Orbit) arbeiten, inakzeptabel hohen Strahlungsgefahren und -risiken ausgesetzt und kosten etwa das Tausendfache der gleichen Aufgabe, die telerobotisch ausgeführt wird.
• Die Weltraumumgebung ist feindselig; PV-Module (sofern verwendet) erleiden etwa achtmal so viel Verschlechterung wie auf der Erde (außer in Umlaufbahnen, die durch die Magnetosphäre geschützt sind).^[49]
• Weltraumschrott ist eine große Gefahr für große Objekte im Weltraum, insbesondere für große Strukturen wie SBSP-Systeme, die unterhalb von 2000 km durch den Schutt wandern. Das Kollisionsrisiko wird bei GEO stark reduziert, da sich alle Satelliten mit sehr ähnlicher Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegen.^[50]
• Die Sendefrequenz des Mikrowellen-Downlinks (sofern verwendet) würde eine Isolierung der SBSP-Systeme von anderen Satelliten erfordern. Der GEO-Raum wird bereits gut genutzt und erfordert eine Abstimmung mit der ITU-R.^[51]
• Die große Größe und die entsprechenden Kosten der Empfangsstation am Boden. Die Kosten wurden von SBSP-Forscher Keith Henson auf eine Milliarde Dollar für 5 GW geschätzt.
• Energieverluste während mehrerer Phasen der Umwandlung von Photonen zu Elektronen zu Photonen zurück zu Elektronen.^[52]
• Die Entsorgung von Abwärme in Weltraumenergiesystemen ist anfangs schwierig, wird jedoch schwer zu handhaben, wenn das gesamte Raumfahrzeug so ausgelegt ist, dass es so viel Sonnenstrahlung wie möglich absorbiert. Herkömmliche Wärmesteuerungssysteme von Raumfahrzeugen, wie beispielsweise Strahlungsschaufeln, können die Okklusion von Sonnenkollektoren oder Leistungsübertrager stören.

Künstlerisches Konzept einer Sonnenscheibe auf einem elektrisch angetriebenen Weltraumschlepper LEO zu GEO.

Weltraumgestützte Solarenergie besteht im Wesentlichen aus drei Elementen:^[2]

1. Sammeln von Sonnenenergie im Weltraum mit Reflektoren oder aufblasbaren Spiegeln auf Solarzellen oder Heizungen für thermische Systeme
2. drahtlose Energieübertragung zur Erde über Mikrowelle oder Laser
3. Empfang von Strom auf der Erde über eine Rectenna, eine Mikrowellenantenne

Der weltraumgestützte Teil muss sich selbst nicht gegen die Schwerkraft abstützen (außer relativ schwachen Gezeitenbelastungen). Es braucht keinen Schutz vor terrestrischem Wind oder Wetter, muss jedoch mit Weltraumgefahren wie Mikrometern und Sonneneruptionen fertig werden. Zwei grundlegende Umwandlungsmethoden wurden untersucht: Photovoltaik (PV) und Solardynamik (SD). Die meisten Analysen von SBSP konzentrierten sich auf die photovoltaische Umwandlung unter Verwendung von Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Solar Dynamic verwendet Spiegel, um das Licht auf einen Kessel zu konzentrieren. Der Einsatz von Solardynamik könnte die Masse pro Watt reduzieren. Die drahtlose Energieübertragung wurde schon früh als Mittel vorgeschlagen, um Energie aus der Sammlung zur Erdoberfläche zu übertragen, entweder unter Verwendung von Mikrowellen- oder Laserstrahlung mit einer Vielzahl von Frequenzen.

Mikrowellen-Leistungsübertragung[edit]

William C. Brown demonstrierte 1964 während der CBS News-Sendung von Walter Cronkite einen mikrowellenbetriebenen Modellhubschrauber, der die gesamte Energie, die er für den Flug benötigte, von einem Mikrowellenstrahl erhielt. Zwischen 1969 und 1975 war Bill Brown technischer Direktor eines JPL-Raytheon-Programms, das eine Leistung von 30 kW über eine Entfernung von 1,6 km bei 9,6 % Wirkungsgrad ausstrahlte.^[53][54]

Die Mikrowellenleistungsübertragung von mehreren zehn Kilowatt wurde durch bestehende Tests bei Goldstone in Kalifornien (1975) gut bewiesen.^[54][55][56] und Grand Bassin auf der Insel La Réunion (1997).^[57]

Vergleich von Laser- und Mikrowellenleistungsübertragung. NASA-Diagramm

In jüngerer Zeit wurde von einem Team um John C. Mankins die Übertragung von Mikrowellenleistung in Verbindung mit Sonnenenergieeinfang zwischen einem Berggipfel in Maui und der Insel Hawaii (92 Meilen entfernt) demonstriert.^[58][59]

Technologische Herausforderungen in Bezug auf Array-Layout, Einzelstrahlungselement-Design und Gesamtwirkungsgrad sowie die damit verbundenen theoretischen Grenzen sind derzeit Gegenstand der Forschung, wie die Sondersitzung “Analysis of Electromagnetic Wireless Systems for Solar Power Transmission” zeigte “, das während des 2010 IEEE Symposium on Antennas and Propagation stattfand.^[60] Im Jahr 2013 wurde eine nützliche Übersicht veröffentlicht, die Technologien und Fragen im Zusammenhang mit der Mikrowellenleistungsübertragung vom Weltraum zur Erde behandelt. Es beinhaltet eine Einführung in SPS, aktuelle Forschung und Zukunftsperspektiven.^[61]

Darüber hinaus erschien in den Proceedings of the IEEE ein Überblick über aktuelle Methoden und Technologien für den Entwurf von Antennenarrays für die Mikrowellenleistungsübertragung.^[62]

Laserleistungsstrahlen[edit]

Laserleistungsstrahlen wurde von einigen bei der NASA als Sprungbrett für die weitere Industrialisierung des Weltraums angesehen. In den 1980er Jahren arbeiteten Forscher der NASA an der möglichen Verwendung von Lasern für die Leistungsbestrahlung von Weltraum zu Weltraum und konzentrierten sich hauptsächlich auf die Entwicklung eines solarbetriebenen Lasers. 1989 wurde vorgeschlagen, dass Energie auch von der Erde in den Weltraum geschickt werden könnte. 1991 hatte das SELENE-Projekt (Space Laser ENErgy) begonnen, das die Untersuchung von Laserleistungsstrahlen zur Stromversorgung einer Mondbasis umfasste. Das SELENE-Programm war ein zweijähriger Forschungsaufwand, aber die Kosten für die Umsetzung des Konzepts in den Betriebszustand waren zu hoch, und das offizielle Projekt endete 1993, bevor es eine weltraumgestützte Demonstration erreichte.^[63]

1988 schlug Grant Logan die Verwendung eines erdbasierten Lasers zum Antrieb eines elektrischen Triebwerks für den Weltraumantrieb vor, wobei technische Details 1989 ausgearbeitet wurden. Er schlug vor, Diamantsolarzellen zu verwenden, die bei 600 Grad betrieben werden^{[clarification needed]} ultraviolettes Laserlicht umzuwandeln.

