TEIL C

Weitere Einsatzformen der Photovoltaik

Satellitenkraftwerke (2)

Mitte 2010 überschlagen sich die Blogs mit Nachrichten über ein gigantisches Projekt der japanischen Shimizu Corp., bei dem es sich tatsächlich jedoch nur um eine visionäre Konzeption unter dem Namen Luna Ring handelt. Da aber auch der Mond ein Satellit der Erde ist, hat dieser Entwurf genau hier seinen richtigen Platz.

Bei dem Mondprojekt handelt es sich um einen 400 km breiten Gürtel aus Solarzellen, der sich knapp 11.000 km lang um den Äquator des Mondes spannt, um die dort empfangene saubere Energie durch Kabel zu den 20 km durchmessenden Sendestationen auf der erdzugewandten Seite, und von dort aus mittels Mikrowellen und Lasern zur Erde zu senden, wo dutzende gigantische Hochleistungs-Empfänger in den Wüsten oder auf den Ozeanen der ganzen Welt installiert sind, möglichst in der Nähe großer Bevölkerungszentren.

Beim Bau sollen Menschen kaum einbezogen und die Konstruktion weitgehend von Robotern errichtet werden. Wasser soll aus dem Mondboden mit von der Erde importiertem Wasserstoff produziert werden, während Bindestoffe ebenfalls aus lunaren Ressourcen gewonnen werden können.

Aus diesen Materialien wird dann mit Mond-Erde und -Kies Beton zusammengemischt. Ziegel, Glasfasern und andere Baumaterialien können durch solarthermische Prozesse hergestellt werden. Sonstige Maschinen und Geräte von der Erde werden im Weltraum zusammengebaut und zur Installation auf die Mondoberfläche gebracht.

Im November 2013 erklärt Shimizu, daß mit dem Bau des Mondrings bereits 2035 begonnen werden könnte. Bei ausreichender Finanzierung sollen dann erste Roboter auf der Mondoberfläche ausgesetzt werden, um die Materialien zu extrahieren, aus denen die Solarzellen, der Beton und die anderen benötigten Baustoffe hergestellt werden. Shimizu zufolge würde das Projekt, einmal umgesetzt, genug Energie für unseren ganzen Planeten liefern.

Das Projekt erscheint erst wieder im Mai 2026 in der Presse. Shimizu kalkuliert nun mit einem Aufbau über rund 30 Jahre, wobei die Zielleistung des Luna Ring bei 13.000 TW liegt, einem Vielfachen des heutigen weltweiten Stromverbrauchs. Eine Kostenschätzung existiert bislang nicht, und auch die drahtlose Übertragung von Strom in diesem Maßstab über 380.000 km Entfernung ist in keiner Skalierung erprobt. Zudem bleibt der Mondstaub, der Solarzellen verklebt und Mechanik beschädigt, ein offenes Ingenieursproblem.

In diesem Zusammenhang ist auch der Wissenschaftler Jeffrey M. Gordon von der Ben-Gurion-Universität in Israel zu erwähnen, der im März 2022 vorschlägt, Sauerstoffabriken auf dem Mond unterbrechungsfrei mit PV-Strom zu versorgen. Hierzu sollen Solarmodule mit einer Leistung von rund 10 MW um einen 360°-Breitenring in der Nähe eines der Mondpole installiert werden.

Es gäbe dadurch keine Abschattung zwischen den Modulen, wobei sowohl statische vertikale als auch Module auf einachsigen vertikalen Nachführsystemen praktikable Montagestrukturen dafür sein könnten. Da die Kraftwerke weit von der Erde entfernt wären, müßten die Anlagen auf dem Mond sich allerdings auch selbst automatisch instandhalten können.

Die Idee wird unter dem Titel ,Uninterrupted photovoltaic power for lunar colonization without the need for storage’ veröffentlicht. Hinweise auf eine konkrete Bau- oder Demonstrationsumsetzung des 10 MW PV-Rings gibt es jedoch keine.

An dieser Stelle ist es höchst passend, auf das Designprojekt der New Yorkerin Bryna Anderson hinzuweisen, Studentin der Columbia University, mit dem diese 2010 den Wettbewerb Moon Capital International Design gewinnt.

Das Konzept gründet auf dem Vorschlag des amerikanischen Physikers David Criswell für ein mondbasiertes Solarenergiesystem, bei dem ebenfalls Solarzellen zur Energiesammlung und Mikrowellen zur Übertragung genutzt werden. Criswell, inzwischen Direktor des Institute for Space Systems Operations an der University of Houston, erfand das Lunar Solar Power System (LPS) ursprünglich gemeinsam mit Robert D. Waldron. Auch dieses System beinhaltet die Herstellung der Solarzellen mittels lunarer Rohstoffe auf dem Mond selbst.

Der Entwurf von Criswell und Waldron würde 20.000 GW Strom produzieren und 4.400 Arbeiter auf dem Mond, 340 in einer niedrigen Mondumlaufbahn und 400 in einer niedrigen Erdumlaufbahn erfordern. Die auf dem Mond gesammelte Solarenergie soll an tausende Empfangsstationen auf der Erde gesendet werden. 

Das nun veröffentlichte innovative Design von Anderson namens LPS: 2069 stellt einen massiven Solarturm (oder Sonnenturm) dar, wie sie auf unserer Erde schon mehrfach gebaut worden sind (s.d.). Die übrigen technischen Erklärungen spiegeln das Criswell-System wider. Anderson gewinnt übrigens gegen die Konkurrenz von 100 Einreichungen aus 26 Ländern.

Im August 2010 wird der Bericht eines vom Verteidigungsministerium in Indien geförderten Thinktanks veröffentlicht, in welchem die Einrichtung eines internationalen, weltraumbasierten Solarstrom-Programms unter indisch-amerikanischer Leitung vorgeschlagen wird. Verfasser ist der U.S. Air Force Oberstleutnant Peter Garretson, der mit dem Institute of Defense Studies and Analyses in New Delhi zusammenarbeitet. Der Bedarf an weltraumgestützten Solarkraftwerken wurde in Indien bereits 1993 erkannt.

Der 174 Seiten starke Bericht mit dem Titel ,Sky’s No Limit: Space-Based solar power, the next major step in the Indo-US strategic partnership?’, der im Netz abrufbar ist, schlägt vor, daß die beiden Länder nicht mehr warten, sondern das Projekt durch eine gemeinsame Erklärung während Präsident Barak Obamas Besuch in Indien im November anstoßen sollten.

Das Großprojekt sieht die Errichtung eines Solarkraftwerks in der geostationären Umlaufbahn vor, das seine Energie in Form von Mikrowellen an die Empfänger auf dem Erdboden überträgt. Für die Umsetzung schlägt der Autor einen Drei-Stufen-Plan vor. Während der ersten Fünf-Jahres-Phase sollen mit einem Etat von 10 – 30 Mio. $ die grundlegenden Technologien entwickelt und eine detaillierte Roadmap festgelegt werden.

In der zweiten Phase, die sich über 10 Jahre erstrecken soll, wird ein internationales Konsortium mit einem Betrag von 10 Mrd. $ ein verkleinertes Space Solar Power System ins All bringen, das dann seitens der Industrie aufskaliert werden soll. Die dritte Phase würde die Einrichtung eines internationalen, kommerziellen Konsortiums unter indisch-amerikanischer Leitung sehen, das den Bau und die Inbetriebnahme entsprechender orbitaler Solarfarmen durchführt. Eine wirtschaftlich rentable Umsetzung könnte ab dem Jahr 2025 erfolgen.

Im Juni 2013 kündigen die in den USA ansässige National Space Society (NSS) und die Indian Space Research Organisation den Start einer Initiative für weltraumgestützte Solarenergie an, die darauf abzielt, Regierungschefs weltweit von der Idee einer entsprechenden wirtschaftlich und technisch tragfähigen Infrastruktur zu überzeugen. Die NSS war übrigens im März 1987 durch den Zusammenschluß des 1974 von Wernher von Braun gegründeten National Space Institute und der 1975 auf der Grundlage der o.e. Konzepte von Gerard K. O’Neill gegründeten L5 Society aus der Taufe gehoben worden.

Erwähnenswert ist auch, daß die NSS auf ihrer Homepage eine Reihe ausgewählter Beiträge und Berichte zur Weltraum-Solarenergie veröffentlicht, welche eine Zeitspanne zwischen 1978 und 2016 umfassen.

Die Astronomen und Astrobiologen Brooks Harrop und Dirk Schulze-Makuch von der Washington State University schlagen in ihrer im März 2010 veröffentlichten Studie ,The Solar Wind Power Satellite as an alternative to a traditional Dyson Sphere and its implications for remote detection’ vor, eine Energiegewinnungstechnik im Weltraum ins Auge zu fassen, die nicht auf der Photovoltaik basiert. Ihr Vorschlag betrifft Satelliten, die nicht die Sonnenstrahlung, sondern den Sonnenwind nutzen.

Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, ein Plasma, das aus der oberen Atmosphäre der Sonne ausgestoßen wird und die Heliosphäre erzeugt, eine riesige Blase im interstellaren Medium, die das Sonnensystem umgibt.

Die Wissenschaftler schlagen vor, die Elektronen des Sonnenwindes mit einem 300 m langen, 1 cm dicken Kupferdraht (Tether) einzufangen, der ein magnetisches Feld aufbaut und die Elektronen zu einem 10 m großen Segel und einem 2 m großen Empfänger leitet, durch den der Strom gewonnen wird. Von diesem wird nur ein kleiner Teil benötigt, um das magnetische Feld aufzubauen, während der Rest zur Erde gesendet werden kann. Mit einer Anordnung dieser Größe sollen sich 1,7 MW erzeugen lassen, deren Übertragung durch einen auf die Erde gerichteten Infrarot-Laserstrahl erfolgt.

Mit einem 1 km langen Kabel und einem 8.400 km breiten Segel würden sich eine Billion GW erzeugen lassen, 100 Milliarden Mal mehr, als die Menschheit derzeit verbraucht. Der Sonnenwind-Satellit, der billig und ohne komplizierte Technik sein würde, könnte dabei etwa so weit von der Sonne entfernt sein wie die Erde selbst. Er müßte allerdings gleichzeitig auch weit genug von der Erde entfernt stationiert werden, um außerhalb, oder zumindest am Rand ihrer Magnetosphäre überhaupt funktionieren zu können.

Der sogenannte Dyson-Harrop-Satellit weist allerdings noch einige technische Probleme auf, an deren Behebung die Forscher derzeit arbeiten. Er verfügt über keinen Schutz vor Weltraummüll, und ein Teil der Energie könnte beim Durchqueren der Erdatmosphäre verloren gehen. Außerdem ist es keine leichte Aufgabe, einen Weg zu finden, den Laserstrahl über Millionen von Kilometern durch den Weltraum zu lenken. Realistischer erscheint es daher, solche Satelliten zur Energieversorgung von Weltraummissionen in der näheren Umgebung einzusetzen.

Das Konzept wird erst wieder in dem im Juni 2025 veröffentlichten Artikel ,A novel Dyson-Harrop CubeSat for harvesting energy in solar wind’ von Fuzhen Yao und Zheng H. Zho von der York University in Toronto behandelt, der im Netz vollständig einsehbar ist.

