Solarenergie ist zu einem Brennpunkt im Kampf gegen den Klimawandel geworden. Das Potenzial der Sonnenenergie ist enorm – die Erde erhält in einer Stunde so viel Sonnenenergie, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. Selbst wenn so viel Energie auf die Erde trifft, ist es nur ein winziger Bruchteil der Gesamtleistung der Sonne. Ein Teil dieser anderen Sonnenenergie trifft auf andere Planeten, aber das meiste geht einfach in die Leere des Weltraums verloren.
Es gibt eine Reihe von Gruppen, die verschiedene Technologien einsetzen, um einen Teil dieser verlorenen Energie einzufangen. Eine der am häufigsten verfolgten Technologien ist die Idee der Stromsatellit . Vor kurzem hat eine dieser Gruppen des America's Naval Research Laboratory (NRL) einen Meilenstein in der Entwicklung der Leistungssatellitentechnologie erreicht, indem sie ihren Testsatelliten für photovoltaische HF-Antennenmodule (PRAM) gestartet hat.
Die den Energiesatelliten zugrunde liegende Idee heißt „ Kraftstrahlen “. Power-Beaming-Systeme verwenden eine von drei verschiedenen Lichtfrequenzen, um erhebliche Energiemengen drahtlos über eine Entfernung zu übertragen. Im vergangenen Jahr hatte das NRL eine erfolgreiche Demonstration eines landgestützten Energiestrahlsystems mit einem Infrarotlaser.
NRLs erfolgreicher Test der Power Beaming-Technologie – Quelle: U.S. Naval Research Laboratory
Dies aus dem Weltraum zu bewerkstelligen stellt jedoch eine ganze Reihe neuer Herausforderungen dar, und nicht unbedingt nur technische. Dr. Paul Jaffe, der technische Leiter des PRAM-Projekts, beschrieb den Prozess der Auswahl für einen Orbitalstart als gleichwertig mit Haifischbecken – zahlreiche PIs pitchen ihre Ideen für eine Reise in den Orbit. Nach mehreren Jahren des Versuchs ist PRAM endlich an der Zeit, auf einem zu glänzen X-37B Start am 17. Mai.
PRAM wird jedoch nicht wirklich glänzen – seine Oberfläche ist mit schwarzen Sonnenkollektoren bedeckt und sein Inneres besteht aus der ersten Hardware, die jemals in die Umlaufbahn gebracht wurde und Sonnenenergie in . umwandelt Mikrowellen . Der Satellit selbst ist relativ klein (30 cm an der Seite) und sendet keine Energie zurück zur Erde. Stattdessen werden Daten gesammelt, die als nützliche Vergleichspunkte für ein Experiment mit einem ähnlichen System dienen, das zuvor auf der Erde durchgeführt wurde.
Es gab mehrere Metriken des erdbasierten Tests, die das PRAM-Team im Weltraum replizieren wollte. Die Effizienz der Umwandlung von Solar zu Mikrowelle war einer der wichtigsten Faktoren. Ohne einen ausreichend hohen Wirkungsgrad könnten zukünftige Markteinführungen für die Energiemenge, die das System erzeugt, unerschwinglich sein.
Video, das mögliche Verwendungen und Nachteile von Energiesatelliten beschreibt – Quelle: Isaac Arthur
Wärmemanagement ist eine weitere äußerst wichtige Messung, auf die sich das Team freut. Auf der Erde lassen sich aufwendige Kühlsysteme relativ einfach an eine Wärmequelle anschließen. Diese Methoden funktionieren jedoch im Weltraum nicht annähernd so gut, was zu Problemen mit dem Wärmemanagement für jede Leistungselektronik im Orbit führen kann. Das Team hofft, ähnliche Wärmemanagementzahlen wie auf der Erde von seinem Strahlungskühlsystem zu erreichen.
Sowohl der Wirkungsgrad als auch das Thermomanagement fließen in die Berechnung des wichtigsten Parameters von Energiesatellitensystemen ein – Leistungsdichte . Wenn die Leistung zu konzentriert ist, kann das System möglicherweise alles verbrennen, worauf es gerichtet ist. Ist sie zu niedrig, wird an der Basisstation nicht genügend Leistung empfangen, um zur Stromerzeugung nutzbar zu sein.
