Die Energie der Sonne einzufangen – ein alter Traum der Menschheit.
Vielleicht aber wird dieser Traum schon morgen oder übermorgen Realität. EADS Astrium Space Transportation jedenfalls hat die Herausforderung angenommen: In spätestens 50 Jahren sollen Kraftwerke im Orbit Energie verfügbar machen.
Auf den ersten Blick gleicht das Ding, das sich in dem grünlichen Licht in der Mitte einer riesigen Halle von EADS Astrium Space Transportation in Bremen abzeichnet, einem kleinen funkgesteuerten Spielzeugauto. Dabei könnte dieses unscheinbare, grüngelbe Fahrzeug mit seinen rund 20 Zentimetern Länge und der großen silbernen Krone Vorbote einer Revolution sein. Es wurde auf Initiative von EADS Astrium Space Transportation gemeinsam mit FiveCo, einem Start-Up-Unternehmen von fünf jungen Ingenieuren aus der Schweiz entwickelt. Die Energie, durch die sich das Gerät mit Leichtigkeit um 2,6 Zentimeter pro Sekunde fortbewegt, stammt nicht etwa von einer Batterie, sondern von einem mehr als 250 Meter entfernten Laser. In der Mitte der Krone wandeln Fotovoltaikzellen den starken Laserstrahl in elektrischen Strom um, der dann die Mikromotoren antreibt – und zudem eine Miniaturkamera versorgt.
Energiequelle für den Laser könnte zukünftig nämlich nicht nur das deutsche Stromnetz sein, sondern sogar die Sonne selbst. Mit der im September 2003 vorgestellten, von der ESA unterstützten und von der Stadt Bremen finanzierten Solar Power Initiative (SPI) will EADS Astrium Space Transportation zeigen, dass die Sonne als gigantisches Kraftwerk genutzt werden könnte – mit ausreichend Energie für mehrere Jahrtausende.
Die Idee an sich ist einfach. Es geht darum, einen Generator in eine geostationäre Umlaufbahn zu bringen, der die Sonnenenergie sammelt und in konzentrierter Form zur Erde sendet, wo sie mit ‘Feldern’ von Fotovoltaikzellen aufgefangen wird. Für den Energietransfer zur Erde sind zwei – natürlich drahtlose – Technologien denkbar: die von japanischen Forschern favorisierten Mikrowellen und der von der EADS bevorzugte Laser. „Wir bauen aus mehreren Gründen auf den Laser“, so Frank Steinsiek, der Leiter des SPI-Projekts: „Die dafür notwendigen Strukturen im Weltraum sind fünfzig mal kleiner, der Laserstrahl ermöglicht eine bessere Bündelung der Energie und vermeidet eine seitliche Streuung auf die sehr lange Entfernung. Elektronische Kommunikations- oder Navigationssysteme in der Nähe werden somit auch nicht beeinträchtigt. Außerdem bewertet man die Auswirkungen einer ständigen Emission von Mikrowellen auf die Atmosphäre auch nicht unkritisch.“
Bleibt das Problem, den Laserstrahl auf sein Ziel zu richten. Zwei Jahre lang arbeitete EADS Astrium Space Transportation in Zusammenarbeit mit der Universität Kaiserslautern an einer Lösung. Das Ergebnis ist eine Technik, bei der der Laserstrahl selbst neben der Energie Informationen zur Positionserkennung übermittelt – ähnlich wie bei Trägerfrequenzen von Radiowellen. Entsprechend ist der Empfänger mit Sensoren ausgestattet, die ständig seine Position zum Sender ermitteln, so dass sich das Panel mit den Fotovoltaikzellen immer in einem 90°-Winkel zum Laser befindet. Für genau diese Positionierung sorgt die Krone auf dem kleinen Fahrzeug in Bremen.
Bevor die Sonnenenergie gezähmt werden kann, müssen aber noch technische Hindernisse überwunden werden. Auch nach Ansicht von Hans-Jörg Heidmann, bei EADS Astrium Space Transportation für Zukunftsprojekte zuständig, werden wohl gut 50 Jahre vergehen, bis in 36 000 Kilometern Höhe über uns Kraftwerke mit einer Leistung von einem Gigawatt ihre Arbeit aufnehmen können.
Bis dahin muss die Leistung der Laser noch deutlich verbessert und von fünf Watt bei dem Bremer Experiment auf mehrere Kilowatt und schließlich in den Megawattbereich gebracht werden. Zudem muss das Material für einen Transport ins All geeignet sein. 2012 könnte erstmals Energie per Laser aus dem Weltraum auf die Erde übertragen werden, vom europäischen Columbus-Modul der Internationalen Raumstation ISS. Diese Technologie-Demonstration soll die technischen Grundprinzipien zeigen: die hochgenaue Laserausrichtung auf die Energieempfangsanlage am Boden und die Weltraumtauglichkeit des Lasers. Zusätzlich zur Energieübertragung ist ebenfalls die Übermittlung von Informationen möglich, wie Experimentdaten zur Bodenstation.