Orbitalposition[edit]

Der Hauptvorteil der Platzierung eines Weltraumkraftwerks in einer geostationären Umlaufbahn besteht darin, dass die Antennengeometrie konstant bleibt und so die Ausrichtung der Antennen einfacher ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine nahezu kontinuierliche Energieübertragung sofort verfügbar ist, sobald das erste Weltraumkraftwerk in die Umlaufbahn gebracht wird, LEO benötigt mehrere Satelliten, bevor sie nahezu kontinuierliche Energie produzieren.

Das Bestrahlen von Leistung aus einer geostationären Umlaufbahn durch Mikrowellen bringt die Schwierigkeit mit sich, dass die erforderlichen “optischen Apertur”-Größen sehr groß sind. Zum Beispiel erforderte die NASA-SPS-Studie von 1978 eine Sendeantenne mit 1 km Durchmesser und eine Empfangsrectenna mit 10 km Durchmesser für einen Mikrowellenstrahl bei 2,45 GHz. Diese Größen können durch Verwendung kürzerer Wellenlängen etwas verringert werden, obwohl sie eine erhöhte atmosphärische Absorption und sogar eine potenzielle Strahlblockierung durch Regen oder Wassertröpfchen aufweisen. Wegen des dünneren Array-Fluchs ist es nicht möglich, einen schmaleren Strahl durch Kombinieren der Strahlen mehrerer kleinerer Satelliten zu erzeugen. Die große Größe der Sende- und Empfangsantennen bedeutet, dass der minimale praktische Leistungspegel für eine SPS notwendigerweise hoch ist; kleine SPS-Anlagen sind möglich, aber unwirtschaftlich.^{[original research?]}

Als Vorläufer der weltraumgestützten Solarenergie GEO (Geostationary Orbit) wurde eine Sammlung von LEO-Weltraumkraftwerken (Low Earth Orbit) vorgeschlagen.^[64]

Erdgebundener Empfänger[edit]

Die erdbasierte Rectenna würde wahrscheinlich aus vielen kurzen Dipolantennen bestehen, die über Dioden verbunden sind. Mikrowellensendungen vom Satelliten würden in den Dipolen mit einer Effizienz von etwa 85 % empfangen.^[65] Bei einer herkömmlichen Mikrowellenantenne ist die Empfangseffizienz besser, aber auch deren Kosten und Komplexität sind erheblich höher. Rectennas hätte wahrscheinlich einen Durchmesser von mehreren Kilometern.

In Raumfahrtanwendungen[edit]

Ein Laser-SBSP könnte auch eine Basis oder Fahrzeuge auf der Oberfläche des Mondes oder des Mars mit Strom versorgen, wodurch Massenkosten für die Landung der Energiequelle eingespart werden. Ein Raumfahrzeug oder ein anderer Satellit könnte auch mit den gleichen Mitteln angetrieben werden. In einem 2012 der NASA vorgelegten Bericht über Weltraumsolarenergie erwähnt der Autor eine weitere potenzielle Verwendung der Technologie hinter der Weltraumsolarenergie für solarelektrische Antriebssysteme, die für interplanetare bemannte Erkundungsmissionen verwendet werden könnten.^[66][67][68]

Einführungskosten[edit]

Ein Problem für das SBSP-Konzept sind die Kosten für Weltraumstarts und die Menge an Material, die gestartet werden müsste.

Ein Großteil des gestarteten Materials muss nicht sofort auf seine endgültige Umlaufbahn gebracht werden, was die Möglichkeit eröffnet, dass hocheffiziente (aber langsamere) Triebwerke SPS-Material zu akzeptablen Kosten von LEO zu GEO transportieren könnten. Beispiele sind Ionentriebwerke oder Kernantrieb.

Um eine Vorstellung vom Ausmaß des Problems zu geben, würde ein 4 GW-Kraftwerk unter der Annahme einer Solarmodulmasse von 20 kg pro Kilowatt (ohne Berücksichtigung der Masse der Tragstruktur, der Antenne oder einer signifikanten Massenreduzierung von Fokussierspiegeln) wiegen etwa 80.000 Tonnen,^[69] All dies würde unter den gegenwärtigen Umständen von der Erde aus gestartet werden. Dies ist jedoch weit vom Stand der Technik für geflogene Raumfahrzeuge entfernt, der 2015 bei 150 W/kg (6,7 kg/kW) lag und sich schnell verbessert.^[70] Sehr leichte Konstruktionen könnten wahrscheinlich 1 kg/kW erreichen,^[71] Das bedeutet 4.000 Tonnen für die Sonnenkollektoren für die gleiche 4-GW-Kapazitätsstation. Über die Masse der Paneele hinaus muss Overhead (einschließlich Boosting auf die gewünschte Umlaufbahn und Stationshaltung) hinzugefügt werden.

Zu diesen Kosten müssen die Umweltauswirkungen schwerer Weltraumstartmissionen hinzugerechnet werden, wenn diese Kosten im Vergleich zur erdbasierten Energieerzeugung verwendet werden sollen. Zum Vergleich die direkten Kosten einer neuen Kohle^[72] oder Kernkraftwerks liegt zwischen 3 und 6 Milliarden US-Dollar pro GW (ohne die vollen Kosten für die Umwelt durch CO2-Emissionen bzw. Lagerung von abgebranntem Kernbrennstoff).

Bauen aus dem Weltraum[edit]

Aus Mondmaterial, das in die Umlaufbahn gebracht wurde[edit]

Gerard O’Neill, der das Problem der hohen Startkosten in den frühen 1970er Jahren bemerkte, schlug vor, die SPS im Orbit mit Materialien vom Mond zu bauen.^[73]Die Startkosten vom Mond sind aufgrund der geringeren Schwerkraft und des fehlenden atmosphärischen Widerstands potenziell viel niedriger als von der Erde. Dieser Vorschlag aus den 1970er Jahren ging von den damals angekündigten zukünftigen Startkosten des Space Shuttles der NASA aus. Dieser Ansatz würde erhebliche Vorabinvestitionen erfordern, um Massenantriebe auf dem Mond zu etablieren.^[74] Dennoch kam der Abschlussbericht (“Lunar Resources Utilization for Space Construction”) von General Dynamics’ Convair Division am 30 System von nur dreißig Solarstromsatelliten mit einer Kapazität von jeweils 10 GW.^[75]

Als 1980 klar wurde, dass die Startkostenschätzungen der NASA für das Space Shuttle äußerst optimistisch waren, machten O’Neill et al. veröffentlichte einen anderen Weg zur Herstellung unter Verwendung von Mondmaterialien mit viel niedrigeren Anlaufkosten.^[76] Dieses SPS-Konzept der 1980er Jahre stützte sich weniger auf die menschliche Präsenz im Weltraum als auf sich teilweise selbstreplizierende Systeme auf der Mondoberfläche unter der Fernsteuerung von auf der Erde stationierten Arbeitern. Der hohe Nettoenergiegewinn dieses Vorschlags ergibt sich aus der viel flacheren Gravitationsquelle des Mondes.