In diesem Beitrag wird ein neuartiges Design für einen Dyson-Harrop-CubeSat vorgestellt, der auf der Grundlage des photoelektrischen Effekts Energie aus dem Sonnenwind ernten soll und das Potential hat, einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als die derzeitige PV-Technologie zu erzielen.

Auf der Abbildung ist die grundlegende Architektur des Dyson-Harrop-CubeSat zu sehen, der aus drei Hauptkomponenten besteht: einer Fesseleinheit, einer Energiegewinnungseinheit und dem zentralen 3U-CubeSat-Körper.

Die Tether-Einheit erzeugt ein zylindrisches Magnetfeld entlang ihres Hauptträgers, das die Elektronen aus dem Sonnenwind effektiv auf die Energiegewinnungseinheit konzentriert. Diese umfaßt einen kugelförmigen Elektronenempfänger, der als Kondensator fungiert und Elektronen aus dem Sonnenwind anzieht, sowie ein ringförmiges, flaches Sonnensegel, das Photonen im Sonnenwind einfängt, um über den photoelektrischen Effekt Elektronen auszustoßen, was zu einem elektrischen Strom im System führt.

Der Dyson-Harrop-CubeSat erweist sich als hocheffizientes Energieerzeugungssystem, das mit einem 3U-CubeSat eine Leistung von etwa 1 kW bietet, die über Mikrowellenstrahlen an andere Raumfahrzeuge oder Bodenstationen auf der Erde übertragen werden kann. Die Autoren weisen allerdings darauf hin, daß ihre Schätzung auf ersten Grundsätzen beruht und eine gründliche theoretische Analyse und experimentelle Validierung erforderlich sind, um die Machbarkeit des Konzepts zu bestätigen.

Hinweis: Technologien, bei denen die Sonnenstrahlung bzw. der Sonnenwind für mobile Systeme genutzt werden, behandle ich im Rahmen der elektrischen Mobilität unter Weltraum-Sonnensegel.

Die Professoren Andrea Massa und Giorgio Franceschetti von der Universität Trient leiten auf dem Internationalen Symposium für Antennen und Ausbreitung des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) im August 2010 eine Sondersitzung zum Thema ,Analyse elektromagnetischer Funksysteme für die Solarströmübertragung’. Im August 2011 folgt von Massa und weiteren Kollegen die Studie ,Array antenna architectures for solar power satellites and wireless power transmission’, die während der General Assembly and Scientific Symposium of International Union of Radio Science in Istanbul vorgestellt wird.

Im Mai 2012 wird bei den International Microwave Workshop Series in Kyoto die Arbeit ,Innovative rectenna design for space solar power systems’ vorgelegt, in welcher der Entwurf eines innovativen Gleichrichtersystems vorgestellt wird, das für die Sammlung der von Solarenergiesatelliten im Weltraum gelieferten Energie verwendet werden soll. Und im Juni 2013 folgt der Bericht ,Array Designs for Long-Distance Wireless Power Transmission: State-of-the-Art and Innovative Solutions’, der einen Überblick über die aktuell vorgeschlagenen Array-Design-Ansätze für die drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen gibt.

In dem zeitgleich erscheinenden Artikel ,Advances on remote wireless power transmission at the ELEDIA research center’ wird über die jüngsten Fortschritte im Rahmen der drahtlosen Energiefernübertragung berichtet, die am ELEDIA-Forschungszentrum der Universität Trient entwickelt wird.

Neu gegründet wird im Jahr 2010 die Firma KESE LLC mit Sitz in Hardeeville, South Carolina, die eine Reihe von Ingenieurdienstleistungen anbietet, darunter Unterstützung bei der Entwicklung von Prototypen, Durchführbarkeitsstudien, Geschäfts- und Marketingplänen, Drohnenkartierung und 3D-Modellbau.

Zu den Entwicklungsinitiativen des Unternehmens im Bereich der alternativen Energien gehören insbesondere die weltraumgestützte Solarenergie sowie unterstützende Technologien wie der Weltraumaufzug, neben Tiefengeothermie, Biomasse, Wellenenergie, Windenergie und Wasserstoff. Es lassen sich jedoch keinerlei tatsächliche Aktivitäten nachweisen.

Der Student Carl Peart aus Rio Rancho, New Mexico, beteiligt sich im Juni am Create the Future Design Contest 2011 mit seinem Entwurf eines Solar Collection and Transfer Satellite, der in Zukunft zur Erzeugung und Speicherung von sauberer Energie eingesetzt werden kann, um den steigenden globalen Bedarf zu decken.

Das System nutzt elektromechanische Batterien (EMBs), um Energie zu speichern, die von den auf dem Satelliten installierten PV-Paneelen gesammelt wird. Bei EMBs schwimmt ein magnetisch gelagertes Verbundschwungrad mit einem Elektromotor in einer Vakuumkammer und kann sich mit über 60.000 Umdrehungen pro Minute nahezu reibungsfrei drehen, was es ermöglicht, Energie über einen langen Zeitraum zu speichern. Der Strom kann wiedergewonnen werden, indem man das Schwungrad abbremst und den Motor als Generator verwendet. Jeder Satellit soll 360 Batterien mit einer Kapazität von jeweils etwa 25 kWh enthalten.

Bei Nachfrage wird diese Energie über eine Mikrowellenantenne zur Erde übertragen, wo sie über eine Gleichrichterantenne wieder in Strom umgewandelt wird. Dabei kann die Sendeantenne so positioniert werden, daß die Energie von einer Position in der Umlaufbahn aus leicht an verschiedene Orte auf der Erde übertragen werden kann.

Im Februar 2012 schlägt der Wissenschaftler Stuart Armstrong vom Future of Humanity Institute der Universität Oxford ein Konzept vor, wie aus dem Material des Planeten Merkur ein ganzer Schwarm von Solarkraftwerken gebaut werden könnte, welcher nah um die Sonne kreist. Eine 48-minütige Präsentation, in der er auch diesen Vorschlag erläutert, ist auf YouTube unter dem Titel ,von Neumann probes, Dyson spheres, exploratory engineering and the Fermi paradox’ auffindbar.

Die grundlegende Idee basiert auf dem 1960 veröffentlichten Artikel des britischen theoretischen Physikers Freeman Dyson, der sich vorgestellt hat, daß eine fortgeschrittene Zivilisation ihren erhöhten Energiebedarf durch den Bau einer Kugel um einen Stern herum decken würde, um dessen Energieausstoß vollständig zu absorbieren. Im Falle unserer Sonne beträgt diese Zahl 3,846 × 10²⁶ W, was in etwa dem Billionenfachen unseres derzeitigen weltweiten Energieverbrauchs entspricht.

Laut Armstrong ist eine Dyson-Sphäre als riesige, hohle Kugel um die Sonne jedoch unmöglich, da die Zugfestigkeit, die erforderlich wäre, um zu verhindern, daß die Sphäre auseinanderreißt, diejenige aller bekannten Materialien bei weitem übersteigt. Außerdem würde sich die Kugel durch die Schwerkraft nicht stabil an ihren Stern binden, denn wenn ein Teil der Kugel näher an den Stern herangeschoben würde - z.B. durch einen Meteoriteneinschlag -, dann würde dieser Teil bevorzugt in Richtung des Sterns gezogen, was zu Instabilität führen würde.

Ein verwandtes Konzept - der Dyson-Schwarm - ist hingegen vielversprechender. Dieser Schwarm besteht aus Tausenden von relativ kleinen Spiegeln oder Solarpaneelen, die in einer Reihe von Bahnen um die Sonne kreisen und einen Großteil der verfügbaren Sonnenenergie einfangen. Ein robotergesteuerter Herstellungsprozeß könnte einen Dyson-Schwarm in nur wenigen Jahrzehnten aufbauen, was damit beginnt, daß Roboter Material vom Merkur abbauen.

Armstrong Plan beruht auf exponentiellen Erträgen aus einem positiven Kreislauf. Das Material wird mit Raketen in die Umlaufbahn geschossen, was angesichts der schwachen Schwerkraft des Merkur nicht allzu schwierig ist, und dann zu einer energiesammelnden Dyson-Schwarm-Einheit zusammengebaut. Die Herstellung der ersten Einheit würde ein Jahrzehnt dauern, sie wäre weniger als eine halbe Quadratmeile groß und hätte die Dicke von Zinnfolie.

Diese Einheit bewirkt dann einen Aufschwung im Bergbau und im Kollektorbau und so beginnen drei weitere ähnliche Zyklen, jeder in größerem Maßstab als der vorherige. Armstrong schätzt, daß etwa die Hälfte der Masse des Merkurs in Form der Elemente Sauerstoff und Eisen nutzbar wäre. Diese Elemente können kombiniert werden, um das Eisenoxid Hämatit zu bilden, das seit der Antike zur Herstellung von Spiegeln verwendet wird. Die Orbitalspiegel reflektieren das Sonnenlicht, um ein solarthermisches Kraftwerk anzutreiben, das für den Betrieb im Weltraum angepaßt wurde.

Nach 40 Jahren, in denen Merkur in eine Horde von Bergbau- und Produktionsrobotern umgewandelt worden wäre, die von Flotten von Dyson-Schwarm-Sonnenkollektoren angetrieben werden, wäre der kleine Planet allerdings völlig kaputt. Armstrongs Vorstellungen reichen sogar noch weiter, denn der Abbau der Venus würde dann nur ein Jahr dauern, wenn man bedenkt, wie viel Energie und Robotertechnik nach dem Untergang des Merkurs zur Verfügung stehen.

In einem Interview mit dem Magazin Popular Mechanics im Februar 2012 erklärt Elon Musk, daß er nicht an die Solarenergie aus dem Weltraum glaubt. Er argumentiert überzeugend, daß die mehrfache Umwandlung von Photonen zu Elektronen, dann zu einem Laser- oder Mikrowellenstrahl, und schließlich wieder zurück zu Elektronen, alle sonstigen Vorteile der Technologie zunichte macht. Wie wir Musk kennen, kann er seine Meinung aber schnell wieder ändern, sobald neue technische Wege gefunden werden, um die erwähnten Nachteile zu überwinden.

In einem dazu passenden Artikel ,Space-Based Solar Power’, der im März 2012 erscheint und im Netz abrufbar ist, bewertet der Astrophysiker Prof. Tom Murphy von der University of California, San Diego (UC San Diego) die Weltraum-Solarenergie und untersucht die enormen Hürden, denen ein solches Vorhaben gegenübersteht.

Man sollte die Argumente von Murphy sorgsam lesen, denn sie listen eine ganze Reihe von Unzulänglichkeiten auf, mit denen sich Solarsatelliten konfrontiert sehen. Ich werde sie hier nicht wiederholen, da diese Chronologie ja dem tatsächlichen Geschehen gewidmet ist, doch alles in allem rechnet der Wissenschaftler nicht damit, daß diese Technologie in unserer Welt Fuß fassen wird. Der Aufwand und die Schwierigkeiten stehen in keinem Verhältnis zum Nutzen.

Auf der 38. IEEE Photovoltaic Specialists Conference in Austin im Juni 2012 veröffentlicht Lewis M. Fraas von der 1994 gegründeten Firma JX Crystals Inc. aus Issaquah, Washington, die als Boeing-Spinoff und unter deren Lizenz solare Infrarot- und thermophotovoltaische Zellen herstellt, eine Studie unter dem Titel ,Mirrors in space for low-cost terrestrial solar electric power at night’. Darin schlägt er vor, daß Spiegelsatelliten die Sonnenstrahlung konzentrieren und auf irdische Solarfarmen mit speziellen Solarreceiver-Paneelen fokussieren.