Das Design von Basisstationen ist auch ein Schlüsselfaktor für den langfristigen Erfolg von Energiesatellitentechnologien. Jeder Frequenzbereich würde einen anderen Basisstationstyp erfordern. PRAM verwendet Mikrowellen als Mittel zur Leistungsübertragung. Obwohl die meisten Leute Mikrowellen häufig als Methode zum Aufwärmen von Pizzaresten betrachten, sind die Signalfrequenzen für Bluetooth Low Energy und W-lan kann auch im Spektrum der Mikrowellen berücksichtigt werden.
Künstlerische Konzeption eines Solarstromsatelliten aus dem Jahr 1976 – Credit: NASA
Die Beleuchtungsstärke des Systems hat auch einen großen Einfluss auf die Ausgangsleistung und das Wärmemanagement. Dies ist ein Datenpunkt, den das Team auf der Erde nicht sammeln konnte, und sie freuen sich darauf, Daten zu erhalten, die die beste Beleuchtungszeit für zukünftige Missionen zeigen. In geosynchrone Umlaufbahn Ein Satellit kann sich zu 99% der Zeit im Sonnenlicht befinden. Es gibt jedoch einen Kompromiss zwischen der Zeit in der Sonne und dem Wärmemanagement. Der PRAM-Prototyp wurde in eine Orbitalkonfiguration gebracht, die es dem Team ermöglicht, Wirkungsgrade, Leistungsdichten und thermische Belastungen verschiedener Beleuchtungszeiten zu berechnen. Das Team wird dann diese Datenpunkte verwenden, um den optimalen Orbitalpfad für weitere Teststarts zu planen.
Das Endergebnis dieser weiteren Teststarts wäre ein kommerziell rentables Solarsatellitensystem, das bestimmte Orte auf der Erde mit geringen oder keinen zusätzlichen Kosten mit zusätzlicher Energie versorgt, sobald sich der Satellit im Orbit befindet. Es gibt bereits zahlreiche Firmen und Forschungseinrichtungen, die Versionen von Power-Beaming-Systemen entwickeln, die gespannt auf das Ergebnis des PRAM-Tests warten.
Dr. Jaffe stellt fest, dass der Weg zur Kommerzialisierung vollständig auf den Ressourcen basiert, die der Entwicklung eines kommerziell tragfähigen Satelliten zugewiesen werden. Die Zeit bis zu einem kommerziell rentablen Energiesatelliten könnte relativ kurz sein, wenn er mit erheblichen Finanzmitteln bereitgestellt wird. Andererseits könnte die Technologie in den Kinderschuhen sterben, wenn das Geld abgezogen wird. Die Entwicklung der Technologie steht noch am Anfang, und die Daten, die das PRAM sammelt, sind ein notwendiger Schritt im Derisking-Prozess, der erforderlich ist, damit Energiesatelliten kommerziell rentabel werden.
PRAM Technical Lead Dr. Paul Jaffe mit Power Beaming System – Credit: U.S. Naval Research Laboratory
Ein weiterer Schritt, der wirtschaftlich tragfähig sein muss, ist die öffentliche Akzeptanz. Wenn die meisten Leute die Ideen von Energiesatelliten erwähnen, wenden sich ihre unmittelbaren Gedanken zu Ikarus , die fiktive Sonnenwaffe im James-Bond-Film Stirb an einem anderen Tag . In diesem Film schmilzt der Satellit ein Eishotel und zeigt sein Potenzial, viel größere Teile der Welt zu zerstören.
Dr. Jaffe weist schnell auf die Unterschiede zwischen PRAM und Icarus hin. Ikarus ist das, was als „ gerichtete Energieplattform “, an dem auch die Navy arbeitet, verwendet jedoch eine andere Physik als das Power-Beaming-System, das PRAM darstellt. Er erwähnt auch, dass es außergewöhnlich schwierig wäre, ein Power-Beaming-System in eine Waffe zu verwandeln: „Wenn Sie eine Lupe vor Ihren WLAN-Router stellen, beginnt nichts zu schmelzen.“
Was auch immer Wissenschaftler sagen, kann nicht alle öffentlichen Ängste vor einem solchen System zerstreuen, aber die Vorteile der Fähigkeit, Energie dorthin zu strahlen, wo sie benötigt wird, birgt ein so großes positives Potenzial, dass diese Befürchtungen möglicherweise überwogen werden. Es muss noch viel mehr getan werden, bevor Unternehmen in Riesen investieren Rectenna landwirtschaftlichen Betrieben, um diese sonst verschwendete Energie zu sammeln. Aber in den nächsten Monaten hofft NRL, mit PRAM einige Daten zu sammeln, die kommerzielle Power-Beaming-Systeme der Realität ein paar Schritte näher bringen.
Erfahren Sie mehr:
