Denken Sie darüber nach, was Sie über saubere Energiequellen wissen. Was ist das grünste?
Wasserkraft, Geothermie, Wind und Sonne werden uns wahrscheinlich in den Sinn kommen. Auch wenn sie umweltfreundlich sind, haben sie alle erhebliche Grenzen, wie viel Energie sie produzieren und wo sie eingesetzt werden können. Trotz einiger wirklich cooler Fortschritte in der Solarbranche können Sonnenkollektoren immer noch nur Energie erzeugen, während die Sonne scheint.
Die Lösung liegt also auf der Hand. Geh dahin, wo die Sonne niemals untergeht: in den Weltraum.
Das ist die Vision von Wissenschaftlern, Forschern und Unternehmern sowohl hier in den USA als auch in Japan, China und Europa. Obwohl das Konzept mindestens seit den 1970er-Jahren in Streit geraten ist, wurde es wiederholt überarbeitet und aufgegeben, da es unglaublich teuer war, alle Teile dort hinaufzubekommen und die Leute, um alles zusammenzubauen. Erst mit dem Aufkommen von superkleinen, massenproduzierten Satelliten und wiederverwendbaren Booster-Raketen wird die Verwirklichung des Weltraums Solar zunehmend schwieriger.
Es gibt Dutzende von Ideen für den Bau eines weltraumgestützten Solarsammelsystems, aber das Grundprinzip sieht ungefähr so aus: Mehrere hundert oder tausend Module mit identischer Größe werden in einer geosynchronen Umlaufbahn gestartet und robotergesteuert zusammengebaut. Ein Teil besteht aus Spiegeln, die das Sonnenlicht reflektieren und auf Sonnenkollektoren konzentrieren, die die Energie in Elektrizität umwandeln. Konverter wandeln diesen Strom in Mikrowellen mit geringer Intensität um, die auf große, kreisförmige Empfänger am Boden gestrahlt werden. Diese Antennen wandeln die Mikrowellen wieder in Strom um, der in das vorhandene Netz eingespeist werden kann.
John Mankins, der 25 Jahre bei der NASA und im Jet Propulsion Laboratory von Caltech tätig war, erhielt 2011 eine Förderung vom Institute of Advanced Concepts der NASA, um sein Weltraum-Solarkraftwerkskonzept genauer zu verfeinern. Die Technologie und Technik, die zur Verwirklichung des Weltraums Solar erforderlich sind, gibt es bereits, betont er, aber wie bei jeder teuren neuen Idee kommt es auf Greenbacks und Kaugummi an.
"Es ist nicht wie eine Fusion - es ist keine neue Physik involviert", sagt Mankins und verweist auf ITER, die 35-Nationen-Kollaboration zum Bau eines Fusionsreaktors in Frankreich. „Es gibt keine geheime Sauce. Es ist eine finanzielle Hürde, Mittel für die Entwicklung der Elemente und die Demonstration der dafür erforderlichen neuen Architektur zu erhalten. “
Mankins und andere schätzen die Gesamtkosten für die Entwicklung, den Bau, den Start und die Montage aller Komponenten eines weltraumgestützten Solarkraftwerks auf 4 bis 5 Milliarden US-Dollar - ein Bruchteil des 28-Milliarden-Dollar-Preises für den Drei-Schluchten-Damm in China. Mankins schätzt, dass ein funktionsfähiges Modell mit Komponenten in voller Größe für 100 Millionen US-Dollar zur Verfügung stehen könnte. Zum Vergleich: Der Bau des kürzlich fertiggestellten Atomkraftwerks Watts Bar der Tennessee Valley Authority dauerte 43 Jahre, von Anfang bis Ende, und kostete insgesamt 4, 7 Milliarden US-Dollar.
Entscheidend ist, dass das, was die Verbraucher zahlen würden - der Preis pro Kilowattstunde - im selben Bereich liegen muss wie die konventionellen Energiequellen, die mit Kohle, Erdgas und Kernkraft hergestellt werden. Der Preis liegt zwischen 3 und 12 Cent pro Kilowattstunde. Wasserkraft kann mit weniger als einem Cent pro Kilowattstunde erstaunlich günstig sein - aber nur, wenn Sie das Glück haben, in einer Region mit zahlreichen Flüssen mit hohem Durchfluss zu leben, wie in Teilen von Kanada und Wisconsin. Geothermie ist auch sehr sparsam: Sie checken bei 3 Cent pro Kilowattstunde ein, aber Sie müssen die Isländer fragen, wie sie ihre Stromrechnungen mögen. Und die Befürworter des Windes haben im vergangenen Jahr die Nachricht verbreitet, dass die Kosten für diesen nachwachsenden Rohstoff auf 2, 5 Cent pro Kilowattstunde gesunken sind.