Vorgeschlagen wird eine Konstellation von 18 leichtgewichtigen Spiegelsatelliten in einer polaren, sonnensynchronen Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 1.000 km über der Erde, wobei jeder Spiegelsatellit eine Vielzahl von zweiachsig nachführbaren Spiegelsegmenten enthält, die gemeinsam einen Sonnenstrahl auf einen terrestrischen Zielort richten und diesem eine Sonnenintensität verleihen, die der normalen Sonnenintensität bei Tageslicht entspricht und die Sonnenstunden an diesem Ort in der Morgen- und Abenddämmerung jeden Tages verlängert.

Jeder Spiegelsatellit der Konstellation besteht aus einer linearen Reihe von Spiegelelementen, und jeder terrestrische Solarfeld-Standort hat einen Durchmesser von 10 km und kann etwa 5 GW erzeugen. Das System erzeugt so auch in den Morgen- und Abendstunden kostengünstigen Solarstrom und verlängert die typische Betriebszeit einer Solarfarm um etwa 30 %.

Als erster Schritt ist ein Spiegel-Satellit mit einem Durchmesser von 17 m in einer 550 km hohen Umlaufbahn angedacht, der auf der Erde auf einer Fläche mit einem Durchmesser von 6 km eine Lichtintensität erzeugt, die der eines Vollmonds entspricht. Der Satellit soll das ,Mondlicht’ für vier Disney-Parks erzeugen. Im Netz abrufbar ist eine 27-seitige Präsentation vom Oktober 2014, die den Titel ,Mirror Satellites for Solar Power from Space’ trägt. Doch auch im Fall der JX Crystals Inc. ist es bislang zu keiner Umsetzung gekommen.

Ebenfalls peripher von Interesse: Im August 2013 gibt die NASA bekannt, daß sie dem Technologieunternehmen Tethers Unlimited Inc. (TUI) einen Vertrag der zweiten Phase über 500.000 $ für die Entwicklung der SpiderFab genannten Technologie erteilt hat, die es ermöglicht, extrem große Strukturen direkt im Weltraum zu bauen. Einen Vertrag der ersten Phase hatte es bereits Anfang des Jahres gegeben und im Juli hatte die TUI unter dem Titel ,SpiderFab: Process for On-Orbit Construction of Kilometer-Scale Apertures’ einen 53-seitigen Bericht über die Technologie veröffentlicht, der im Netz abrufbar ist.

Die von Robert ,Rob’ P. Hoyt und Robert Lull Forward im Jahr 1994 gegründete Firma hatte mit der Entwicklung von Produkten auf der Grundlage von Weltraumseiltechnologien begonnen, darunter Konzepte zur Beseitigung von Weltraummüll und Impulsaustauschseilsysteme für den Start von Nutzlasten in höhere Umlaufbahnen. Im Jahr 2007 startete das Unternehmen in Zusammenarbeit mit der Stanford University das MAST-Experiment (Multi-Application Survivable Tether), um die Überlebensfähigkeit von Haltegurten im Weltraum zu testen.

In Bezug auf die robotergestützte Montage soll das Material für diese Komponenten in einer sehr kompakten und haltbaren Form, z.B. als Faserspulen oder Polymerblöcke, ins All gebracht werden, wodurch es in kleinere, weniger teure Trägerraketen paßt. Im Orbit werden die SpiderFab-Roboter das Material verarbeiten, um kilometerlange Traversen zur Aufnahme von Solaranlagen oder fußballfeldgroße Sonnensegel, Antennen und Masten von nahezu unbegrenzter Größe herzustellen.

Nachdem die NASA im März 2014 weitere 750.000 $ zahlt, beginnt die TUI damit, einen Trusselator zu entwickeln, der additive Fertigungstechnologien wie den 3D-Druck zur Herstellung von Fachwerkstrukturen im Weltraum nutzen kann. Der Trusselator wird als System für die Produktion und Integration von Solaranlagen in der Umlaufbahn unter Verwendung einer Kombination aus 3D-Druck und automatisierten Verbundwerkstoff-Layup-Techniken beschrieben (’TRUSSELATOR - On-Orbit Fabrication of High Performance Support Structures for Solar Arrays’).

Im Oktober 2016 wird berichtet, daß die TUI-Unterabteilung Firmamentum einen Vertrag mit dem amerikanischen Hersteller von Satelliten und Raumfahrtsystemen Lanteris Space Systems (früher: Space Systems/Loral, SSL) unterzeichnet hat, um die Fertigungstechnologien für den Weltraum im Rahmen des Dragonfly-Programms von SSL zu testen, das von der NASA finanziert wird. Für die Missionsdauer von Oktober 2018 bis April 2019 wird dann ein Refabricator an die ISS geliefert, der Kunststoffmaterial annimmt und in hochwertiges 3D-Druckerfilament umwandelt.

Im Mai 2020 wird die Tethers Unlimited von der Amergint Technologies mit Sitz in Colorado übernommen. Über weitere Entwicklungsschritte der 3D-Herstellung im Weltraum ist bislang nichts bekannt.

Es gibt aber auch einige Alternativen zu Satelliten. So berichten die Fachblogs im November 2013 über die im Vorjahr gegründete britische Firma New Wave Energy UK Ltd., die sich das Ziel gesetzt hat, mit Hilfe von Netzwerken unbemannter Drohnen in einer Höhe von 15.000 m über der Erdoberfläche Energie aus verschiedenen Quellen zu ernten.

Die zum Patent angemeldete Technologie zielt darauf ab, daß sich die etwa 20 x 20m großen Drohnen, die mit vier Rotoren, mehreren Windturbinen und Solarzellen ausgestattet sind, mit geringer Geschwindigkeit am Himmel bewegen, um der Sonne zu folgen. Sie können sich selbst mit der geernteten Energie versorgen und zusätzlich bis zu 50 kW erzeugen, die dann drahtlos an den Boden übertragen werden.

Die Drohnennetzwerke sind so konzipiert, daß sie leicht zu aktualisieren sind und mit effizienteren Generatoren ausgestattet werden können, sobald diese verfügbar sind. Das Unternehmen will zunächst den unbesiedelten Luftraum über dem Atlantik, dem Indischen Ozean oder dem Pazifik nutzen, um mit Tausenden von Drohnen rund 400 MW Strom zu erzeugen.

Die Firma plant nun, eine Kickstarter-Kampagne zu starten, um rund 300.000 £ zu sammeln, und rechnet damit, innerhalb von sechs Monaten nach Erhalt der Finanzierung einen funktionierenden Prototyp zu haben. Es läßt sich allerdings nichts darüber finden und die Firma wird im Februar 2016 aufgelöst, ohne etwas von ihren Plänen realisiert zu haben.

Ebenfalls von Interesse im Zusammenhang mit den Solarsatelliten, die ja sehr große Solarfelder benötigen, ist eine Meldung vom Dezember 2013, welche die Idee für ein entfaltbares Solarpaneel betrifft.

Die Idee entstand, als die Studentin Shannon Zirbel von der Brigham Young University (BYU) einen Sommer am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA verbrachte. Dort kam ihr von Larry Howell geleitetes Team mit dem Origami-Experten Robert Lang zusammen, zu dessen früheren Hightech-Origami-Arbeiten der Prototyp einer faltbaren Teleskoplinse gehört. Dank der kompakten Falttechnik lassen sich solche Konstruktionen problemlos ins All befördern.

Die faltbare Solaranlage des BYU-Teams ist so konzipiert, daß sie beim Start kompakt ist und sich nach Erreichen des Weltraums auf das 10-fache ihrer Größe ausdehnt. Genauer gesagt, lassen sich die 1 cm dicken Solarzellen auf einer dünnen, flexiblen Membran auf einen Durchmesser von 2,7 m zusammenfalten und auf einen Durchmesser von etwa 25 m entfalten. Während eine Anlage dieser Größe eine Leistung von 150 kW erbringen soll, streben die Forscher bereits eine Version an, die 250 kW für den Einsatz in Satelliten oder Raumstationen erzeugt.

Bislang existiert jedoch nur ein Prototyp im Maßstab 1:20, der aus einem Glasfaserverbundstoff namens Garolite besteht. Das Team glaubt, daß von Origami inspirierte Entwürfe auch für die Schaffung dehnbarer Netze verwendet werden könnten, die Asteroiden, Antennen und Sonnensegel auffangen können. Zudem wird an einem nachgiebigen Ausrichtungsmechanismus gearbeitet, mit dem sich Geräte wie Triebwerke und Antennen ohne Lager ausrichten lassen.

Weitere Details über die Origami-Arbeiten des JPL und anderer Akteure finden sich in der Jahresübersicht zur Entwicklung der photovoltaischen Nutzung 2014 (s.d.).

Eine weitere periphere Meldung vom Dezember 2013 befaßt sich mit einem neuen System, das erhebliche Mengen an Energie für mögliche zukünftige Mondmissionen liefern kann.

Hierbei stellen Forscher der Polytechnic University of Catalonia (UPC) um Ricard Gonzalez-Cinca gemeinsam mit einer Reihe internationaler Kooperationspartner konzentrierende Solarsysteme für Wärme und Strom vor, die Fahrzeuge und Besatzungsstationen auf dem Mond versorgen sollen. Dies würde den Transport schwerer Batterien von der Erde oder den Einsatz nuklearer Energiequellen überflüssig machen.

Das erste System besteht darin, Fragmente des Mond-Regoliths zu modifizieren und Elemente wie Aluminium einzubauen, so daß sie zu einer thermischen Masse werden. Wenn die Sonnenstrahlen auf die Oberfläche treffen, reflektiert ein System von Spiegeln das Licht, um die thermische Masse zu erwärmen, die später die Wärme während der Nacht an die Rover und andere Mondgeräte weitergeben kann.

Das zweite System enthält eine Reihe von Fresnel-Spiegelreflektoren, die die Sonnenstrahlen auf ein mit Flüssigkeit gefülltes Rohr konzentrieren. Die Wärme wandelt die Flüssigkeit in ein Gas um, das wiederum die thermische Masse aufheizt. Während der langen Mondnacht wird die Wärme dann an einen Stirling-Motor zur Stromerzeugung weitergeleitet. Die entsprechende Studie, mit dem Titel ,Heat storage and electricity generation in the Moon during the lunar night’, an der auch der ehemalige NASA-Administrator Michael D. Griffin beteiligt ist, wird im Januar 2014 veröffentlicht.

Wie im März 2014 bekannt wird, läuft auch bei der schon mehrfach erwähnten Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ein Programm, um Weltraummüll unschädlich zu machen. Nachdem der vielfach ausgezeichnete US-amerikanisch-britische Weltraum-Thriller Gravity mit Sandra Bullock in der Haupt- und George Clooney in der Nebenrolle im Vorjahr die Bedrohung von Astronauten durch Weltraummüll augenfällig thematisiert hat, gibt es auch wieder vermehrt öffentliches Interesse an dieser Thematik.

