Stromversorgung

Der Solarenergie gehört die Zukunft, denn sie ist sauber und praktisch unerschöpflich. Doch um sie wirklich effizient zu nutzen, muss man dorthin, wo sie herkommt: in den Weltraum. Ingenieure tüfteln bereits an Konzepten und Prototypen für Sonnenkraftwerke im All.

Wenn urplötzlich ein gewaltiger Energiestrahl auf einen Planeten trifft, verheißt das meist nichts Gutes. Im typischen Science-Fiction-Film ist der Himmelskörper umgehend Geschichte: explodiert, ausgelöscht, zerbröselt in Millionen kleine Trümmer. Im Fall der Erde könnte solch ein Strahl dagegen die Rettung bedeuten – die Rettung vor den Energieproblemen der Zukunft.

Möglich werden soll das durch riesige Solarzellen, die die Erde in großer Entfernung umkreisen. Hoch am Himmel, dort, wo niemals die Sonne untergeht, sammeln sie das Licht ein. Sie verwandeln es in Mikrowellen und beamen die Energie zur Erde. Dort fangen große Antennen den Strahl auf, erzeugen Strom und speisen diesen ins Netz ein. Sauber, sicher, jederzeit verfügbar. »Um in Zukunft die Energieversorgung zu garantieren, müssen wir dahin, wo die Ressourcen sind«, sagt James Logan, Manager bei der US-Raumfahrtbehörde Nasa. »Und die Ressourcen sind im Weltall.«

Lange Jahre wurde Logan für solche Sätze belächelt, wenn nicht sogar lautstark ausgelacht. Jetzt wendet sich das Blatt. Rund um den Globus arbeiten mehr als ein halbes Dutzend Firmen daran, die orbitale Sonnenenergie für die Menschheit nutzbar zu machen. Im Frühsommer 2009 ist sogar der erste konkrete Auftrag vergeben worden: Die Pacific Gas and Electric Company, Kaliforniens größter Stromanbieter, will ab 2016 Energie aus dem All in ihre Netze einspeisen. Das Start-up-Unternehmen SolarEn soll dazu ein Weltraumkraftwerk mit einer Kapazität von mindestens 200 Megawatt aufbauen – genug, um bis zu einer Viertelmillion Häuser in Kalifornien mit Strom zu versorgen.

Japan hat die All-Energie sogar zur Chefsache gemacht: Nach zehn Jahren Forschung soll die staatliche Raumfahrtagentur Jaxa nun mit dem Aufbau der nötigen Infrastruktur beginnen. Für umgerechnet 15 Milliarden Euro werden zunächst ein Prototyp und bis zum Jahr 2030 ein komplettes Kraftwerk im Orbit entstehen. Geplante Leistung: ein Gigawatt, so viel wie ein mittleres Atomkraftwerk.

»Unter allen alternativen Energieformen ist Strom aus dem All die sauberste und vielversprechendste, gleichzeitig aber auch die Furcht einflößendste und am häufigsten ignorierte Variante«, sagt Darel Preble, Vorsitzender des amerikanischen Space Solar Power Workshop. »Dabei ist die Idee an sich äußerst simpel.« Unbeeindruckt von der Erdatmosphäre strahlt die Sonne in 36 000 Kilometer Höhe deutlich intensiver. Jeder Quadratmeter Fläche nimmt eine Leistung von 1,4 Kilowatt auf – viel mehr als am Boden. Gleichzeitig wird es im Orbit niemals Nacht, keine Wolke verdeckt die Sonne, kein Staubkorn verschmutzt die Solarzellen. Die Folge: Eine Fotovoltaikanlage in der Umlaufbahn arbeitet fünf- bis zehnmal so effizient wie auf der Erde.

Und das ohne Unterbrechung: »Während Windräder oder irdische Solaranlagen nur 20 bis 30 Prozent des Tages Strom liefern, steht die Energie aus dem All ständig zur Verfügung«, sagt Preble. Damit ist sie wie gemacht für die Grundlast – jenen immens wichtigen Bereich der Stromversorgung, der derzeit Kohle- und Kernkraftwerken vorbehalten ist.

Energie aus dem Weltraum hat noch einen weiteren Vorteil. Ihre Empfangsantenne benötigt – verglichen mit einer gleich starken konventionellen Fotovoltaikanlage – nur ein Hundertstel der Fläche. Besonders Länder wie Japan, die heute schon unter Platzmangel leiden, haben daher großes Interesse an der Strom-Erzeugung im Orbit.

Die Idee hinter all dem ist indes nicht neu: Bereits 1968 präsentierte der amerikanische Raumfahrtingenieur Peter Glaser, damals in Diensten der Unternehmensberatung Arthur D. Little, die ersten Pläne für einen Solarstrom-Satelliten. In den Jahren darauf studierte die NASA das Konzept im Detail und verpasste ihm das Etikett: durchaus machbar, aber leider nicht zu finanzieren. Nach damaligen Vorstellungen hätten Hunderte Astronauten das riesige Sonnensegel montieren müssen, unzählige bemannte Raketenstarts wären nötig geworden. Die Kosten für das gesamte Unterfangen taxierten die Experten damals auf die unfassbare Summe von einer Billion Dollar.

Auch in den folgenden Jahrzehnten wurde das Konzept immer mal wieder ausgepackt und verworfen. Das änderte sich erst vor zwei Jahren, als das Pentagon eine erneute Studie in Auftrag gab. Luftwaffen-Oberst Michael Smith, der die Projektgruppe geleitet hat, kommt darin zu einem ermutigenden Ergebnis: »Sonnenenergie aus dem All lässt sich heute technisch so einfach umsetzen wie nie zuvor – und alles spricht dafür, dass es künftig noch leichter werden wird.«

Zumal sich auch die finanziellen Rahmenbedingungen geändert haben: Die Strompreise steigen, die Ölreserven gehen rapide zur Neige, gleichzeitig ist der Start von Raketen immer billiger geworden. Selbst ein derart ambitioniertes Projekt wie die Energie aus dem All rückt damit erstmals in Reichweite. Bis sie wirklich greifbar wird, müssen allerdings – auch daran lässt Smith keinen Zweifel – noch einige Herausforderungen bewältigt werden.