Laut Gary Spirnak, CEO des kalifornischen Energiekonzerns Solaren, ist es unerlässlich, die Kosten auf einen niedrigen zweistelligen oder sogar einstelligen Cent pro Kilowattstunde zu bringen, um Space Solar zu einem wettbewerbsfähigen Energieversorger zu machen.
Das Unternehmen von Spirnak ist als Solarenergieanbieter in Kalifornien zugelassen und hatte in der Vergangenheit Vereinbarungen mit Pacific Gas and Electric getroffen. Sein Geschäftsmodell basiert jedoch vollständig auf der Erzeugung von Strom aus weltraumgeernteten Solarenergiequellen. Solaren ist dabei, neue Vereinbarungen mit einem oder mehreren Versorgungsunternehmen auszuhandeln. Das Unternehmen verfügt hier in den USA über Patente für sein Design sowie in Europa, Russland, China, Japan und Kanada und hat sich eine erste Finanzierungsrunde für eine laborbasierte Demonstration seiner Komponententechnologien im nächsten Jahr gesichert. Spirnak hofft, die Investoren davon zu überzeugen, eine 250-Megawatt-Pilotanlage bis zum Ende der Entwicklungs- und Testphase, möglicherweise innerhalb von fünf Jahren, zu unterstützen.
Damit Space Solar funktioniert, sind zwei Trapezstrukturen erforderlich. Erstens Festkörper-Leistungsverstärker, die Strom aus gesammeltem Sonnenlicht effizient in Hochfrequenzwellen umwandeln, und Empfänger am Boden, die die HF-Wellen wieder in Strom umwandeln.
Paul Jaffe hält das rekordverdächtige, patentierte Space Solar "Step" -Umwandlungsmodul des Naval Research Laboratory vor einer thermischen Vakuumprüfkammer. (Paul Jaffe) 
Space Solar-Prototyp: Dieses Sonnenlicht-Mikrowellen-Umwandlungsmodul für Space Solar wurde als erstes unter weltraumähnlichen Bedingungen getestet. Mit Hilfe der Weltraumrobotik würden Tausende zusammengesetzt, um den Sender eines Weltraumsolarsatelliten zu erzeugen. (Paul Jaffe) 
Die Prototypen der NRL-Weltraum-Solarkonvertierungsmodule wurden in dieser Testanlage für thermisches Vakuum und simulierte Solarbeleuchtung getestet. (Paul Jaffe) Paul Jaffe, Ingenieur am Naval Research Laboratory in Washington, DC, arbeitete an zwei Prototypen des Sammlungsmoduls, das er als „Sandwich“ bezeichnet, da Sonnenkollektor, Stromrichter und HF-Strahler zu einem Fuß zusammengeschlagen sind -Quadrat Fliese zwei Zoll dick. Das Gewicht jedes einzelnen Moduls bestimmt letztendlich die Preisgestaltung für den dezentralen Strom am Boden; In Watt pro gestartetem Kilogramm gab Jaffe an, dass das grundlegende Fliesendesign bei etwa 6 Watt pro Kilogramm lag.
Unter Berücksichtigung dieser Leistung, einer 20-jährigen Lebensdauer des Solarkraftwerks, Einführungskosten von 2.500 US-Dollar pro Kilo und unterschiedlicher Kosten für die Komponenten selbst berechnet Jaffe, dass, wenn die Masse sinkt und die Leistung auf 500 Watt pro Kilo steigt, diese Kosten steigen Das entspricht einem Preis von 3 Cent pro Kilowattstunde.
„Selbst wenn wir wirklich einfache Dinge tun, um die Masse zu reduzieren, erreichen wir einen Bereich von 100 Watt pro Kilogramm, und 1.000 Watt pro Kilogramm sind nicht verrückt“, sagt er. "Mit der aktuellen Solartechnologie, die bereits im Handel erhältlich ist, erzielt man sehr gute Wirkungsgrade. Wir haben diese sehr effizienten, leichten HF-Wandler jeden Tag in der Tasche."
HF-Wandler sind genau der Grund, warum Mobiltelefone funktionieren - Telefone sind im Grunde genommen Walkie-Talkies, deren Signale von einem Netzwerk von Signalweiterleitungsstationen unterstützt werden. Die Konverter im Telefon wandeln Funkwellen in Daten um, die wir verstehen - Audio - und umgekehrt. Diese Technologie ist von zentraler Bedeutung für die Erforschung des Weltraumsolar bei Caltech in Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren dort und Northrop Grumman.