Bei der Clean Space genannten Initiative, über die im Mai auf dem e.Deorbit-Symposium in den Niederlanden diskutiert wird, prüft die ESA die Entwicklung eines Satelliten, der Weltraummüll wie einen Fisch im Netz auffängt und dadurch unschädlich macht. Der e.DeOrbit-Satellit würde etwa 1.600 kg wiegen und an der Spitze einer Vega-Rakete der ESA in den Orbit fliegen, um ausgediente Satelliten, Oberstufen von Trägerraketen und andere Teile aus den polaren, erdnahen Umlaufbahnen in einer Höhe von 800 - 1.000 km entfernen.

Zu den Aktivitäten der ESA in Bezug auf Solarsatelliten kommen wir weiter unten noch ausführlich zu sprechen.

Interessant sind auch die im Jahr 2014 beginnenden Arbeiten am U.S. Naval Research Laboratory (USNRL) der US-Navy unter der Leitung des Raumfahrtingenieurs und Glaser-Fans Paul I. Jaffe (meist: Paul Jaffe) und Chris DePuma, bei denen es ebenfalls um Weltraum-Solarstrom geht. So wird im März gemeldet, daß das NRL-Team zur Umsetzung zwei ultraleichte Module entwickelt habe, die mit einem Solarpaneel und einem Mikrowellensender ausgestattet sind.

Bei dem einen handelt es sich um ein hocheffizientes Sandwich-Modul, das Sonnenenergie in eine Funkfrequenz umwandelt und das eine integrierte Antenne zur Energieübertragung besitzt, während das andere eine zum Patent angemeldete Stufen-Variante darstellt, die das Sandwich nach außen hin öffnet, so daß die Wärme effizienter abgestrahlt werden kann. Bei Tests in einer Vakuumkammer erweist sich das Stufenmodul gegenüber dem Sandwich-Modul als viermal effizienter.

Im Jahr 2015 suchen das Verteidigungsministerium, das Außenministerium und die US-Behörde für internationale Entwicklung nach den besten Ideen zur Förderung der US-Diplomatie, Verteidigung und Entwicklung (die 3 Ds der Außenpolitik). Von 500 eingereichten Ideen gewinnt 2016 ein Vorschlag mit dem Titel ,D3 Space Solar Proposal’, wonach die Vereinigten Staaten bei der Weltraum-Solarenergie eine Vorreiterrolle übernehmen sollten.

Die Empfehlung des Teams mit Mitgliedern des Naval Research Laboratory (NRL), der Defense Advanced Projects Agency (DARPA), der Air Force Air University, des Joint Staff Logistics (J-4), des Außenministeriums, von Makins Aerospace und Northrop Grumman wird mit dem Innovationspreis und dem People’s-Choice-Preis des Wettbewerbs ausgezeichnet. Neben Paul Jaffe sind auch die o.e. John Mankins und Peter Garretson sowie Julia Nesheiwat, Teresa Smith und weitere Personen involviert.

Der Vorschlag wird auf der Homepage d3ssp.org ausführlich beschrieben, und im April erscheint ein Video unter dem Titel ,Space Based Solar Power - a solution to the carbon crisis’, in dem auf der Grundlage des obigen SPS-ALPHA-Konzepts von Mankins erklärt wird, wie die Solarenergie aus dem Weltraum so skaliert werden kann, daß unsere Zivilisation keinen Kohlenstoff mehr ausstößt.

Die Interessengruppe Citizens for Space-Based Solar Power (CSBSP), die sich für die Entwicklung und den Einsatz von satellitengestützten Systemen einsetzt, wandelt den D3-Vorschlag in aktive Petitionen auf der Website des Weißen Hauses und auf change.org um, wobei sie sich stark auf die o.e. Machbarkeitsstudie des NSSO aus dem Jahr 2007 beruft. Als maßgebliche treibende Kraft hinter dieser Bewegung wird M. V. ,Coyote’ Smith genannt, ein Colonel der US-Luftwaffe im Ruhestand, der damals das Team leitete, das die 170 Experten für die Studie zusammenbrachte (die Website c-sbsp.org geht allerdings erst im Juni 2023 online).

Im Mai 2019 wird während einer dreitägigen technischen Demonstration im Naval Surface Warfare Center (NSWC) in Bethesda, Maryland, ein weitreichendes System zur Energieübertragung im freien Raum vorgestellt, das aus zwei 4 m hohen Türmen besteht, von denen einer einen 2 kW Lasersender, der andere einen Empfänger mit speziell entwickelter Photovoltaik trägt. Entwickelt wurde es vom USNRL.

Der Laserstrahl selbst, der 400 W Leistung über eine Strecke von 325 m vom Sender zum Empfänger überträgt, ist für das bloße Auge allerdings unsichtbar. Ein dreiminütiges Video darüber trägt den Titel ,Energy transmitted by laser in ‘historic’ power-beaming demonstration’.

In Bezug auf die Sandwich-Module dauert es allerdings mehrere Jahre, bis es auch hier zu tastächlichen Tests im Weltraum kommt. Erst im Mai 2020 ist zu erfahren, daß das Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module (PRAM) genannte Modul nun erstmals an der unbemannten Drohne X-37B angebracht wurde, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Die bislang supergeheime X-37B (o. Orbital Test Vehicle, OTV) der US-Luftwaffe ist eine verkleinerte Version des Space Shuttle. Sie ist ca. 8,8 m lang, hat eine Flügelspannweite von etwa 4,6 m und umkreist die Erde alle 90 Minuten.

Das quadratische PRAM-Kachelmodul mit einer Kantenlänge von 30 cm testet die Fähigkeit, Strom von seinem Solarpaneel zu ernten und die etwa 10 W Energie in eine Hochfrequenz-Mikrowelle umzuwandeln und zu einer Basisstation auf der Erde zu senden. Die Platte hat eine zusätzliche Schicht, die mehr Licht im blauen Spektrum einfangen soll. Um zu beweisen, wie effizient das PRAM wäre, wenn es 36.000 km von der Erde entfernt kreisen würde, wird es mit Hilfe von Heizgeräten auf einer konstanten, warmen Temperatur gehalten, was auch funktioniert.

Dem Team zufolge hätte die Energie ebenso optisch per Laser übertragen werden können, doch der Nachteil ist, daß dabei viel Energie durch Wolken und die Atmosphäre verloren gehen kann. Die Umstellung auf eine optische Übertragung könnte allerdings für Mondanwendungen sinnvoll sein, da es dort keine Atmosphäre gibt.

Im Januar 2021 veröffentlichen Jaffe und sein Team, an dem auch Mitarbeiter der Sandia National Laboratories, des Air Force Research Laboratory, der Raytheon Technologies Corp. und der Kyoto University beteiligt sind, die Ergebnisse ihrer Experimente unter dem Titel ,Microwave and Millimeter Wave Power Beaming’. Der Bericht, der auch eine ausführliche und sehr empfehlenswerte Übersicht zur Entwicklung der drahtlosen Energieübertragung auf internationaler Ebene enthält, ist im Netz einsehbar.

Im Juni meldet die US-Navy, daß das System in der Umlaufbahn weiterhin gut funktioniert und in einigen Fällen sogar die Labortests vor dem Start übertroffen hat. Das Experiment läuft weiter und liefert eine Fülle wertvoller Flugdaten - bis die X-37B nach 908 Tagen im All wieder zur Erde zurückgekehrt.

Auf der Grundlage der Ergebnisse von PRAM wird der nächste Schritt darin bestehen, ein voll funktionsfähiges Prototypsystem zu bauen, das in einem maßgeschneiderten Raumfahrzeug installiert wird, um tatsächlich Energie zur Erde zurückzustrahlen. Der Start ist für 2023 geplant.

Im April 2022 wird berichtet, daß es den Forschern des NRL derweil gelungen sei, am Boden 1,6 kW Gleichstrom über eine Entfernung von einem Kilometer drahtlos mit 10 Ghz zu übertragen. Die Stromdichte habe dabei innerhalb internationaler Normen gelegen, eine Gefahr für Vögel, Tiere und Menschen gehe von der drahtlosen Übertragung nicht aus. Die Technik wird an zwei Standorten demonstriert, zum einen auf dem U.S. Army Research Field in Blossom Point in Maryland und zum anderen auf dem Haystack Ultrawideband Satellite Imaging Radar (HUSIR) Sender am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Das Projekt SCOPE-M (Safe and COntinuous Power bEaming - Microwave) wird von Christopher Rodenbeck geleitet, der den Machbarkeitsnachweis als bedeutendste Demonstration des Power-Beamings seit fast 50 Jahren bezeichnet. Das System ist auf der Empfängerseite aus Zehntausenden von X-Band-Antennen aufgebaut, die jeweils mit einer kleinen Gleichrichterdiode verbunden sind, welche die einfallende Mikrowellenleistung in elektrische Gleichspannung umwandelt.

Interessant in diesem Zusammenhang ist, daß Jaffe auch das im September 2023 gestartete Programm POWER (Persistent Optical Wireless Energy Relay) der DARPA leitet, jener Abteilung des US-Verteidigungsministeriums, die transformative Systeme mit hohem Risiko und hohem Ertrag finanziert. Das Programm soll das laserbasierte Power-Beaming für den nahezu sofortigen Energietransport nutzen, um ein widerstandsfähiges, mehrpfadiges Energienetz von Erde zu Erde zu schaffen, das einen bedeutenden Fortschritt gegenüber dem kabellosen Laden von Elektrofahrzeugen und anderen Technologien zur Fernenergieübertragung dar stellt.

Im Mai 2025 berichtet das POWER-Team, daß der Test einer neuen Empfängertechnologie mehrere Rekorde im Bereich der Energieübertragung per Laserstrahl aufgestellt habe, darunter die Übertragung von mehr als 800 W über einen Zeitraum von 30 Sekunden und aus einer Entfernung von 8,6 km. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber den zuvor erreichten 230 W über 25 Sekunden bei einer Entfernung von etwa 1,7 km.

Diese als POWER Receiver Array Demo (PRAD) bezeichneten Tests bilden einen wichtigen Schritt in Richtung des langfristigen Ziels des POWER-Programms, Energie sofort von einem Ort, an dem sie leicht erzeugt werden kann, drahtlos dorthin zu übertragen, wo sie benötigt wird. Um dieses drahtlose Energienetz zu schaffen, wurden von drei Teams unter der Leitung von RTX Corp., Draper und BEAM Co. effektive optische Leistungsrelais in der Luft entwickelt.

Diese Relais sind eine entscheidende Komponente, um bodengestützte Laser mit einer effizienten Langstreckenübertragung in großer Höhe zu koppeln. Bei der abschließenden Demonstration werden sie eingesetzt, um die Fernübertragung von einem bodengestützten Laser über mehrere luftgestützte Knotenpunkte und zurück zu einem Empfänger am Boden zu validieren.

Um den Leistungs- und Entfernungsrekord zu erreichen, verwendet PRAD eine neue, von Teravec Technologies mit Unterstützung von Packet Digital und dem Rochester Institute of Technology entwickelte Empfängertechnologie mit einer kompakten Öffnung, in die der Laserstrahl einstrahlt, so daß nur sehr wenig Licht entweicht, sobald es in den Empfänger eingetreten ist. Im Inneren des Empfängers trifft der Laser auf einen Parabolspiegel, der den Strahl auf Dutzende von Solarzellen reflektiert, um die Energie wieder in Strom umzuwandeln.

