Space-Based Solar Power SBSP

Northrop Grumman arbeitet intern an einem Prototypen fuer Space-Based Solar Power. In einem Bodentest konnte jetzt die grundlegende Technologie verifiziert werden. Nun wird ein Satellit gebaut, welcher auf der EPSAStar Plattform beruht. Dieser soll dann 2025 starten und dann die erzeugte Energie direkt in Radiowellen umwandeln, welche dann zur Erde uebertragen werden.

Quelle: https://spacenews.com/northrop-grumman-tests-space-solar-power/

Bei der ESA ist "nach der Studie ist vor der Studie". Die ESA beauftragt Arthur D Little und Thales Alenia Space Italy mit zwei Studien, um 2025 evtl. eine Entscheidung zu treffen.

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/SOLARIS/ESA_developing_Space-Based_Solar_Power_plant_plans

Caltech hat im Januar 2023 auf Transporter-6 den Technologie-Demonstrator "Space Solar Power Demonstrator" gestartet, der mit Sonnenzellen eingfangene Energie per Mikrowellen (~10 GHz) zum Erdboden übertragen soll. Die Mission wurde durch eine Spende von 100 Mio US$ eines amerikanischen Philantropen ermöglicht:

https://www.tagesschau.de/wissen/technologie/sonnenenergie-aus-dem-all-100.html



Ich bin auf die Ergebnisse gespannt.

Caltech hat im Januar 2023 auf Transporter-6 den Technologie-Demonstrator "Space Solar Power Demonstrator" gestartet, der mit Sonnenzellen eingfangene Energie per Mikrowellen (~10 GHz) zum Erdboden übertragen soll.

Will ja nicht alles schlechtreden, die Idee ist ja auch schon älter. Aber hier gibt es sicher noch viele Probleme zu lösen: z.B. lokale Erwärmung der Atmosphäre, was ist mit Flugzeugen, die da hindurch fliegen?

Die positive Nachricht hier ist, dass man jetzt erstmals reale Hardware im Orbit hat und sehen kann, was funktioniert (und was nicht), und nicht mehr nur hübsche Papierprojekte und PowerPoint-Präsentationen.

Ich erwarte dass es funktioniert, da habe ich wenig Zweifel. Aber ob man es ökonomisch und praktikabel bekommt? Für eine Energieversorgung auf der Erde kann ich mir das kaum vorstellen. Wäre aber durchaus ein sehr interessantes Konzept für wenig von der Sonne beschienene Mondregionen (Polgebiete), z.B. um dort Stationen zu betreiben.

UK investiert 4,3 Mio Pfund in Technologien von Universitäten und Firmen, darunter knapp 1 Mio. für die Queen Mary University, die sich mit der Energieübertragung befassen will.

https://www.gov.uk/government/news/uk-shoots-for-the-stars-as-space-based-solar-power-prepares-for-lift-off

Die ESA lädt Forscher ein, die Auswirkungen einer evtl. Energieübertragung auf die Erde näher zu untersuchen.

Die physikalische Machbarkeit sei gegeben, es ging darum Verbesserungen zu erreichen, die es wirtschaftlich machen.

Untersucht werden soll auch:
- evtl. Risiken auf menschliche Gesundheit
- evtl. Risiken auf Flora und Fauna
- evtl. Einflüsse auf Atmosphere und Wetter
- evtl. Einflüsse auf Luftfahrt und Bodeninfrastrukturen
- evtl. Einflüsse auf Umwelt- und Klimakosten von Systemaufbau und -Betrieb.

https://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_the_Future/Discovery_and_Preparation/Help_ESA_research_key_space-based_solar_power_challenges

Die ESA kann sich vorstellen, dass ein weltraumgestütztes Solarkraftwerk auch den Mond mit Energie versorgt.

Die Solarzellen sollen auf dem Mond produziert werden und die Station im Lagrange Punkt zwischen Erde und Mond errichtet werden, was dann eine Energieübertragung über 61000 km erfordert.

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2023/07/Lunar_solar_power_satellite

NASA hat jetzt einen Bericht zu SBSP veröffentlicht, der zu dem Schluss kommt, das diese Konzepte auf absehbare Zeit wohl nicht wirtschaftlich sinnvoll betrieben werden können: die Kosten für die Erzeugung würden wohl (je nach Konzept) zwischen 0,61 und 1,59 US$ pro kWh liegen, verglichen mit 0,02 und 0,05 US$ pro kWh für irdische erneuerbare Stromerzeugung (Wind, Wasserkraft, Solarpanele). Die Investitionskosten bei SBSP liegen um den Faktor 12 bis 80 über denen für vergleichbare Anlagen auf der Erdoberfläche:

https://spacenews.com/nasa-report-offers-pessimistic-take-on-space-based-solar-power/

In Sondersituationen (Mondnacht, Polarnacht auf der Erde) könnten die höheren Gestehungskosten akzeptabel sein.