Eine relativ billige Rohstoffquelle aus dem Weltraum pro Pfund würde die Sorge um massearme Konstruktionen verringern und dazu führen, dass eine andere Art von SPS gebaut wird. Die niedrigen Kosten pro Pfund Mondmaterial in O’Neills Vision würden durch die Verwendung von Mondmaterial unterstützt, um mehr Anlagen im Orbit als nur Solarstromsatelliten herzustellen. Fortschrittliche Techniken für den Start vom Mond können die Kosten für den Bau eines Solarstromsatelliten aus Mondmaterial senken. Einige vorgeschlagene Techniken umfassen den Mondmassenantrieb und den Mondraumaufzug, die zuerst von Jerome Pearson beschrieben wurden.^[77] Dazu müssten auf dem Mond Anlagen zum Abbau von Silizium und zur Herstellung von Solarzellen errichtet werden.^{[citation needed]}

Auf dem Mond[edit]

Der Physiker Dr. David Criswell schlägt vor, dass der Mond der optimale Standort für Solarkraftwerke ist, und fördert Sonnenenergie auf Mondbasis.^[78][79][80] Der Hauptvorteil, den er sich vorstellt, ist die Konstruktion weitgehend aus lokal verfügbaren Mondmaterialien unter Nutzung der Ressourcennutzung vor Ort, mit einer teleoperierten mobilen Fabrik und einem Kran zum Zusammenbau der Mikrowellenreflektoren und Rovern zum Zusammenbau und zur Montage von Solarzellen.^[81] was die Startkosten im Vergleich zu SBSP-Designs erheblich reduzieren würde. Teil des Projekts sind auch Power-Relais-Satelliten, die die Erde umkreisen, und den Mond, der den Mikrowellenstrahl reflektiert. Ein Demoprojekt von 1 GW beginnt bei 50 Milliarden US-Dollar.^[82] Die Shimizu Corporation verwendet eine Kombination aus Lasern und Mikrowellen für das Luna-Ring-Konzept zusammen mit Leistungsrelaissatelliten.^[83][84]

Von einem Asteroiden[edit]

Auch der Asteroidenabbau wurde ernsthaft in Erwägung gezogen. Eine Designstudie der NASA^[85] evaluierte ein 10.000 Tonnen schweres Bergbaufahrzeug (das im Orbit zusammengebaut werden soll), das ein 500.000 Tonnen schweres Asteroidenfragment in eine geostationäre Umlaufbahn zurückbringen würde. Nur etwa 3.000 Tonnen des Bergbauschiffs wären herkömmliche Nutzlasten in Luft- und Raumfahrtqualität. Der Rest wäre Reaktionsmasse für den Massenantriebsmotor, der als verbrauchte Raketenstufen angeordnet werden könnte, um die Nutzlast zu starten. Unter der Annahme, dass 100 % des zurückgegebenen Asteroiden nützlich waren und der Asteroidenbergmann selbst nicht wiederverwendet werden könnte, bedeutet dies eine Reduzierung der Startkosten um fast 95 %. Die wahren Vorzüge einer solchen Methode würden jedoch von einer gründlichen Mineraluntersuchung der in Frage kommenden Asteroiden abhängen; Bisher haben wir nur Schätzungen ihrer Zusammensetzung.^[86] Ein Vorschlag besteht darin, den Asteroiden Apophis in die Erdumlaufbahn einzufangen und ihn in 150 Solarstromsatelliten mit jeweils 5 GW oder den größeren Asteroiden 1999 AN10 umzuwandeln, der 50x so groß wie Apophis ist und groß genug ist, um 7.500 5-Gigawatt-Solarstromsatelliten zu bauen^[87]

Galerie[edit]

• 

  Eine Mondbasis mit einem Massentreiber (die lange Struktur, die zum Horizont führt). Konzeptuelle Illustration der NASA

• 

  Die Vorstellung eines Künstlers einer “selbstwachsenden” Roboter-Mondfabrik.

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  Mikrowellenreflektoren auf dem Mond und teleoperierter Roboter-Pflasterrover und -Kran.

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  “Crawler” überquert die Mondoberfläche, glättet, schmilzt eine obere Regolithschicht und lagert dann Elemente von Silizium-PV-Zellen direkt auf der Oberfläche ab

• 

  Skizze des Lunar Crawlers zur Herstellung von Mondsolarzellen auf der Mondoberfläche.

• 

  Hier ist eine Reihe von Sonnenkollektoren zu sehen, die Energie in Mikrowellenstrahlen umwandeln, die auf die Erde gerichtet sind.

• 

  Ein Solarsatellit, der aus einem abgebauten Asteroiden gebaut wurde.

Die Verwendung von Mikrowellen-Energieübertragung war das umstrittenste Thema bei der Betrachtung eines SPS-Designs. An der Erdoberfläche hätte ein vorgeschlagener Mikrowellenstrahl in seinem Zentrum eine maximale Intensität von 23 mW/cm .² (weniger als 1/4 der Sonneneinstrahlungskonstante) und einer Intensität von weniger als 1 mW/cm² außerhalb der Rectenna-Zaunlinie (der Umkreis des Empfängers).^[88] Diese sind mit den aktuellen Arbeitsplatzgrenzwerten des United States Occupational Safety and Health Act (OSHA) für Mikrowellen vergleichbar, die bei 10 mW/cm² liegen²,^{[89][original research?]} – die Beschränkung selbst wird freiwillig ausgedrückt und für die Zwecke der Bundes-OSHA als nicht durchsetzbar erklärt.^{[citation needed]} Ein Strahl dieser Intensität befindet sich daher in seinem Zentrum und hat eine ähnliche Größenordnung wie die aktuellen sicheren Arbeitsplatzwerte, selbst bei längerer oder unbegrenzter Exposition.^{[original research?]} Außerhalb des Empfängers ist es weit weniger als die OSHA-Langzeitwerte^[90] Über 95 % der Strahlenergie werden auf die Rectenna fallen. Die verbleibende Mikrowellenenergie wird gut innerhalb der Standards absorbiert und verteilt, die derzeit für Mikrowellenemissionen auf der ganzen Welt gelten.^[91] Für die Systemeffizienz ist es wichtig, dass möglichst viel der Mikrowellenstrahlung auf die Rectenna fokussiert wird. Außerhalb der Rectenna nimmt die Mikrowellenintensität schnell ab, daher sollten nahegelegene Städte oder andere menschliche Aktivitäten völlig unbeeinflusst bleiben.^[92]