Die Technologie ist auf höhere Leistungsstufen skalierbar und kann in verschiedene Plattformen, wie z.B. unbemannte Luftfahrzeuge, integriert werden. Das Programm sucht jetzt nach potentiellen Partnern, um im Rahmen von POWER Phase 2 die Vorteile integrierter Relais und vertikaler Stromübertragung zu demonstrieren.

Außerdem beauftragt die NASA die Teravec mit der Entwicklung einer Solarzelle, die Strom erzeugt und gleichzeitig optische Kommunikationsmöglichkeiten bietet. Das DataCell genannte Gerät ist ultraleicht und funktioniert ohne bewegliche Teile. Es ermöglicht bidirektionale optische Freiraumkommunikation für Anwendungen, die unter extremen Bedingungen arbeiten müssen, vom Weltraum bis zum Unterwasserbereich.

Im März 2015 erscheinen Berichte darüber, daß Wissenschaftler der Volksrepublik China über den Bau eines Solarkraftwerks in einer geosynchronen Umlaufbahn in 36.000 km Höhe nachdenken. Bereits 2008 hatte die Staatliche Kommission für Entwicklung und Reform orbitale Sonnenkraftwerke in die Liste der Nationalen Vorplanungsprojekte aufgenommen, und im Jahr 2010 wurde ein Bericht verfaßt, der zu dem Schluß kam, daß es basierend auf dem damaligen technologischen Niveau möglich sei, schrittweise eine weltraumbasierte Stromversorgung aufzubauen.

Zur Umsetzung sollte zunächst ein Computermodell einer Bodenstation erstellt werden, gefolgt von praktischen Versuchen mit dem Aufbau von Stützstrukturen für Solarpaneele im Weltall. Schließlich sollte der Prototyp einer Sendeantenne mit 100 m Durchmesser sowie Lichtsammelspiegel im Orbit installiert werden.

Darüber hinaus wurde während eines Besuchs des ehemaligen indischen Präsidenten APJ Abdul Kalam im Jahr 2012 die gemeinsame Entwicklung eines Solarstromsatelliten durch China und Indien vorgeschlagen. Es ist jedoch nichts darüber bekannt, daß es hierbei anschließend zu irgendwelchen Umsetzungsschritten gekommen ist.

Von der Nationalen Stiftung für Naturwissenschaften finanziert, begann dann Prof. Duan Baoyan von der Universität für Elektrotechnik und Elektronik Xi’an ab 2014 die ingenieurtechnischen Probleme beim Bau eines solchen Kraftwerks zu untersuchen, während an der Jilin-Universität Forschungen zur Fokussierung des Mikrowellenstrahls durchgeführt wurden. Im Oktober erscheint hier die Arbeit ,SSPS-OMEGA: A new concentrator system for SSPS’.

Im Januar 2016 legen Duan und seine Mitarbeiter das Konzept für ein 23.000 t schweres Kraftwerk mit einer Nettoleistung von 2 GW vor, das auf einer innen verspiegelten, oben und unten offenen Hohlkugel von 8 – 10 km Durchmesser basiert, die in einem geostationären Orbit in einer Höhe von 36.000 km über der Erde kreisen soll.

Die als OMEGA (Orb-shape Membrane Energy Gathering Array, auch: SSPS-OMEGA) bekannte Konstruktion besitzt sechseckige Reflektorelemente, die entsprechend dem Sonnenstand auf- und zuklappen. Im Brennpunkt des Spiegels befindet sich ein an Seilen aufgehängtes und mit dem Sonnenstand kreisendes großes Solarmodul, das die erzeugte Energie über einen Stromabnehmer an ein Sender-Antennen-Modul von 1 km Durchmesser weiterleitet.

Im Dezember 2018 werden das Projekt ZhuRi (Sun Chasing) ins Leben gerufen und an der Xidian University in Xi’an ein Schwerpunktlabor und ein interdisziplinäres Forschungszentrum für weltraumgestützte Sonnenkraftwerke eingerichtet.

Den gegenwärtigen Plänen der China Academy of Space Technology (CAST) zufolge sollen in einer ersten Phase in den Jahren 2021 - 2025 kleine bis mittelgroße Kraftwerke in die Stratosphäre befördert werden. Ab dem Jahr 2030 soll dann ein Kraftwerk im Megawatt-Bereich um die Erde kreisen, und bis 2050 ist die Installation einer Anlage geplant, die mehr als 1 GW Energie über einen Laser oder Mikrowellen zur Erde sendet. Zudem wird geprüft, ob sich die Anlagen mit Hilfe von Robotern und 3D-Druck hauptsächlich im Weltraum herstellen ließen.

Meldungen vom März 2019 zufolge wird in der Stadt Chongqing seit dem Vorjahr und mit einer Investition von umgerechnet 15 Mio. $ eine neue Forschungseinrichtung gebaut, in der untersucht werden soll, ob sich die von Satelliten im Weltraum erzeugte Sonnenenergie mit Hilfe von Mikrowellen auf den Boden übertragen läßt. Der Bau der 33 Hektar großen Anlage wird etwa zwei Jahre dauern.

Anschließend ist geplant, 4 - 6 Fesselballons von der Testbasis aus zu starten und sie miteinander zu verbinden, um ein Netzwerk in einer Höhe von etwa 1.000 m aufzubauen. Diese Ballons werden das Sonnenlicht auffangen und die Sonnenenergie in Mikrowellen umwandeln, die zur Erde zurückgesendet werden. Wenn die Tests erfolgreich verlaufen, werden die Forscher neue Fesselballons für weitere Tests in die Stratosphäre schicken.

Tatsächlich findet im Juni 2022 auf dem Südcampus der Xidian University die Bauabnahme eines 75 m hohen Versuchsturms statt, bei dem vier innen verspiegelte Lichtsammelschalen, die als Ersatzsatelliten fungieren, das Sonnenlicht auf einen mit Solarzellen besetzten, achteckigen und konusförmigen Sammelkörper im Brennpunkt lenken. Der erzeugte Strom wird in Mikrowellen umgewandelt und zu einer 55 m weit unter der Sendeantenne auf dem Boden aufgebauten Empfangsantenne gestrahlt. Die neue Anlage dient der Erprobung und Überprüfung der Technologie für das OMEGA-System.

Parallel dazu arbeitet ein Expertenteam, dem auch Long Lehao von der Chinese Academy of Engineering (CAE) angehört, ein Chefkonstrukteur der Long March-Rakete, an einem anderen Konzept namens Multi-Rotary Joints SPS (MR-SPS), das im Gegensatz zur kugelförmigen SSPS-OMEGA zahlreiche lineare Solarzellenfelder mit mehreren Drehgelenken umfassen würde, um Einzelpunktversagen zu vermeiden. Die Montage im Weltraum soll durch frei fliegende Roboter-Raumfahrzeuge erfolgen.

Im vergangenen Jahr 2021 hatte die CAST eine Mikrowellen-Stromübertragung über eine Entfernung von 300 m zwischen einem kleinen Luftschiff und Empfängern an Bord eines maritimen Forschungsschiffs durchgeführt. Für 2028 ist die Durchführung eines Weltraum-Hochspannungstransfers und eines Experiments zur drahtlosen Energieübertragung in der niedrigen Erdumlaufbahn geplant, bei dem ein Satellit in 400 km Höhe Sonnenenergie in 10 kW elektrischen Strom und dann in Mikrowellen oder Laser verwandeln soll.

Im Jahr 2030 sollen dann Tests im geostationären Orbit folgen, wo eine größere Solaranlage 100 kW Strom erzeugen wird, der über eine Strecke von 35.800 km auf den Boden gebeamt wird. Bis 2035 ist die Erzeugung von 10 MW Solarstrom im All vorgesehen, der mit Hilfe einer 100 m langen Mikrowellen-Antenne zur Erde übertragen wird. Schließlich soll 2050 in einem vierten Schritt ein kommerziell betriebenes Solarkraftwerk mit einer Kapazität von 2 GW im Weltraum entstehen, das mit einer ca. 1 km langen Antenne zur Übertragung der Energie an Basisstationen auf der Erde ausgerüstet ist.

Im September 2022 folgen Berichte darüber, daß die Firma LONGi Green Energy, das zu dieser Zeit größte Solarunternehmen der Welt, Solarpaneele in den Weltraum schießen wird, um zu testen, ob sie in der Erdumlaufbahn erfolgreich arbeiten und Strom zurück zur Erde übertragen können. Das neu angekündigte Projekt des ebenfalls in Xi’an ansässigen Unternehmens nennt sich LONGi Green Energy Future Energy Space Laboratory. Entsprechende Testmodule wurden bereits in die erdnahe Umlaufbahn transportiert, bisher gibt es jedoch noch keine weiteren Details.

Eine praktische Umsetzung soll erfolgen, nachdem die chinesische Raumstation Tiangong im November 2022 fertiggestellt wurde. Die CAST beabsichtigt, die Roboterarme der Station zu nutzen, um im Orbit aus vorgefertigten Modulen ein kleines Testkraftwerk zusammenzubauen. Hierfür sollen eine Phased-Array-Antenne, ein Solarmodul und ein tragendes Gestell in zusammengefaltetem Zustand per Frachtraumschiff angeliefert und von den im Inneren der Station verbleibenden Raumfahrern per Fernsteuerung zusammengefügt werden.

Das Kraftwerk wird dann abgesetzt und nutzt seinen elektrischen Antrieb, um in eine 100 km höhere Umlaufbahn einzuschwenken. Nach Erreichen des Zielorbits etwa 500 km über der Erde soll es seine tragende Struktur, die Sendeantenne und die Solarmodule vollständig entfalten, während mit dem Startgerät des Wissenschaftsmoduls Mengtian ein kleiner Zielsatellit ausgesetzt wird, der in einem gewissen Abstand vom Kraftwerk fliegen und die von ihm abgestrahlte Mikrowellenenergie empfangen soll. Es läßt sich bislang aber kein belastbarer Nachweis finden, daß dieser Plan tatsächlich umgesetzt wurde.

In einer anderen, möglicherweise damit zusammenhängenden Entwicklung, waren im Vorjahr Mittel für die Erforschung des Baus von Objekten im Kilometermaßstab in der Umlaufbahn bereitgestellt worden. Diese Arbeiten könnten dazu beitragen, die riesigen Arrays zu montieren, die für die Sammlung und Übertragung von Sonnenenergie benötigt werden.

Im Oktober 2024 erscheint unter dem Titel ,Analysis of Power Supply by Laser Power Transmission in Lunar Polar Orbit’ der Bericht eines Forschungsteams der CAST, des Shandong Institute of Space Electronic Technology (SISET) und der Beijing Tianwen Space Science and Technology Co. Ltd., in welchem untersucht wird, ob eine drahtlose Energieübertragung per Laser (Laser Wireless Power Transmission, LWPT) von der Mondumlaufbahn aus möglich ist, um die Stromversorgung von Gebieten wie Äquatorregionen und den Polen zu sichern.

Die Analyse ergibt, daß ein Mondorbiter, der mit Hochleistungssolarzellen, einem 12 kW Laser, einer Laseremissions- und einer Strahlsteuerungsvorrichtung ausgestattet ist und sich in einer kreisförmigen Mondumlaufbahn in Höhe von 500 km befindet, eine durchschnittliche Stromversorgung von etwa 2,7 kW erreichen kann, mit der eine Stromversorgung des mit einem 4 m Laser-PV-Array ausgestatteten Monderkunders von rund 300 W realisierbar wäre, was den Überlebens- und Teilbetriebsanforderungen der Erkundungsfahrzeuge entspricht.