Neben der noch zu steigernden Laserleistung gilt es, den negativen Einfluss von Wolken in den Griff zu bekommen. Ein Laserstrahl verträgt sich schlecht mit einer dunstigen Umgebung. Relaisstationen in der oberen Atmosphäre (auf rund 25 km Höhe) könnten Abhilfe schaffen: Sie könnten den Strahl auffangen und dessen Energie entweder über (von Wolken nicht beeinflusste) Mikrowellen zur Erde weiterleiten – oder ganz einfach per Kabel! Um solchen Schwierigkeiten zu entgehen, wäre es aber auch denkbar, die Empfangsstationen in meteorologisch begünstigten Gegenden der Erde einzurichten – beispielsweise in Südeuropa oder Nordafrika. Die Fotovoltaikzellen der Rezeptoren müssen für Laserstrahlen übrigens sehr viel empfindlicher sein als für normales Sonnenlicht, um den Wirkungsgrad der gesamten Energieübertragungskette auf 40 Prozent bringen zu können – vergleichbar mit dem der Kernenergie. Erst dann sind wettbewerbsfähige Produktionskosten von fünf Cent pro Kilowattstunde möglich.
Die Technik des Orbitalgenerators muss zum großen Teil noch entwickelt werden. Das gilt vor allem für die Energieaufnahme. Eine Einheit zur Produktion von zehn Gigawatt müsste über einen Reflektor mit einem Durchmesser von zehn Kilometern verfügen. Der damit verbundene Umwandler müsste die Lichtenergie bündeln und gleichzeitig die thermische Energie eliminieren – schließlich soll ja nur die Lichtenergie der Sonne genutzt werden, nicht ihre Wärme. Ein komplexes System von Radiatoren müsste also für die Ableitung der Wärme sorgen.
Doch das ist nicht alles: Auch der Transport der Ausrüstung ins All müsste kostengünstiger werden. Nach derzeitigem Stand wiegt ein Laser mit 400 kW zwölf Tonnen. Selbst wenn die Zahlen nicht direkt proportional sein müssen, würde eine Hochrechnung auf zehn Gigawatt Schwindel erregende Zahlen ergeben. Gleiches gilt für die Überlegung, Reflektoren mit einer Fläche von 78,5 Quadratkilometern auf eine Höhe von 36 000 km zu bringen – auch wenn die Forscher an Materialien arbeiten, die für den Transport in einer Trägerrakete gefaltet werden können. Die Errichtung einer Produktionskapazität von 500 Gigawatt (mit rund 50 Orbitaleinheiten) würde Hunderte von Starts bedeuten – zu den derzeitigen Preisen unerschwinglich. Damit könnten Studien für neue und wieder verwendbare Transportsysteme wie das FLPP (Future Launcher Preparatory Program) der ESA bei der Übertragung von Sonnenenergie auf die Erde eine wichtige Rolle spielen.
Einstweilen aber dreht das kleine Fahrzeug im hinteren Ende des Bremer Hangars weiter seine Runden – unbeeindruckt von den Hoffnungen, die es bei Ingenieuren und Wissenschaftlern geweckt hat.
Ein mögliches Energieerzeugungsszenario könnte auf der kombinierten Nutzung von natürlicher Sonnenenergie auf der Erde und Laserenergie aus dem Orbit basieren. Ausgehend von einer bestehenden Solarzellen-Anlage mit einer bestehenden Kapazität sind theoretisch zwei alternative Wege zur Kapazitätssteigerung denkbar:
Zum einen könnte man die Solarzellenfläche vergrößern, was aus Technik- und Witterungsgründen nicht ganz unproblematisch ist. Zum anderen könnte man die bestehende Fläche beibehalten und dieselben Zellen neben der natürlichen Sonneneinstrahlung mit Laserenergie aus dem Weltraum versorgen.
Eine Steigerung der Energiekapazität würde durch eine sequenzielle Inbetriebnahme von zusätzlichen orbitalen Energieplattformen erreicht. Aufgrund eines erhöhten Wirkungsgrades bei der Umsetzung von Laserenergie in Elektrizität würden sich bei einem Einsatz im größeren Maßstab wirtschaftliche Vorteile ergeben. Für Menschen und Tiere ist der breit aufgefächerte Laserstrahl aus dem All ungefährlich.