Die Strahlenbelastung kann auf andere Weise minimiert werden. Am Boden ist der physische Zugang kontrollierbar (z. B. über Zäune), und typische Flugzeuge, die durch den Strahl fliegen, bieten den Passagieren eine schützende Metallhülle (dh einen Faradayschen Käfig), die die Mikrowellen abfängt. Andere Flugzeuge (Ballone, Ultraleichtflugzeuge usw.) können eine Exposition vermeiden, indem sie Flugkontrollräume beobachten, wie dies derzeit für militärische und andere kontrollierte Lufträume der Fall ist. Die Mikrowellenstrahlintensität am Boden in der Mitte des Strahls würde entworfen und physikalisch in das System eingebaut; der Sender wäre einfach zu weit entfernt und zu klein, um die Intensität auch im Prinzip auf unsichere Werte anheben zu können.

Außerdem besteht eine Konstruktionsbeschränkung darin, dass der Mikrowellenstrahl nicht so intensiv sein darf, dass er Wildtiere, insbesondere Vögel, verletzt. Experimente mit absichtlicher Mikrowellenbestrahlung in vernünftigen Mengen haben auch über mehrere Generationen keine negativen Auswirkungen gezeigt.^[93] Es wurden Vorschläge gemacht, Rectennas vor der Küste anzusiedeln,^[94][95] dies bringt jedoch ernsthafte Probleme mit sich, einschließlich Korrosion, mechanischer Beanspruchung und biologischer Kontamination.

Ein allgemein vorgeschlagener Ansatz zum Sicherstellen einer ausfallsicheren Strahlausrichtung ist die Verwendung einer retrodirektiven phasengesteuerten Array-Antenne/Rectenna. Ein “Pilot”-Mikrowellenstrahl, der von der Mitte der Rectenna am Boden ausgesendet wird, erzeugt eine Phasenfront an der Sendeantenne. Dort vergleichen Schaltungen in jedem der Subarrays der Antenne die Phasenfront des Pilotstrahls mit einer internen Taktphase, um die Phase des ausgehenden Signals zu steuern. Dies erzwingt eine präzise Zentrierung des übertragenen Strahls auf der Rectenna und eine hohe Phasengleichmäßigkeit; Wenn der Pilotstrahl aus irgendeinem Grund verloren geht (zB wenn die Sendeantenne von der Rectenna weggedreht wird), fällt der Phasensteuerwert aus und der Mikrowellenleistungsstrahl wird automatisch defokussiert.^[92] Ein solches System wäre physikalisch nicht in der Lage, seinen Leistungsstrahl irgendwo zu fokussieren, wo kein Pilotstrahlsender vorhanden wäre. Die langfristigen Auswirkungen der Strahlungsleistung durch die Ionosphäre in Form von Mikrowellen müssen noch untersucht werden, aber es wurde nichts vorgeschlagen, was zu einem signifikanten Effekt führen könnte.

Zeitleiste[edit]

Im 20. Jahrhundert[edit]

• 1941: Isaac Asimov veröffentlichte die Science-Fiction-Kurzgeschichte “Reason”, in der eine Raumstation die von der Sonne gesammelte Energie mit Mikrowellenstrahlen zu verschiedenen Planeten überträgt.
• 1968: Peter Glaser stellt das Konzept eines “Solar Power Satellite”-Systems mit Quadratmeilen Sonnenkollektoren in hoher geosynchroner Umlaufbahn zum Sammeln und Umwandeln der Sonnenenergie in einen Mikrowellenstrahl vor, um nutzbare Energie an große Empfangsantennen (Rektennas) auf der Erde zur Verteilung zu übertragen .
• 1973: Peter Glaser erhält das US-Patent Nr. 3.781.647 für sein Verfahren zur Übertragung von Energie über große Entfernungen unter Verwendung von Mikrowellen von einer großen (ein Quadratkilometer) Antenne des Satelliten zu einer viel größeren Antenne am Boden, die heute als Rectenna bekannt ist.^[12]
• 1978–81: Das Energieministerium der Vereinigten Staaten und die NASA untersuchen das Konzept des Solarstromsatelliten (SPS) ausführlich und veröffentlichen Design- und Machbarkeitsstudien.
• 1987: Stationäre Höhenrelaisplattform ein kanadisches Experiment
• 1995–97: Die NASA führt eine “Fresh Look”-Studie zu Konzepten und Technologien der Weltraumsolarenergie (SSP) durch.
• 1998: Die Space Solar Power Concept Definition Study (CDS) identifiziert glaubwürdige, kommerziell tragfähige SSP-Konzepte und weist gleichzeitig auf technische und programmatische Risiken hin.
• 1998: Japans Weltraumbehörde beginnt mit der Entwicklung eines Weltraum-Solarstromsystems (SSPS), ein Programm, das bis heute andauert.^{[citation needed]}
• 1999: NASAs Space Solar Power Exploratory Research and Technology-Programm (SERT, siehe unten) beginnt.
• 2000: John Mankins von der NASA sagt im US-Repräsentantenhaus aus und sagt: “SSP ist ein sehr komplexes integriertes System von Systemen, das zahlreiche bedeutende Fortschritte in der aktuellen Technologie und den Fähigkeiten erfordert. Es wurde eine Technologie-Roadmap entwickelt, die potenzielle Wege für alle notwendigen Fortschritte zu erzielen – wenn auch über mehrere Jahrzehnte.^[16]

Im 21. Jahrhundert[edit]