Weitere Ankündigungen folgen im Januar 2025, als Lehao Pläne für eine ringförmige Raumstation mit ca. 1 km Durchmesser bekannt gibt, die in einer geosynchronen Umlaufbahn als Solarkraftwerk mit etwa 1 MW Leistung dienen soll. In einem Vortrag vor der CAST, den der Konstrukteur im Oktober des Vorjahres gehalten hatte, bezeichnete er das Projekt als ,Drei-Schluchten-Staudamm-Projekt über der Erde’, dessen erster orbitaler Test für das Jahr 2030  geplant sei. Bei der Abbildung handelt es sich um ein ChatGPT-generiertes Bild des vorgeschlagenen weltraumgestützten Solarstromkonzepts.

Interessant ist auch die Einschätzung von Prof. Baoyan: „Wenn die Leistung der Energiestrahlen aus dem System hoch genug ist, könnte sie regionale atmosphärische Zirkulation verändern und die Intensität sowie den Weg eines Taifuns beeinflussen.“

Im Juni 2025 legen die Wissenschaftler der CAST einen Missionsvorschlag mit dem Titel ,The high power electricity generation and WPT demonstration mission — Proposed first step to develop space solar power’ vor. Der relativ bescheidene Vorschlag, der im Netz aufrufbar ist, umfaßt drei Solaranlagen, ein Gerät zur Mikrowellenenergieübertragung (Microwave Power Transmission, MPT) und eines zur Laserenergieübertragung (Laser Power Transmission, LPT). Interessanterweise gibt es erstmals nähere Details zu den Techniken, die das Forscherteam einsetzen will. Die schlicht gestaltete Grafik zeigt grob die grundlegenden Elemente.

Demnach besteht die Solaranlage aus ultraleichten 10 kW Dünnschicht-Solarmodulen aus Galliumarsenid-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 30 %, wobei das 35 m² große Array aus drei Teilen besteht: einem Hochspannungs-Array, das zu Demonstrationszwecken 1 kW/500 V Strom erzeugen wird; einem Mittelspannungs-Solar-Array, das etwa 5 kW/100 V Strom für das MPT- und LPT-Nutzlastsystem und den Plattformbus erzeugt; und einem Pseudo-Solar-Array, das zur Simulation der strukturellen Eigenschaften des Paneels dient. Darüber hinaus wird ein konzentrierendes Solarzellenfeld mit einer Öffnung von 2,4 m Durchmesser verwendet, das 6,18 kW erzeugt.

Für das MPT-Demonstrationssystem ist eine 2 x 2 m große Antenne mit einer Betriebsfrequenz von 5,8 GHz vorgesehen, um eine Mikrowellenleistung von ca. 4 kW über eine Entfernung von 424 - 600 km an ein Empfangssystem auf der Erde zu übertragen, das aus einer Rectenna, einem System zur Messung der Strahlrichtung und einem Pilotsignalsender besteht.

Das LPT-System besteht wiederum aus einem Laser-Sende- und Strahlsteuerungssystem und einem Empfangssystem. Hier gibt es zwei Anwendungsfälle: In einem Fall wird die Energie zur Erde übertragen, im anderen zu einem nachfolgenden Raumfahrzeug. Entsprechend dem Missionsziel soll die übertragene Laserleistung 1 kW betragen, die Übertragungsdistanz 10 - 50 km im Weltraum und über 400 km zum Boden. Der Fahrplan sieht vor, daß diese Demonstrationsmission vor 2030 durchgeführt wird.

Eine im November 2025 veröffentlichte Studie des Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering mit dem Titel ,Characterization of laser-induced spacecraft solar array discharges’ besagt allerdings, daß in Labortests bereits kurze Laserimpulse elektrische Entladungen auf Solarpaneelen auslösten, bei denen plötzliche Stromspitzen entstehen, die die Bordelektronik stören können.

Im Mai 2026 wird gemeldet, daß das Mikrowellen-Übertragungssystem der Xidian University bei jüngsten Tests einen Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Wirkungsgrad von 20,8 % über eine Distanz von 100 m erreicht hat, wobei bis zu 1,18 kW übertragen wurden. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, daß das System in der Lage ist, mehrere bewegliche Ziele gleichzeitig mit Energie zu versorgen. Eine mit 30 km/h fliegende Drohne empfing so aus 30 m Entfernung stabile 143 W. Langfristig könnte ein einziges Weltraumkraftwerk also mehrere Satelliten und Bodenfahrzeuge parallel versorgen.

Der neue Meilenstein baut auf Tests von 2022 auf, bei denen die Übertragung an bewegte Ziele nur 15,05 % Wirkungsgrad erreichte. Die Universität hatte damals erklärt, daß das Projekt eines Tages Katastrophenhilfe in entlegenen Gebieten leisten sowie militärische Notfallradare, stratosphärische Fahrzeuge und Drohnenschwärme antreiben könnte.

Im Jahr 2024 hatte das Team dann eine erfolgreiche Stromübertragung über eine Entfernung von mehr als 55 m verwirklicht. Die aktuelle Verbesserung gelang nun durch drei Hebel: bessere Sammlung und Umwandlung der Solarenergie, präzisere Steuerung des Mikrowellenstrahls zur Reduktion von Energieverlusten sowie kleinere und leichtere Antennen. Die spezialisierten Empfangsantennen des Teams sammeln den Energiestrahl inzwischen mit einer Effizienz von 88 % ein.

Wie im April 2015 bekannt wird, geht das California Institute of Technology (Caltech), das das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA betreibt, eine Partnerschaft mit der Northrop Grumman Corp. zur Entwicklung der Space Solar Power Initiative (SSPI) ein, bei welcher das Caltech im Rahmen eines Forschungsvertrags über einen Zeitraum von drei Jahren bis zu 17,5 Mio. $ erhält.

Die SSPI wird die erforderlichen wissenschaftlichen und technologischen Innovationen entwickeln, um ein weltraumgestütztes Solarenergiesystem zu ermöglichen, das aus ultraleichter, hocheffizienter Photovoltaik, einem Phased-Array-System zur dynamischen Stromerzeugung und -verteilung sowie ultraleichten Weltraumstrukturen besteht.

Der modulare Ansatz sieht vor, daß die Energieerzeugung, -umwandlung und -abstrahlung lokal an der gleichen Stelle im Weltraum erfolgt, wobei eine verteilte Energieumwandlungs- und -übertragungslösung mit moderner integrierter Elektronik zum Einsatz kommt, die die Energieverdrahtung zwischen den Modulen und innerhalb des Systems eliminiert. Ein flexibles Phased-Array-System soll ermöglichen, daß die Energie in Form von Mikrowellen an die gewünschten Orte auf der Erde geleitet und gleichzeitig mehrere Ziele mit Energie versorgt werden können.

Das Projekt wurde von drei Professoren des Caltech konzipiert und wird von ihnen gemeinsam geleitet: Harry A. Atwater, Ali Hajimiri und Sergio Pellegrino. Diese haben bereits ein Team aus Studenten, Postdocs und leitenden Forschern zusammengestellt, das schließlich mehr als 50 Mitglieder umfassen und mit dem Team von Northrop Grumman zusammenarbeiten wird.

Atwaters Gruppe wird ultraleichte, hocheffiziente und für Weltraumbedingungen optimierte PV-Anlagen entwerfen und demonstrieren, während das Team von Hajimiri integrierte Schaltungen, das Antennendesign, die Zeitsteuerung und die Funkfrequenzumwandler entwickeln wird, mit denen die drahtlose Übertragung von Solarenergie zur Erde ermöglicht wird. Pellegrinos Gruppe entwickelt wiederum neuartige Architekturen für multifunktionale, entfaltbare Weltraumstrukturen in der Größenordnung von 100 g/m², was einem oder zwei Blatt Papier entspricht.

Das  Caltech arbeitet bereits seit rund fünf Jahren an Photovoltaikelementen, die die Technik für die Konvertierung und Übertragung der Energie von vornherein integriert haben und sich gleich einem Origami zusammen- und auffalten lassen. In der Abbildung ist das Modell einer ultraleichten multifunktionalen Kachel zu sehen, die photovoltaische Elemente mit 10-facher Lichtkonzentration, einen integrierten Schaltkreis und eine abstrahlende Patch-Antenne enthält. Es ist 10 x 10 cm groß, 3 cm dick und wiegt weniger als 2,8 g.

Der aktuelle SSPI-Entwurf sieht 400 Kacheln pro 2 x 2 m großes Paneel, 900 Paneele mit einer Größe von etwa 60 x 60 m pro Satellit und insgesamt 2.500 Satelliten vor, die in enger Formation in einem quadratischen Muster mit einer Kantenlänge von fast 3 km fliegen. Die Flotte würde aus 900 Millionen funktionell unabhängigen Kacheln bestehen. Diese sind so konstruiert, dass sie sich zu einer Konfiguration zusammenfalten lassen, bei der praktisch kein Platz verschwendet wird, um in eine Trägerrakete eingesetzt und in die Umlaufbahn geschickt zu werden, wo sie sich selbst entfalten.

Im Mai 2017 wird am Caltech der erste ultraleichte integrierte Prototyp vorgeführt, der eine Gesamtdichte von 1,5 kg/m2 hat und damit mehr als zehnmal leichter ist als frühere Beispiele. Ein Funktionsprototyp der zweiten Iteration wird bereits im Dezember präsentiert. Er ist 33 % leichter als die erste Version und erreicht eine Flächendichte von weniger als 1 kg/m².

Der nächste Schritt erfolgt im Januar 2018, als das Caltech-Team die 12-seitige Sudie ,A lightweight tile structure integrating photovoltaic conversion and RF power transfer for space solar power applications ’ veröffentlicht, in welcher die Entwicklung des Prototyps dargestellt und mittels Finite-Elemente-Analyse validiert wird. Zudem werden die hochpräzise Fertigung ultraleichter Komponenten und die robuste Montage beschrieben.

Den initialen Schub erhält die Arbeit des Caltech durch den Multi-Milliardär Donald Bren, Vorsitzender der Irvine Co. und Mitglied des Caltech-Kuratoriums, und seine Ehefrau, die seit 2013 - bislang jedoch anonym - mehr als 100 Mio. $ für die Gründung des Space-based Solar Power Project (SSPP) gestiftet haben, was aber erst im August 2021 bekannt wird. Nun soll in zwei Jahren der Prototyp eines derartigen Satelliten im All getestet werden. Die bisherige Arbeit hat bereits zu Dutzenden von veröffentlichten Forschungsarbeiten geführt.

Anfang Januar 2023 wird der erste Testsatellit mit dem Namen Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) an Bord einer SpaceX-Transport-6-Rakete in die Umlaufbahn gebracht, als eine von 114 unterschiedlichen kleinen Nutzlasten. Der 50 kg schwere SSPD-1 ist an einer Vigoride-Raumfähre von Momentus Space befestigt, einem orbitalen Transportfahrzeug (Space Tug), das eigene Mikrowellen-Wasser-Plasma-Triebwerke nutzt, um als Letzte-Meile-Lieferant für Satelliten und Nutzlasten zu dienen.