Laut Spirnak war der Hauptschwerpunkt von Solarens Arbeit in den letzten Monaten genau das - die Reduzierung des Gewichts ihrer Module. Obwohl wiederverwendbare Raketen die Gesamtproduktionskosten noch weiter senken würden, hält Spirnak kurzfristig nicht den Atem an; Er will konventionelle Schwerlastfahrzeuge einsetzen, um Solarens Komponenten ins All zu befördern.
"Wir haben viel Zeit damit verbracht, das System rücksichtslos zu entlasten", sagt Spirnak. "Wir können einzelne große Elemente in einzelne Trägerraketen verpacken, mit einigen interessanten Origami-Talenten", obwohl für die Lieferung des gesamten Systems in den Weltraum immer noch mehrere superschwere Trägerraketen erforderlich sind.
Laut Jaffe ist die häufigste Frage, die er im Zusammenhang mit Weltraumsolar stellt, nicht, ob dies möglich oder sinnvoll ist, sondern wie gefährlich dieser Energiestrahl aus dem Weltraum ist. Braten Vögel und Flugzeuge nicht blitzschnell am Himmel, wenn sie durch den Strahl fliegen?
„Wenn Sie 15 Minuten an einem sonnigen Nachmittag draußen sitzen, werden Sie nicht verbrannt“, erklärt er. „Unsere Radios, Fernseher und Handys kochen uns nicht, und alle haben die gleichen Frequenzen wie die vorgeschlagenen. Es gibt bereits Sicherheitsgrenzen [für Mikrowellenübertragungen], die vom IEEE [Institut für Elektrotechnik und Elektronik] festgelegt wurden. Daher entwerfen Sie ein System, das sicherstellt, dass die Leistung über einen großen Bereich verteilt wird. Es wird nicht versehentlich zu einem Todesstrahl. “
Um die besten Kosten-Gewichts-Verhältnisse, Skaleneffizienzen und eine vergleichbare Stromerzeugungskapazität eines durchschnittlichen Kernkraftwerks (1 bis 2 Gigawatt) zu erzielen, müsste jede Sonnenkollektionsanordnung im Weltraum einen Durchmesser von ungefähr einem Kilometer haben.
Die Sammelempfänger am Boden müssten dementsprechend groß sein - damit eine weltraumgestützte Solaranlage etwa ein Gigawatt Energie erzeugt, strahlt ein Sonnenkollektor von einem Kilometer Länge Energie auf einen 3, 5 Kilometer breiten Kilometer ) Empfänger am Boden. Das würde eine Fläche von rund 900 Hektar erfordern. Vergleichen Sie das mit der Solar Star-Solarmodulanlage in Kalifornien, dem derzeit größten US-amerikanischen Solarversorgungsunternehmen, das 3.200 Hektar Fläche einnimmt.
Hochfrequente Energieübertragung hat einen entscheidenden Nachteil: Die „sicheren“ Wellenlängen, die auch von etwas so Einfachem wie Regen nicht gebrochen werden, sind bereits überfüllt und werden durch regelmäßige Funkübertragungen sowie militärische, industrielle und satellitengestützte Nutzung verstopft.
Kritiker der Weltraumsonne, darunter Teslas Elon Musk, sagen, dass Effizienzsteigerungen in wirtschaftlichem Maßstab aufgrund all der Umwandlung und Rückumwandlung der erforderlichen Energie einfach nicht erreicht werden können.
Jaffe ist jedoch zuversichtlich, dass der alte Knall gegen die Fusion nicht auch für das Weltraumsolar gelten wird: „Es ist seit 60 Jahren 10 Jahre entfernt“, lacht er.
Mankins betont, dass die Weltbevölkerung bis zum Ende des Jahrhunderts voraussichtlich auf 11, 3 Milliarden explodieren wird, wobei fast alles in den Entwicklungsländern vertreten sein wird. Weltraumsolar verdient ernsthafte Investitionen von öffentlichen Einrichtungen sowie von privaten Partnern. Er sagt, dass reichlich saubere Energie notwendig ist, um die Grundbedürfnisse des Menschen zu befriedigen und die versicherte Umweltzerstörung zu bekämpfen, wenn all diese Energie aus konventionellen Quellen stammt.
„Wenn sich der Energiemix nicht radikal ändert, können wir auf keinen Fall klimaneutral werden“, sagt Mankins. „Man kann in China auch 800 Millionen Menschen nicht sagen, dass sie in bitterer Armut bleiben müssen. Es muss nicht nur der heutige Kohlenstoffverbrauch ausgeglichen werden, sondern es muss auch ein Ausblick auf 70 Jahre gegeben werden, und wie wir den dreifachen heutigen Verbrauch ausgleichen können. Wir brauchen wirklich große Lösungen. “