• 2001: NASDA (eine der nationalen Raumfahrtbehörden Japans, bevor sie Teil von JAXA wurde) kündigt Pläne für zusätzliche Forschung und Prototypenentwicklung durch den Start eines experimentellen Satelliten mit 10 Kilowatt und 1 Megawatt Leistung an.^[96][97]
• 2003: ESA-Studien^[98]
• 2007: Das National Security Space Office (NSSO) des US-Pentagon veröffentlicht einen Bericht^[99] am 10. Oktober 2007 erklärten, dass sie beabsichtigen, Sonnenenergie aus dem Weltraum für die Nutzung auf der Erde zu sammeln, um die anhaltenden Beziehungen der Vereinigten Staaten zum Nahen Osten und den Kampf um Öl zu unterstützen. Eine Demo-Anlage könnte 10 Milliarden US-Dollar kosten, 10 Megawatt produzieren und in 10 Jahren betriebsbereit sein.^[100]
• 2007: Im Mai 2007 findet am US-amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Workshop statt, um den aktuellen Stand des SBSP-Marktes und der SBSP-Technologie zu überprüfen.^[101]
• 2010: Die Professoren Andrea Massa und Giorgio Franceschetti kündigen eine Sondersitzung zum Thema “Analysis of Electromagnetic Wireless Systems for Solar Power Transmission” beim Internationalen Symposium on Antennas and Propagation 2010 des Institute of Electrical and Electronics Engineers an.^[102]
• 2010: Die indische Weltraumforschungsorganisation und die US-amerikanische National Space Society haben ein gemeinsames Forum ins Leben gerufen, um die Partnerschaft bei der Nutzung von Sonnenenergie durch weltraumgestützte Sonnenkollektoren zu stärken. Das nach dem ehemaligen indischen Präsidenten Dr. APJ Abdul Kalam als Kalam-NSS-Initiative bezeichnete Forum wird den Grundstein für das weltraumgestützte Solarstromprogramm legen, dem auch andere Länder beitreten könnten.^[103]
• 2010: Sky’s No Limit: Weltraumgestützte Solarenergie, der nächste große Schritt in der strategischen Partnerschaft zwischen Indo und den USA?] geschrieben von USAF Lt Col Peter Garretson wurde am Institute for Defense Studies and Analysis veröffentlicht.^[104]
• 2012: China schlug während eines Besuchs des ehemaligen indischen Präsidenten Dr. APJ Abdul Kalam eine gemeinsame Entwicklung zwischen Indien und China zur Entwicklung eines Solarstromsatelliten vor.^[105]
• 2015: Die Weltraum-Solarenergie-Initiative (SSPI) wird zwischen Caltech und Northrop Grumman Corporation gegründet. Für ein dreijähriges Projekt sollen schätzungsweise 17,5 Millionen US-Dollar für die Entwicklung eines weltraumgestützten Solarstromsystems bereitgestellt werden.
• 2015: JAXA gab am 12. März 2015 bekannt, dass sie drahtlos 1,8 Kilowatt 50 Meter zu einem kleinen Empfänger strahlten, indem sie Strom in Mikrowellen und dann wieder in Strom umwandelten.^[40][41]
• 2016: Generalleutnant Zhang Yulin, stellvertretender Chef des [PLA] Rüstungsentwicklungsabteilung der Zentralen Militärkommission, schlug vor, dass China als nächstes damit beginnen würde, den Erde-Mond-Raum für die industrielle Entwicklung zu nutzen. Das Ziel wäre der Bau von weltraumgestützten Solarstromsatelliten, die Energie zurück zur Erde strahlen.^[106]
• 2016: EIN Team mit Mitgliedschaft im Naval Research Laboratory (NRL), Defense Advanced Projects Agency (DARPA), Air Force Air University, Joint Staff Logistics (J-4), Department of State, Makins Aerospace und Northrop Grumman gewann den Verteidigungsminister (SECDEF) / Secretary of State (SECSTATE) / Agenturweite D3 (Diplomatie, Entwicklung, Verteidigung) Innovation Challenge des USAID Director mit a Vorschlag dass die USA bei der Weltraumsolarenergie führend sein müssen. Dem Vorschlag folgte a Vision-Video
• 2016: Bürger für weltraumgestützte Solarenergie hat den D3-Vorschlag in aktive Petitionen auf der Website des Weißen Hauses “America Must Lead the Transition to Space-Based Energy” und Change.org “USA Must Lead the Transition to Space-Based Energy” umgewandelt, zusammen mit den folgenden Video.
• 2016: Erik Larson und andere von der NOAA produzieren ein Papier “Globale atmosphärische Reaktion auf Emissionen von einem vorgeschlagenen wiederverwendbaren Weltraumstartsystem”^[107] Das Papier argumentiert, dass bis zu 2 TW/Jahr Energiesatelliten ohne unerträgliche Schäden an der Atmosphäre gebaut werden könnten. Vor diesem Papier gab es Bedenken, dass das beim Wiedereintritt erzeugte NOx zu viel Ozon zerstören würde.
• 2016: Ian Cash von SICA Design schlägt CASSIOPeiA (Constant Aperture, Solid State, Integrated, Orbital Phased Array) vor, ein neues Konzept SPS Fakultätsliste | Elektro-und Informationstechnik
• 2017: NASA wählt fünf neue Forschungsanträge konzentriert sich auf Investitionen in den Weltraum. Die Colorado School of Mines konzentriert sich auf “Trends des 21. Jahrhunderts in der weltraumgestützten Solarstromerzeugung und -speicherung”.
• 2019: Aditya Baraskar und Prof. Toshiya Hanada von Space System Dynamic Laboratory, Kyushu University vorgeschlagener Energieorbit (E-Orbit),^[108] eine kleine Weltraum-Solarstrom-Satellitenkonstellation für die Leistungsübertragung zwischen Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Insgesamt 1600 Satelliten sollen 10 Kilowatt Strom in einem Umkreis von 500 km in 900 km Höhe übertragen. “^[109]
• 2019: China schafft eine Testbasis für SBSP und kündigt den Plan an, bis 2035 eine funktionierende 200-Tonnen-SBSP-Station in Megawattqualität in Betrieb zu nehmen.

Untypische Konfigurationen und architektonische Überlegungen[edit]

Das typische Referenzsystem von Systemen umfasst eine beträchtliche Anzahl (mehrere tausend Multi-Gigawatt-Systeme, um den gesamten oder einen signifikanten Teil des Energiebedarfs der Erde zu bedienen) einzelner Satelliten in GEO. Das typische Referenzdesign für den einzelnen Satelliten liegt im Bereich von 1-10 GW und beinhaltet in der Regel planare oder konzentrierte Photovoltaik (PV) als Energiekollektor/-umwandlung. Die typischsten Übertragungsdesigns liegen im HF-Band 1–10 GHz (2,45 oder 5,8 GHz), wo minimale Verluste in der Atmosphäre auftreten. Materialien für die Satelliten werden von der Erde bezogen und hergestellt und voraussichtlich über wiederverwendbare Raketenstarts zu LEO transportiert und über chemische oder elektrische Antriebe zwischen LEO und GEO transportiert. Zusammenfassend sind die Architekturentscheidungen:

• Standort = GEO
• Energiesammlung = PV
• Satellit = Monolithische Struktur
• Übertragung = HF
• Materialien & Herstellung = Erde
• Installation = RLVs an LEO, Chemical an GEO