Zu diesen Sondersituationen zählen in China, wo man sehr ernsthaft an weltraumgestützten Solarkraftwerken arbeitet, außerdem noch die Stromversorgung von Drohnen, die damit jahrelang in der Luft gehalten werden können, von Militärstützpunkten auf abgelegenen Inseln im Pazifik, die dadurch unabhängig von Diesellieferungen per Schiff werden ("Volksbefreiungsarmee - wir töten klimaneutral") sowie von Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen. Für letztere Zwecke arbeitet man mittlerweile auch an der zwischenzeitlich aus der Mode gekommenen Energieübertragung per Laser. Der wird im Weltall nicht durch Wolken behindert und dient außerdem der Eigensicherung der großen Solarkraftwerke, die als Fliegenfänger für alle Arten von Weltraumschrott dienen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Qian-Xuesen-Labor_f%C3%BCr_Weltraumtechnologie#Orbitales_Sonnenkraftwerk

Am 17.-19.4 gibt es in London eine Konferenz für Solar Energie aus dem Weltraum.

https://www.aerosociety.com/media/23363/programme-v6-energy-from-space-17-19-april-2024.pdf

NASA hat jetzt einen Bericht zu SBSP veröffentlicht, der zu dem Schluss kommt, das diese Konzepte auf absehbare Zeit wohl nicht wirtschaftlich sinnvoll betrieben werden können: die Kosten für die Erzeugung würden wohl (je nach Konzept) zwischen 0,61 und 1,59 US$ pro kWh liegen, verglichen mit 0,02 und 0,05 US$ pro kWh für irdische erneuerbare Stromerzeugung (Wind, Wasserkraft, Solarpanele). Die Investitionskosten bei SBSP liegen um den Faktor 12 bis 80 über denen für vergleichbare Anlagen auf der Erdoberfläche:

https://spacenews.com/nasa-report-offers-pessimistic-take-on-space-based-solar-power/

In Sondersituationen (Mondnacht, Polarnacht auf der Erde) könnten die höheren Gestehungskosten akzeptabel sein.

Durch den in Kürze möglichen Transport auf kostengünstigen Megaraketen verspricht sich z.B. Space Solar durchaus einen finanziellen Erfolg.
So könnte z.B. der von ihnen für um 2030 geplante erste Powersatellit von 30 Megawatt Leistung und 400 m Spannweite mit einem einzigen Starship transportiert werden.

https://spacenews.com/space-based-solar-power-startups-are-banking-on-starships-

Die Firma Overview Energy entwickelt ein System von großen photovoltaischen Sonnenzellenarrays, die vom Orbit aus per Infrarotlaser die gewonnene Energie an Photovoltaikanlagen auf der Erdoberfläche übertagen sollen zu Zeiten, in denen dort nicht ausreichend natürliche Einstrahlung zur Verfügung steht (zB nachts). Damit wäre auch auf der Erde eine quasikontinuierliche solare Energieversorgung möglich, wie sie für die geplanten AI-Rechenzentren wichtig wäre:

https://spacenews.com/overview-energy-to-provide-space-based-solar-power-for-meta-data-centers/

"Overview plans an in-space demo of its technology in 2028, with commercial service to begin as soon as 2030."
(Overview plant für 2028 eine Demonstration seiner Technologie im Weltraum; der kommerzielle Betrieb soll bereits 2030 anlaufen.)

Die Firma Overview Energy entwickelt ein System von großen photovoltaischen Sonnenzellenarrays, die vom Orbit aus per Infrarotlaser die gewonnene Energie an Photovoltaikanlagen auf der Erdoberfläche übertagen sollen zu Zeiten, in denen dort nicht ausreichend natürliche Einstrahlung zur Verfügung steht (zB nachts). Damit wäre auch auf der Erde eine quasikontinuierliche solare Energieversorgung möglich, wie sie für die geplanten AI-Rechenzentren wichtig wäre:

https://spacenews.com/overview-energy-to-provide-space-based-solar-power-for-meta-data-centers/

"Overview plans an in-space demo of its technology in 2028, with commercial service to begin as soon as 2030."
(Overview plant für 2028 eine Demonstration seiner Technologie im Weltraum; der kommerzielle Betrieb soll bereits 2030 anlaufen.)