Die Stromerzeugung ist dabei das kleinste Problem: Seit mehr als 45 Jahren versorgen Sonnensegel Satelliten mit der nötigen Energie. Mittlerweile ist die Technik so weit fortgeschritten, dass die Solarzellen nur noch wenige tausendstel Millimeter dick sein müssen. »Auf der Erde ließen sich solch dünne Schichten zwar auch einsetzen, hier müssten sie aber mit dicken Gehäusen gegen Hagel, Sand, Regen oder Vogeldreck geschützt werden«, sagt Darel Preble. Im All entfällt das, der Materialbedarf sinkt um den Faktor hundert.

Auch die Energieübertragung mit Mikrowellen stellt die Forscher nicht mehr vor unlösbare Aufgaben, wie der ehemalige NASA-Physiker John Mankins im Mai 2008 gezeigt hat. Zwischen zwei hawaiianischen Inseln schickte Mankins erstmals einen gezielten Mikrowellenstrahl auf die Reise. Die elektromagnetischen Wellen mussten dabei 148 Kilometer zurücklegen – ein Wert, der der Dicke der Atmosphäre bei der Übertragung aus dem All entspricht. Dummerweise konnten die Empfänger auf Big Island nur einen Bruchteil der übertragenen Leistung wieder in Strom verwandeln, sie waren schlichtweg zu klein. »Gemäß den grundlegenden Formeln der drahtlosen Stromübertragung müssen die Dimensionen so groß wie möglich gewählt werden«, erklärt Preble.

Der Mikrowellensender in einem realen Weltraumkraftwerk soll daher einen Durchmesser von einem Kilometer haben. Die elliptische Empfangsantenne auf der Erde wird sogar bis zu drei Kilometer lang ausfallen. Dünne Drähte fangen in ihr den unsichtbaren, auch Wolken durchdringenden Energiestrahl ein; elektrische Bauteile wandeln die Strahlung auf direktem Weg in Spannung um. Da die Antenne lichtdurchlässig ist, könnte unter ihr Obst oder Gemüse angepflanzt werden.

Und ein solcher Energiestrahl soll sicher sein? »Mikrowellen wurden in den letzten 60 Jahren allgegenwärtig«, sagt NASA-Forscher Logan, der für das Schweizer Unternehmen Space Energy die Sicherheit der geplanten Systeme untersucht. »Satelliten, Funkmasten und Radargeräte senden ständig derartige Signale aus.« Der Strahl aus dem All habe nur eine Leistung von drei Prozent einer herkömmlichen Küchen-Mikrowelle. Selbst wer sich in sein Zentrum verirrte, würde allenfalls eine Wärmeentwicklung von etwa einem Sechstel der
Energie heißer Mittagssonne verspüren. Und sollte sich der Strahl doch einmal vom Ziel entfernen und die nächste Stadt ins Visier nehmen, werde er, versichert Logan, automatisch entschärft.

Die technischen Herausforderungen, da sind sich die Anhänger der orbitalen Stromversorgung sicher, werden sich meistern lassen. Ein Hindernis konnten die Raumfahrtmanager allerdings bis heute nicht aus dem Weg räumen: die immensen Kosten für den Transport von Fracht ins All. Bis zu 20 000 Euro müssen aktuell einkalkuliert werden, um ein Kilogramm Nutzlast in einen stationären Orbit zu bringen. Der Aufbau eines Sonnenkraftwerks, das mehrere tausend Tonnen auf die Waage bringt, wird da schnell zu einem finanziellen Kraftakt.

»Um die orbitale Sonnenenergie wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen, müssen die Startkosten mindestens um den Faktor zehn sinken«, sagt Darel Preble. Doch es gibt Hoffnung: In den USA macht sich gerade eine Reihe junger Firmen daran, den etablierten Raumfahrtkonzernen einzuheizen – mit einfach gebauten, vor allem aber günstigen Raketen. Sie setzen darauf, häufig zu starten und so die Preise zu drücken. Der boomende Weltraumtourismus könnte dabei helfen, aber auch die Energie aus dem All: Allein für den Aufbau eines ersten Kraftwerks würden bis zu 100 Raketen gebraucht. Ob das reicht, um die orbitale Stromversorgung wettbewerbsfähig zu machen? Abwarten.

Oder auf fremde Hilfe hoffen – zum Beispiel aus den Reihen des Militärs. Auch das könnte, so das Ergebnis des Pentagon-Berichts aus dem Jahr 2007, viele Vorteile aus einem kosmischen Energiestrahl ziehen. Nicht etwa, um Planeten zu zerstören, sondern um die eigenen Truppen in entfernten Regionen mit Strom zu versorgen. Bislang werden dazu Generatoren eingesetzt, die auf regelmäßige Diesel-Lieferungen angewiesen sind. »Wenn ein Teil dieses Treibstoffs durch Energie aus dem All ersetzt werden könnte, würde das die Kosten und den Bedarf an komplexen Versorgungswegen reduzieren«, folgert Oberst Smith in seinem Bericht. Angeblich arbeitet die Forschungsabteilung der Luftwaffe bereits an zwei Testsatelliten, die genau das demonstrieren sollen. Vielleicht ist das der erste Schritt zum Strom aus dem All.