Aus dem Referenzsystem gibt es mehrere interessante Designvarianten:

Alternative Energiesammelstelle: Während GEO aufgrund seiner Vorteile der Erdnähe, des vereinfachten Zeigens und Verfolgens, der sehr geringen Zeit bei der Bedeckung und der Skalierbarkeit, um den gesamten globalen Bedarf um ein Vielfaches zu decken, am typischsten ist, wurden andere Standorte vorgeschlagen:

• Sonne Erde L1: Robert Kennedy III, Ken Roy & David Fields haben eine Variante des L1-Sonnenschutzes namens “Dyson Dots” vorgeschlagen.^[113] wo ein Multi-Terawatt-Primärkollektor Energie zurück zu einer Reihe sonnensynchroner LEO-Empfängersatelliten strahlen würde. Die viel größere Entfernung zur Erde erfordert eine entsprechend größere Transmissionsapertur.
• Mondoberfläche: David Criswell hat vorgeschlagen, die Mondoberfläche selbst als Sammelmedium zu verwenden und Energie über eine Reihe von Mikrowellenreflektoren in der Erdumlaufbahn auf den Boden zu strahlen. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes wäre die Möglichkeit, die Sonnenkollektoren vor Ort ohne die Energiekosten und die Komplexität der Einführung herzustellen. Zu den Nachteilen zählen die viel größere Entfernung, die größere Übertragungssysteme erfordert, der erforderliche “Überbau”, um mit der Mondnacht fertig zu werden, und die Schwierigkeit, Reflektorsatelliten ausreichend herzustellen und auszurichten.^[114]
• MEO: MEO-Systeme wurden für Dienstprogramme im Weltraum und Infrastrukturen für Strahlkraftantriebe vorgeschlagen. Siehe zum Beispiel das Papier von Royce Jones.^[115]
• Hochelliptische Bahnen: Molniya-, Tundra- oder Quazi-Zenith-Orbits wurden als frühe Standorte für Nischenmärkte vorgeschlagen, die weniger Energie für den Zugang benötigen und eine gute Persistenz bieten.^[116]
• Sonnensynchronisierter LEO: In dieser nahen polaren Umlaufbahn präzedieren die Satelliten mit einer Geschwindigkeit, die es ihnen ermöglicht, immer der Sonne zuzuwenden, während sie sich um die Erde drehen. Dies ist eine leicht zugängliche Umlaufbahn, die viel weniger Energie erfordert, und ihre Nähe zur Erde erfordert kleinere (und daher weniger massive) Sendeöffnungen. Zu den Nachteilen dieses Ansatzes gehört jedoch das ständige Verschieben von Empfangsstationen oder das Speichern von Energie für eine Burst-Übertragung. Diese Umlaufbahn ist bereits überfüllt und weist erheblichen Weltraumschrott auf.
• Äquatorialer LEO: Japans SPS 2000 schlug einen frühen Demonstrator im äquatorialen LEO vor, bei dem mehrere äquatoriale teilnehmenden Nationen eine gewisse Macht erhalten könnten.^[117]
• Erdoberfläche: Narayan Komerath hat ein Weltraumstromnetz vorgeschlagen, bei dem überschüssige Energie aus einem bestehenden Netz oder Kraftwerk auf einer Seite des Planeten in die Umlaufbahn, über einen anderen Satelliten und hinunter zu Empfängern geleitet werden kann.^[118]

Energiesammlung: Zu den typischsten Designs für Solarstromsatelliten gehört die Photovoltaik. Diese können planar (und normalerweise passiv gekühlt), konzentriert (und möglicherweise aktiv gekühlt) sein. Es gibt jedoch mehrere interessante Varianten.

• Solarthermie: Befürworter der Solarthermie haben vorgeschlagen, konzentrierte Erwärmung zu verwenden, um eine Zustandsänderung in einer Flüssigkeit zu bewirken, um Energie über rotierende Maschinen zu extrahieren, gefolgt von einer Kühlung in Radiatoren. Vorteile dieser Methode können die Gesamtmasse des Systems (umstritten), die Nichtverschlechterung aufgrund von Schäden durch Sonnenwind und die Strahlungstoleranz sein. Ein neuer thermischer Solarstromsatellitenentwurf von Keith Henson und anderen wurde hier visualisiert. Thermal Space Solar Power Konzept Ein verwandtes Konzept ist hier: Beamed Energy Bootstrapping Die vorgeschlagenen Heizkörper sind dünnwandige Kunststoffrohre, die mit Dampf von niedrigem Druck (2,4 kPa) und Temperatur (20 °C) gefüllt sind.
• Solargepumpter Laser: Japan hat einen solargepumpten Laser verfolgt, bei dem Sonnenlicht direkt das Lasermedium anregt, das verwendet wird, um den kohärenten Strahl zur Erde zu erzeugen.
• Fusionszerfall: Diese Version eines Power-Satelliten ist nicht “solar”. Vielmehr wird das Vakuum des Weltraums als „Merkmal, nicht als Fehler“ für die traditionelle Fusion angesehen. Nach Paul Werbos zerfallen selbst neutrale Teilchen nach der Fusion in geladene Teilchen, die in einem ausreichend großen Volumen eine direkte Umwandlung in Strom ermöglichen würden.^{[citation needed]}
• Solar-Windschleife: Auch Dyson-Harrop-Satellit genannt. Dabei nutzt der Satellit nicht die Photonen der Sonne, sondern die geladenen Teilchen des Sonnenwinds, die über elektromagnetische Kopplung in einer großen Schleife einen Strom erzeugen.
• Direktspiegel: Frühe Konzepte für eine direkte Spiegelumlenkung des Lichts auf den Planeten Erde litten an dem Problem, dass die von der Sonne kommenden Strahlen nicht parallel sind, sondern sich von einer Scheibe ausbreiten und daher der Fleck auf der Erde ziemlich groß ist. Lewis Fraas hat eine Reihe von Parabolspiegeln erforscht, um bestehende Solaranlagen zu erweitern.^[119]

Alternative Satellitenarchitektur: Der typische Satellit ist eine monolithische Struktur, die aus einem strukturellen Fachwerk, einem oder mehreren Kollektoren, einem oder mehreren Sendern und gelegentlich primären und sekundären Reflektoren besteht. Die gesamte Struktur kann durch Schwerkraftgradienten stabilisiert werden. Alternative Designs umfassen:

• Schwärme kleinerer Satelliten: Einige Designs schlagen Schwärme frei fliegender kleinerer Satelliten vor. Dies ist bei mehreren Laserdesigns der Fall und scheint bei den Flying Carpets von CALTECH der Fall zu sein.^[120] Bei HF-Designs ist das Problem der spärlichen Anordnung eine technische Einschränkung.
• Frei schwebende Komponenten: Solaren hat eine Alternative zur monolithischen Struktur vorgeschlagen, bei der der Primärreflektor und der Transmissionsreflektor frei fliegen.^[121]
• Spinstabilisierung: Die NASA erforschte ein spinstabilisiertes Dünnschichtkonzept.
• Photonic Laser Thruster (PLT) stabilisierte Struktur: Young Bae hat vorgeschlagen, dass Photonendruck kompressive Elemente in großen Strukturen ersetzen kann.^{[citation needed]}

Übertragung: Das typischste Design für die Energieübertragung ist über eine HF-Antenne bei unter 10 GHz zu einer Rectenna am Boden. Es gibt Kontroversen zwischen den Vorteilen von Klystrons, Gyrotrons, Magnetrons und Festkörpern. Zu den alternativen Übertragungsansätzen gehören:

• Laser: Laser bieten den Vorteil viel geringerer Kosten und Masse gegenüber der ersten Leistung, jedoch gibt es Kontroversen hinsichtlich der Effizienzvorteile. Laser ermöglichen viel kleinere Sende- und Empfangsöffnungen. Ein hochkonzentrierter Strahl hat jedoch Bedenken hinsichtlich der Augensicherheit, des Feuerschutzes und der Bewaffnung. Befürworter glauben, Antworten auf all diese Bedenken zu haben. Ein laserbasierter Ansatz muss auch alternative Wege finden, um mit Wolken und Niederschlag umzugehen.
• Atmosphärischer Wellenleiter: Einige haben vorgeschlagen, dass es möglich sein könnte, einen Kurzpulslaser zu verwenden, um einen atmosphärischen Wellenleiter zu erzeugen, durch den konzentrierte Mikrowellen fließen könnten.^{[122][123][124]}
• Kernsynthese: Teilchenbeschleuniger im inneren Sonnensystem (ob in der Umlaufbahn oder auf einem Planeten wie Merkur) könnten Sonnenenergie nutzen, um Kernbrennstoff aus natürlich vorkommenden Materialien zu synthetisieren. Während dies mit der derzeitigen Technologie sehr ineffizient wäre (in Bezug auf die Energiemenge, die zur Herstellung des Brennstoffs im Vergleich zur im Brennstoff enthaltenen Energiemenge benötigt wird) und offensichtliche Probleme der nuklearen Sicherheit aufwerfen würde, würde die grundlegende Technologie, auf der ein solcher Ansatz beruht, Vertrauen auf ist seit Jahrzehnten im Einsatz und damit der möglicherweise zuverlässigste Weg, Energie vor allem über sehr weite Distanzen – insbesondere vom inneren Sonnensystem ins äußere Sonnensystem – zu übertragen.

Materialien und Herstellung: Typische Konstruktionen nutzen das auf der Erde vorhandene entwickelte industrielle Fertigungssystem und verwenden erdbasierte Materialien sowohl für den Satelliten als auch für den Treibstoff. Varianten sind:

• Mondmaterialien: Es gibt Designs für Solarstromsatelliten, die >99% der Materialien aus Mondregolith mit sehr geringen Zufuhren von “Vitaminen” von anderen Orten beziehen. Die Verwendung von Materialien vom Mond ist attraktiv, da der Start vom Mond theoretisch weit weniger kompliziert ist als von der Erde. Da es keine Atmosphäre gibt, müssen die Komponenten nicht eng in eine Aeroshell gepackt werden und halten Vibrationen, Druck und Temperaturbelastungen stand. Der Start kann über einen magnetischen Massenantrieb erfolgen und die Anforderung, Treibmittel für den Start vollständig zu verwenden, umgehen. Beim Start vom Mond benötigt der GEO auch weit weniger Energie als aus der viel tieferen Gravitationsquelle der Erde. Der Bau aller Solarstromsatelliten, um die gesamte erforderliche Energie für den gesamten Planeten vollständig bereitzustellen, erfordert weniger als ein Millionstel der Masse des Mondes.
• Selbstreplikation auf dem Mond: Die NASA erforschte 1980 eine sich selbst replizierende Fabrik auf dem Mond.^[125] In jüngerer Zeit hat Justin Lewis-Webber eine Methode zur gezielten Herstellung von Kernelementen vorgeschlagen^[126] basierend auf dem John Mankins SPS-Alpha-Design.^[127][128]
• Asteroidale Materialien: Es wird angenommen, dass einige Asteroiden ein noch niedrigeres Delta-V haben, um Materialien zu gewinnen als der Mond, und einige besondere Materialien von Interesse wie Metalle können konzentrierter oder leichter zugänglich sein.
• In-Space/In-Situ-Fertigung: Mit dem Aufkommen der additiven Fertigung im Weltraum könnten Konzepte wie SpiderFab eine Masseneinführung von Rohstoffen für die lokale Extrusion ermöglichen.^[129]

Installationsmethode / Materialtransport zum Energiesammelort: In den Referenzdesigns wird Komponentenmaterial über gut verstandene chemische Raketen (normalerweise vollständig wiederverwendbare Startsysteme) zu LEO abgefeuert, wonach sie entweder mit chemischem oder elektrischem Antrieb zu GEO transportiert werden. Die gewünschten Eigenschaften für dieses System sind ein sehr hoher Massenstrom bei geringen Gesamtkosten. Alternative Konzepte umfassen:

• Chemischer Start auf dem Mond: ULA hat kürzlich ein Konzept für einen vollständig wiederverwendbaren chemischen Lander XEUS vorgestellt, um Materialien von der Mondoberfläche zu LLO oder GEO zu transportieren.^[130]
• Mondmassentreiber: Abschuss von Materialien von der Mondoberfläche mit einem System ähnlich einem elektromagnetischen Katapult eines Flugzeugträgers. Eine unerforschte kompakte Alternative wäre das Slingatron.
• Mondraumaufzug: Ein äquatoriales oder fast äquatoriales Kabel erstreckt sich zum und durch den Lagrange-Punkt. Dies wird von Befürwortern als masseärmer bezeichnet als ein herkömmlicher Massentreiber.
• Weltraumaufzug: Ein Band aus reinen Kohlenstoff-Nanoröhrchen erstreckt sich von seinem Schwerpunkt in einer geostationären Umlaufbahn und ermöglicht es Kletterern, zum GEO zu klettern. Zu den Problemen dabei gehören die materielle Herausforderung, ein Band dieser Länge mit ausreichender Stärke zu erzeugen, das Management von Kollisionen mit Satelliten und Weltraummüll sowie Blitzeinschlägen.
• MEO Skyhook: Als Teil einer AFRL-Studie schlug Roger Lenard einen MEO-Skyhook vor. Es scheint, dass ein durch Schwerkraftgradienten stabilisiertes Halteseil mit seinem Massenschwerpunkt in MEO aus verfügbaren Materialien konstruiert werden kann. Der Boden des Skyhooks befindet sich in einer “nicht-keplerschen Umlaufbahn” nahe der Atmosphäre. Eine wiederverwendbare Rakete kann starten, um Höhe und Geschwindigkeit mit dem unteren Ende des Seils abzugleichen, das sich in einer nicht-keplerschen Umlaufbahn befindet (sie bewegt sich viel langsamer als die typische Umlaufgeschwindigkeit). Die Nutzlast wird übertragen und es klettert das Kabel. Das Kabel selbst wird durch elektrischen Antrieb und/oder elektromagnetische Effekte daran gehindert, seine Umlaufbahn zu verlassen.
• MAGLEV-Start / StarTram: John Powell hat ein Konzept für ein System mit sehr hohem Massedurchfluss. In einem in einen Berg eingebauten System der ersten Generation beschleunigt eine Nutzlast durch eine evakuierte MAGLEV-Strecke. Eine kleine Bordrakete zirkuliert die Nutzlast.^[131]
• Bestrahlte Energieeinführung: Kevin Parkin und Escape Dynamics haben beide Konzepte^[132] zur bodengestützten Bestrahlung einer Trägerrakete mit Monoantrieb unter Verwendung von HF-Energie. Die HF-Energie wird absorbiert und heizt das Treibmittel direkt auf, ähnlich wie bei der NERVA-artigen Nuklearthermie. LaserMotive hat ein Konzept für einen laserbasierten Ansatz.

In der Fiktion[edit]

Raumstationen, die Sonnenenergie übertragen, sind in Science-Fiction-Werken wie Isaac Asimovs “Reason” (1941) aufgetaucht, in dem es um die Probleme der Roboter geht, die die Station betreiben. Asimovs Kurzgeschichte “The Last Question” beschreibt auch die Verwendung von SBSP, um grenzenlose Energie für die Nutzung auf der Erde bereitzustellen.

Roman von Erc Kotani und John Maddox Roberts aus dem Jahr 2000 Das Erbe des Prometheus postuliert einen Wettlauf zwischen mehreren Konglomeraten, um als erster ein Gigawatt Energie von einem Sonnensatelliten in einer geosynchronen Umlaufbahn abzustrahlen.

In Ben Bovas Roman PowerSat (2005) versucht ein Unternehmer zu beweisen, dass der fast fertig gestellte Energiesatellit und das Raumflugzeug seines Unternehmens (ein Mittel, um Wartungsmannschaften effizient zum Satelliten zu bringen) sowohl sicher als auch wirtschaftlich rentabel sind, während Terroristen mit Verbindungen zu ölproduzierenden Nationen versuchen, diese Versuche zu entgleisen durch Täuschung und Sabotage.^[133]

Verschiedene Luft- und Raumfahrtunternehmen haben in ihren Visionsvideos auch phantasievolle zukünftige Solarstromsatelliten vorgestellt, darunter Boeing,^[134] Lockheed Martin,^[135] und United Launch Alliance.^[136]

Der Solarsatellit ist eine von drei Energiegewinnungsmitteln im browserbasierten Spiel OGame.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Die National Space Society unterhält ein umfangreiches Weltraum-Solarenergiebibliothek Archiviert 14.04.2018 auf der Wayback Machine aller wichtigen historischen Dokumente und Studien im Zusammenhang mit Weltraumsolarenergie, und wichtige Nachrichtenartikel.

Externe Links[edit]

• Europäische Weltraumorganisation (ESA) – Advanced Concepts Team, Weltraumgestützte Solarenergie
• William Maness darüber, warum alternative Energie- und Stromnetze keine guten Spielkameraden sind und seine Pläne, Solarstrom aus dem Weltraum zu übertragen. in Seed (Magazin)
• Die Welt braucht Energie aus dem Weltraum Weltraumgestützte Solartechnologie ist der Schlüssel zur Energie- und Umweltzukunft der Welt, schreibt Peter E. Glaser, ein Pionier der Technologie.
• Den Solarstromsatelliten neu erfinden”, NASA 2004-212743, Bericht von Geoffrey A. Landis vom NASA Glenn Research Center
• Japans Pläne für ein Solarkraftwerk im Weltraum – Die japanische Regierung hofft, bis 2040 eine weltraumgestützte Solaranlage zu bauen.
• Weltraumenergie, Inc. – Weltraumenergie, Inc.
• Was ist mit Solarstromsatelliten passiert? Ein Artikel, der die Hürden beim Einsatz eines Solarstromsatelliten behandelt.
• Solarstromsatellit aus Mond- und Asteroidenmaterialien Bietet einen Überblick über die technologischen und politischen Entwicklungen, die für den Bau und die Nutzung eines Multi-Gigawatt-Leistungssatelliten erforderlich sind. Bietet auch einen Ausblick auf die Kosteneinsparungen, die durch die Verwendung außerirdischer Materialien beim Bau des Satelliten erzielt werden.
• Eine Renaissance der Weltraum-Solarenergie? von Jeff Foust, Montag, 13. August 2007 Berichte über ein erneutes institutionelles Interesse an SSP und ein Fehlen eines solchen Interesses in den letzten Jahrzehnten.
• “Konzeptionelle Studie eines Solarstromsatelliten, SPS 2000” Makoto Nagatomo, Susumu Sasaki und Yoshihiro Naruo
• Forscher bestrahlen Solarenergie aus dem Weltraum auf Hawaii (Wired Science)
• [2] Archiviert 2018-04-14 auf der Wayback Machine Die Space Solar Power Library der National Space Society
• Die Zukunft der Energie ist auf Abruf? Sondersitzung bei der 2010 Festival delle Città Impresa mit John Mankins (Artemis Innovation Management Solutions LLC, USA), Nobuyuki Kaya (Universität Kobe, Japan), Sergio Garribba (Ministerium für Wirtschaftsentwicklung, Italien), Lorenzo Fiori (Finmeccanica Group, Italien), Andrea Massa (Universität Trento, Italien ) und Vincenzo Gervasio (Consiglio Nazionale dell’Economia ed del Lavoro, Italien). Weißes Papier– Geschichte von SPS Developpements International Union of Radio Science 2007
• Internationaler SunSat Designwettbewerb
• Eine Simulation des AM-Empfangs von einer Antenne, die zwei induktive Lasten versorgt und eine Batterie auflädt.

BBC One – Bang Goes the Theory, Serie 6, Episode 5, Sendeleistung ohne Kabel BBC/Lighthouse DEV Augensichere laserbasierte Power Beaming-Demo