Nachts:
1.) Ist der Satellit im LEO, dann ist er nachts entweder im Erdschatten oder er ist im sonnensynchronen Orbit ueber einem anderen Kontinent und kann somit nichts via Infrarot heruntersenden (in der Sahara, am Pol oder ueber der Mongolei sind keine Solarzellen, um den Infrarotstrahl abzunehmen).
2.) Ist der Satellit im GEO, besteht weiterhin das Problem mit dem Erdschatten.
3.) Ist der Satellit im Langrange-Punkt, dann ist wieder das selbe Problem wie im sonnensynchronen Orbit.

Loesung: Ein solares Rechenzentrum der EU in Kourou: Aequator ===> 12 Monate Sommer. Nachts die 12 Stunden kann Energie via Battarie gepuffert werden.

Die Satelliten sollen in den GEO. Abschattungen durch die Erde gibt es zwar, aber nicht immer und auch nur kurzzeitig, so dass das keine grosse Rolle spielt.

Im GEO hat man etwa 95% der Zeit volle Sonne, nur 5% nicht. Mit einem zweiten "Sonnenfänger", der mindestens 17,5 Grad versetzt fliegt, könnte man diese Lücke schliessen.

Im GEO hat man etwa 95% der Zeit volle Sonne, nur 5% nicht. Mit einem zweiten "Sonnenfänger", der mindestens 17,5 Grad versetzt fliegt, könnte man diese Lücke schliessen.

Ich dachte nicht, dass die Loesung so einfach und perfekt waere. 

Leicht idealisiert *:
die Erde (Durchmeser 12 750 km) wirft auf die GEO-Bahn (35 785 km über der Erdoberfläche) einen Schatten, der auf der GEO-Bahn einem Abschnitt von 17,4 Grad (von 360 Grad) entspricht. Das ergibt die ~5%. Wenn also >17,5 Grad hinter dem ersten ein zweiter Photovoltaik-Sammler fliegt, kann dieser den Verbraucher auf der Erdoberfläche versorgen, bis der erste wieder aus der Schattenzone auftaucht.



*: gilt so nur für die Äquinoktien; wegen der Neigung der Erdachse relativ zur Ekliptik ändern sich die Verhältnisse mit der Jahreszeit (macht hier die Verhältnisse nur unübersichtlich)
 - Die Sonne hat eine gewisse Grösse, d.h. der "Sonnenaufgang" bzw "Sonnenuntergang" ist nicht schlagartig, sondern ein gradueller Vorgang. Der Sonnendurchmesser entspricht, von der Erde aus gesehen, etwa 0,5 Grad - hier vernachlässigt.

*: gilt so nur für die Äquinoktien; wegen der Neigung der Erdachse relativ zur Ekliptik ändern sich die Verhältnisse mit der Jahreszeit (macht hier die Verhältnisse nur unübersichtlich)

Was bedeutet, dass es die maximale Überdeckung von 17,4 Grad nur im Frühjahrs- und Herbstanfang gibt, während Teile des Sommers bzw. Winters gar keine Verschattung da wäre. Mit 2 Kollektoren in diesem Abstand hätte man also weitaus die meiste Zeit 200% und nur kurze Zeit 100% Leistung (nur ca. 1 Stunde, was sich mit Batterien puffern ließe).
Klingt nach einem vernünftigen Konzept. Die Frage wäre dann nur noch wieviel Energie des Lasers z.B. ein bewölkter Himmel absorbieren würde. Zudem müsste man dafür sorgen, dass da keine Flugzeuge o.ä. im Strahl sein können, da diese dann gegrillt würden.

Kann jemand abschätzen, wie weit ein entsprechend energiereicher Laserstrahl aus dem GEO aufgefächert wird (Divergenz)?
Wie groß müsste ein "Empfänger"-Photovoltaikfeld auf der Erde sein?

Kann man den Strahlenkegel so genau fokussieren und vor allem stabil positionieren, damit das sprichwörtliche Fußballfeld ausreicht?
Ansonsten erzeugt man eine großflächige Lichtverschmutzung die sicher keiner will.

Viele Grüße
Rücksturz

Dazu müsste man wissen, welcher Lasertyp hier vorgesehen ist.
Ich habe die Meldung so verstanden, dass die Laserwellenlänge im Infrarot liegen soll; Lichtverschmutzung ist dann nicht kritisch.
Besonders interessant wären solar gepumpte Laser (mit optischen Lichtkonzentratoren, die im Orbit den Umweg über die Photovoltaik einsparen): zB Nd:Cr:YAG-Laser
https://de.wikipedia.org/wiki/Nd:YAG-Laser