Der Prototyp besteht aus drei Modulen: DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment) soll den Test der 1,8 x 1,8 m großen  modularen Architektur ermöglichen; ALBA testet 32 verschiedene Arten von PV-Zellen hinsichtlich ihrer Effizienz unter den im All herrschenden Bedingungen; und MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) soll über kleine Distanzen drahtlos Strom senden und empfangen.

Im März demonstriert das MAPLE-Experiment erstmals die drahtlose Energieübertragung im Weltraum, indem Energie gezielt an zwei verschiedene Empfänger geleitet wird, die etwa 30 cm vom Sender entfernt sind. Dort wird die Energie in Gleichstrom umgewandelt, um damit ein LED-Paar einzeln zum Leuchten zu bringen, zwischen ihnen hin- und herzuschalten und die Genauigkeit der Anordnung zu demonstrieren.

Darüber hinaus verfügt MAPLE über ein kleines Fenster, durch das die Energie Ende Mai zur Erde übertragen und nachweislich von einem Empfänger auf dem Dach des Moore-Labors auf dem Caltech-Campus in Pasadena erfaßt wird. Das empfangene Signal erscheint zum erwarteten Zeitpunkt auf der erwarteten Frequenz und weist auch die richtige Frequenzverschiebung auf, die auf der Grundlage der Reise aus der Umlaufbahn vorhergesagt wurde. Es gilt als das erste Mal, daß ein Prototyp im Weltraum drahtlos Strom auf die Erde überträgt. Über die Stärke der Energie verlautet aber nichts.

Im Januar 2024 wird gemeldet, daß der Testsatellit bereits im November aufgehört hat, sich zu melden. Trotzdem seien alle drei Teile des Versuchs erfolgreich gewesen. Zwar habe es vor allem bei der Auffaltung der Solarpaneele Probleme gegeben, die man aber habe lösen können. Bei den eingesetzten Solarzellen habe sich gezeigt, daß die günstigen Perowskit-Solarzellen äußerst unterschiedlich gut funktioniert haben, während Zellen auf Basis von Galliumarsenid konsistent gute Leistung gezeigt hätten.

Im November erscheint das Forschungspapier ,Wireless power transfer in space using flexible, lightweight, coherent arrays’, in welchem die Ergebnisse der bisherigen Mission erörtert werden, und der Dokumentarfilm Bright Harvest: Powering Earth From Space bringt die Calttech-Laborarbeit der Weltraum-Solaranlagen im Oktober 2025 auf die große Leinwand.

Peripher von Interesse ist, daß das Thema der industriellen Produktion im Weltall zunehmend die öffentliche Aufmerksamkeit erreicht. So führt beispielsweise der Amazon-CEO Jeff Bezos auf der im Mai 2016 vom Technologieblog Recode veranstalteten Code Conference aus, daß die Verfügbarkeit von Sonnenenergie im Orbit als maßgeblichen Vorteil dieser Technologie sieht.

Daneben hätten Fabriken im Weltraum noch mehrere weitere Vorteile: Rohstoffe von anderen Planeten, Asteroiden oder Kometen könnten potentiell leichter dorthin als zur Erde gebracht werden, und riskante oder umweltschädliche Produktionsprozesse würden in einer Umgebung stattfinden, in der nur wenige oder gar keine Menschen oder Umweltgüter gefährdet sind.

Mit einer Produktion im Weltraum wird bereits seit 1973 experimentiert, als das US-Weltraumlabor Skylab seinen Betrieb aufnahm. Es beherbergte eine Kammer zur Züchtung von Kristallen, eine Elektronenkanone und einen elektrischen Schmelzofen. Heute finden Fertigungsexperimente auf der Internationalen Raumstation ISS statt - unter anderem mit 3-D-Druckern. Darüber hinaus debattieren Wissenschaftler regelmäßig auf den Space-Manufacturing-Konferenzen, die das o.e. Space Studies Institute (SSI) seit 1977 veranstaltet, über diese Thematik.

Das SSI behandelt die Solarstrom-Satelliten als besonderen Schwerpunkt und bietet auf seiner Homepage eine Vielzahl von Informationen und Hinweisen auf Videos, Bücher und andere Veröffentlichungen.

Im Jahr 2017 erfolgt die Gründung der US-Firma Insta-Grid in Huntington Beach, die laut eigenen Angaben Materialien für Weltraumsatelliten und nachhaltige Energielösungen liefert. Besonders wird das „weltweit erste und einzige kabellose, integrale Solarenergie- und Mikrowellenmaterial aus flexiblem Gewebe“ betont, das Solar-Microwave Fabric (SMF) genannt wird. Das patentierte Produkt soll gleichzeitig saubere Energie erzeugen und umwandeln sowie kabellos Energie übertragen und empfangen.

Ein 22-seitiger, im Netz auffindbarer Bericht darüber wird 2024 unter dem Titel ,Solar microwave fabric paper on the key technology for making our future satellite and skin surfaces for aircraft, eliminating APU’s’ veröffentlicht. Die Autoren sind der Firmenpräsident Shawn Paul Boike sowie David Hyland (o. David Hyland Blanton), der als Patentinhaber der zugrundeliegenden Technologie genannt wird.

Neben dem SMF-Material verfolgt die Firma ein ebenfalls patentiertes Konzept namens Power-Star Satellites (o. Power-Star Peacemaker), das dafür da ist, „Kriege zu beenden, indem jede Bedrohung oberhalb und auf der Erde mit Lichtgeschwindigkeit verdampft wird“. Eine 2026 veröffentlichte entsprechende Diashow strotzt vor futuristischen Grafiken und nur schwer verdaulichen Fotos auf mehr als 100 Seiten. Bislang sind aber keine Umsetzungsschritte bei dieser Form der weltraumgestützten Solarenergie und gerichteten Energiewaffen festzustellen.

Ein weiterer Aktivitätsbereich der Insta-Grid betrifft eine fortschrittliche elektromagnetische Ausrüstung namens Protecta-Grid, die vor EMPs, Kugeln und nuklearer Strahlung schützen soll. Von praktischen Umsetzungen ist allerdings auch in diesem Fall nichts zu sehen - zumindest nicht auf öffentlicher Ebene.

Auch die im Jahr 2017 im britischen Stirling gegründete Skycharge Services Corp., eine Tochtergesellschaft der seit 2010 bestehenden CAVU Aerospace Inc., die OnBoard-Computer liefert, entwickelt ein weltraumgestütztes Solarstromsystem, das in den nächsten 10 - 20 Jahren zur Marktreife gebracht werden soll. Eine erste Solarstation soll bereits Anfang 2023 in eine geosynchrone Umlaufbahn gebracht werden.

In einer Höhe von knapp 36.000 km wird sie die Sonnenenergie mit ultraleichten, hocheffizienten PV-Modulen ernten und den Strom über Hochfrequenz-, Mikrowellen- oder Laserstrahlen an bodengestützte Gleichstromanlagen oder mobile elektrische Fahrzeuge wie Schiffe und Flugzeuge liefern, so daß keine riesigen Treibstofftanks oder Batteriespeicher erforderlich sind. Es läßt sich aber nicht betätigen, daß es jemals zu einer Umsetzung der ambitionierten Pläne gekommen ist.

Im Zuge der allgemeinen Chronologie ist das von Greg Kushnir im Jahr 2019 gegründete neuseeländische Start-Up EMROD mit Niederlassungen in Auckland, München und Boston zu erwähnen, das im Anschluß an eine Durchführbarkeitsstudie zur wirtschaftlichen und technischen Machbarkeit der drahtlosen Energieversorgung über große Entfernungen aus der Taufe gehoben wurde.

Das Unternehmen entwickelt unter dem Namen Worldwide Energy Matrix (WEM) eine sichere, drahtlose Nahfeldsystem-Stromübertragungstechnologie mit großer Reichweite, die die Erzeuger erneuerbarer Energien mit den Verbrauchern in der ganzen Welt verbinden soll und möglicherweise auch für Solarsatelliten relevant sein könnte. Die parallel ausgerichteten Strahlen mit einer phasengesteuerten Anordnung nutzen den nichtionisierenden industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Bereich des Funkspektrums, einschließlich der Frequenzen, die üblicherweise bei Wi-Fi und Bluetooth verwendet werden.

In die Presse kommt die EMROD im August 2020, als Powerco, der zweitgrößte Stromversorger Neuseelands, in die Firma investiert, nachdem diese einen früheren Prototyp der Technologie auf einer Industrieausstellung vorgestellt hatte. Das Start-Up wird nun noch einen weiteren Prototypen für Powerco bauen, der bis Oktober ausgeliefert werden soll und dann mehrere Monate lang im Labor getestet wird, bevor er in einen Feldversuch übergeht. Der Prototyp wird nur einige Kilowatt Leistung liefern, kann aber problemlos erweitert werden.

Der Firma zufolge kann die Technologie jede beliebige Energiemenge übertragen, die auch kabelgebundene Lösungen übertragen können. Hierzu verwendet das System eine Sendeantenne, eine Reihe von Relais und eine Empfangsgleichrichterantenne, die Mikrowellenenergie in Strom umwandelt. Jede dieser Komponenten sieht aus wie ein großes Quadrat auf einem Mast. Der Strom wird effizient zwischen zwei beliebigen Punkten übertragen, die durch Sichtlinien-Relais verbunden sind, ohne Strahlung um den Strahl herum, und ein Laser-Sicherheitsvorhang mit geringer Leistung schaltet die Stromübertragung sofort ab, bevor irgendein Objekt, wie ein Vogel, eine Drohne oder ein Hubschrauber, den Hauptstrahl berühren kann.

Laut EMROD funktioniert das System unter allen atmosphärischen Bedingungen, einschließlich Regen, Nebel und Staub, und die Übertragungsdistanz ist nur durch die Sichtlinie zwischen den einzelnen Relais begrenzt, so daß der Strom über Tausende von Kilometern übertragen werden kann, und zwar zu einem Bruchteil der Infrastruktur- und Wartungskosten, die eine kabelgebundene Lösung verursacht.

Das System könnte sich hervorragend eignen, um den Strom der Offshore-Energieerzeugung in die städtischen Netze einzuspeisen, und ist auch bei ungeplanten Stromausfällen nützlich: Ein Lastwagen kann mit einer Gleichstromantenne ausgestattet werden und dann in Sichtweite eines Relais fahren, um eine vorübergehende drahtlose Stromverbindung herzustellen. Außerdem lassen sich bewegliche Ziele wie Schiffe und große Lastwagen mit Strom versorgen. Bei erfolgreichen Tests am EMROD-Sitz in Auckland wird der Strom drahtlos über eine Entfernung von rund 200 m übertragen, wobei die aktuellen Prototypen der quadratischen Sende- und Empfangsantenne aus einem 1,92 m² großen Feld bestehen.

Das Unternehmen stand während des gesamten Entwicklungsprozesses in Kontakt mit den neuseeländischen Behörden für die Verwaltung des Funkfrequenzspektrums der elektromagnetischen Wellen, um alle Sicherheitsstandards zu erfüllen, auch wenn die Technologie auf hohe Leistungsstufen skaliert wird.

Im November 2021 meldet die Firma, daß sie Anfang nächsten Jahres auf privatem Land in der Region Taranaki mit einer Felddemonstration ihrer drahtlosen Energieübertragungstechnologie mit großer Reichweite beginnen wird. Das Pilotprojekt wird von Ara Ake, Neuseelands nationalem Zentrum für die Entwicklung neuer Energien, ermöglicht und gemeinsam mit Powerco durchgeführt. Im Rahmen des Feldeinsatzes sollen auch die Sicherheitsfunktionen des Systems demonstriert werden. Der Schritt folgt auf eine erfolgreiche, aber nicht näher bezifferte Finanzierungsrunde, die die Firma im Vormonat abgeschlossen hat.

Ende September 2022 führt EMROD gemeinsam mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Airbus eine Demonstrationsveranstaltung in deren X-Works Innovation Factory in München durch, bei welcher grüne Energie mit Hilfe von Mikrowellen über eine Entfernung von 36 m übertragen wird. Dabei wird eine Strahlerfassungseffizienz von über 95 % erreicht, die sich in Zukunft aber auf etwa 99 % bringen läßt. Die ausgestrahlte Energie wird zum Betrieb eines Wasserstoffgenerators und eines Kühlschranks sowie zur Beleuchtung einer Modellstadt verwendet.

Die ESA will die weltraumgestützte Solarenergie nun unter dem Projektnamen Solaris einführen, um damit Städte, Produktionsanlagen und künftige Elektroflugzeuge mit Strom zu versorgen. Da die Power-Beaming-Technologie ein wesentlicher Bestandteil davon ist, soll die Lösung von EMROD der ESA helfen, den erforderlichen Wirkungsgrad bei der drahtlosen Energieübertragung zu erreichen. Etwas befremdlich ist allerdings, daß Airbus in der eigenen Berichterstattung über die Demonstration mit keinem Wort auf EMROD eingeht.

Das Unternehmen hofft, innerhalb von drei Jahren die ersten Testanlagen in der Umlaufbahn zu haben, der erste kommerzielle terrestrische Einsatz soll aber schon 2024 stattfinden. Immerhin kann die Firma im April dieses Jahres bekanntgeben, daß sie sich eine Finanzierung durch die deutsche Bundesagentur für Sprunginnovationen (SPRIND) gesichert hat. Auch diesmal bleibt der Umfang unbeziffert. Über weitere Umsetzungsschritte ist bislang nichts bekannt.

In Bezug auf Airbus ist noch zu erwähnen, daß der Luftfahrtriese gemäß Meldungen vom Mai 2026 gemeinsam mit dem Solarhersteller MCPV und der Niederländischen Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung (TNO) daran arbeitet, die auf der Erde bewährte Silizium-Solarzellentechnologie für den Einsatz im Weltraum anzupassen. Es wird davon ausgegangen, daß diese Technologie als kostengünstigere Alternative zu den Galliumarsenid-Solarzellen dienen könnte, die heute in den meisten Solaranlagen im Weltraum zum Einsatz kommen.

Eine weitere zu nennende Firma ist die im Februar 2019 von Keval Dattani, Polina Tibets und Mihalis Caramihai in Didcot gegründete britische Space Power Ltd., die an einer  Beaming-Technologie mittels Laser arbeitet. Ab April 2020 führt das Unternehmen zusammen mit der University of Surrey mehrere Studien durch, um die Machbarkeit der firmeneigenen Technologie-Lösungen zu belegen.

Auf der Konferenz Optical Wireless and Fiber Power Transmission (OWPT) im April 2022 in Yokohama gewinnt die Space Power den Preis für das beste Papier für die Forschung über die Anwendung der Energieübertragung im Weltraum, und im September führt die Firma auf der International Space Convention im türkischen Bursa und während eines Treffens des European Photonics Industry Consortium (EPIC) bei der ESA in Noordwijk eine Marktvalidierung durch, um den Bedarf der Kunden im privaten und behördlichen Sektor zu ermitteln.

Nach Fertigstellung einer Produktionsanlage werden im November 2022 zahlreiche erfolgreiche interne LASER-Versuche durchgeführt, die auf direkten Kundenanforderungen beruhen, und im Januar 2023 beginnt der Bau des terrestrischen Demonstrators TeDe.

Im September 2024 wird der Space Power ein Patent zum Schutz der Powerbeaming-Technologie erteilt (Determination of preferred wireless power transmission mode, GB-Nr. 2628107). Dort wird u.a. erwähnt, daß das Verfahren zum Bestimmen eines bevorzugten drahtlosen Leistungsübertragungsmodus auch so konfiguriert werden kann, daß es mit einem drahtlosen Energieempfänger verwendet wird, der photovoltaische Zellen umfaßt.

Im Juni 2025 wird erstmals ein Prototyp vorgeführt, der das Power-Beaming physikalisch demonstriert, indem eine Sendeanlage einen Laser automatisch auf einen frei herumfahrenden kleinen ,Mondrover’ richtet und diesen über das auf seinem Rücken befestigte Solarpaneel mit Antriebsenergie versorgt.

Die Space Power Ltd. wird im Januar 2026 für die Teilnahme am NATO-Programm DIANA (Defence Innovation Accelerator for the North Atlantic) ausgewählt, um eine laserbasierte Technologie zu entwickeln, die Satelliten- und Orbital-Solarzellen auflädt und auch ohne direkte Sonneneinstrahlung funktioniert. Außerdem hat die Firma mit BAE Systems bereits einen Starttermin für ihren ersten Im-Orbit-Demonstrator vereinbart, eine Laser-Powerbank, die als Space Power Optical Charge Unit bezeichnet wird.

Ebenfalls im Jahr 2019 gründen Valdi Ivancic und Mihir Pandey die in Schweden und Indien beheimatete Firma Spacians (o. Spacians.in) unter dem Motto ,Think Beyond Gravitation’.

Das Unternehmen will ein Weltraumkraftwerk anbieten, das Raumsonden durch elektromagnetische Funktechnologie und weltraumgestützte atmosphärische Satellitentechnologie kontinuierlich mit Strom versorgt, hat bislang aber nichts davon realisiert. Inzwischen ist das Unternehmen aufgelöst.

Ein weiteres im Jahr 2019 gegründetes Unternehmen ist die Firma Virtus Solis Technologies Inc. mit Hauptsitz in Troy, Michigan. Die Gründer John Bucknell, Edward Tate und Seth Elliott behaupten kühn, das weltweit erste weltraumgestützte System zur Erzeugung von Solarenergie entwickelt zu haben, das mit allen anderen Energieformen direkt konkurrieren kann, ohne deren Nachteile zu haben.

Dabei handelt es sich um eine bekannte Technologie, jedoch in einem überaus großen Maßstab: Die Satelliten sollen demnach in riesigen Arrays gruppiert werden - 100.000 Satelliten für 100 MW - um so eine hoch skalierbare Energieplattform zu ermöglichen, indem die Arrays auf 20 GW oder mehr anwachsen können. Die in 10 GHz Mikrowellen umgewandelte Sonnenenergie wird an Gleichrichter-Stationen auf den Boden übertragen und dort wieder in Strom transformiert, der in das Stromnetz eingespeist werden oder Verbraucher mit hohem Bedarf direkt mit Energie versorgen kann.

Im Juni 2021 wird eine Partnerschaft mit der Firma Orbital Composites geschlossen, die für ihre 3D-Druck- und fortschrittlichen Fertigungskapazitäten bekannt ist. Der Partner wird sein Fachwissen im Bereich der Roboterfertigung nutzen und skalierbare Fertigungsprozesse entwickeln, um 3D-gedruckte Phasenarray-Antennen und schlüsselfertige Satelliten herzustellen. Darüber hinaus wird er den Service, die Montage und die Fertigung der Virtus-Solarenergiestationen im Weltraum überwachen.

Der erste Labortest zur drahtlosen Energieübertragung wird im Dezember 2021 abgeschlossen, und im Mai 2022 wird bei einer zweiten Demonstration eine Übertragung von 4,91 W über 5 m Entfernung erreicht. Der Firma zufolge ist das System mit 23 % der abgestrahlten Leistung, die am Empfänger zurückgewonnen wird, weitaus effizienter als die aller anderen Mitbewerber.

Im August erhält die Virtus Solis im Zuge der NASA Centennial Challenge: Watts on the Moon Phase 2 einen Zuschuß von 200.000 $. Hierbei geht es darum, Energie von einer variablen Quelle über 3 km hinweg zu übertragen und am anderen Ende an eine Last zu liefern. In Phase 1 dieses Wettbewerbs vergab die NASA im Mai 2021 insgesamt 500.000 $ an sieben Teams, nachdem sechzig davon Designkonzepte eingereicht hatten, die den künftigen Bedarf an robusten und flexiblen Technologien für den Betrieb von Außenposten für Menschen und Roboter auf dem Mond decken sollen.

Im März 2023 folgt die Demonstration eines Leistungssatelliten mit 1,92 m Öffnung und 6.400 Sendeantennenelementen, dessen 1,32 x 1,62 m große Empfangsantenne aus 1.944 Elementen besteht. Die Entfernung zwischen Sender und Empfänger beträgt 100 m.

Ansonsten erklärt die Firma, daß jede Satellitenkachel ein Sechseck mit einem Durchmesser von 1,65 m darstellt, wobei jede Kachel monolithisch ist und keine beweglichen Teile hat. Auf der einen Seite sind die Solarzellen, die Energie sammeln, auf der anderen Seite befinden sich die Antennen, die Energie auf den Boden abstrahlen. Zwischen den beiden Seiten befinden sich die Leistungselektronik und Wärmemanagement-Elemente.

Die Virtus Solis ist ein Industriepartner der University of Bristol, und im Juni 2023 erhalten das Unternehmen und die Universität Fördermittel in Höhe von 353.000 £ aus dem britischen Net-Zero- Innovation-Programm für die Entwicklung eines Open-Source-Modells namens LyceanEM, als ein Tool für das schnelle virtuelle Prototyping von Array-Designs, mit dem deren Fähigkeiten zur drahtlosen Übertragung von Solarenergie aus dem Weltraum getestet werden können. Diese Arbeiten laufen im Rahmen des Projekts ,Scalable Open Electromagnetics for Solar Power’ (SCOPES).

Im August 2023 vergibt die U.S. Space Force einen Auftrag an die o.e. Orbital Composites, damit das Unternehmen seine patentierte Quantenantenantenne weiterentwickeln kann, die eine sichere Kommunikation im Weltraum ermöglicht, einschließlich der Kommunikation von Weltraum zur Erde und umgekehrt. Daneben geht es auch um die Werkzeuge für die Herstellung im Weltraum, wobei die Grundidee ist, einen Großteil der Arbeit im Weltraum dem 3D-Druck zu überlassen.

Im September 2024 meldet die Universität von Toledo, daß sie von der Air Force Mittel von bis zu 15 Mio. $ erhalten hat, die für die Entwicklung neuer Dünnschicht-Solartechnologien für Weltraumanwendungen, einschließlich der Unterstützung von Satelliten und der Übertragung von Solarenergie auf die Erde, gedacht sind - und im Oktober bekommt die University at Buffalo einen Zuschuß der Space Force in Höhe von 9,9 Mio. $, um gemeinsam mit dem Rochester Institute of Technology ein Forschungsprojekt zum Einsatz von Perowskit-Solarzellen im Weltraum durchzuführen. Dies sind alles signifikante Technologiebausteine der Weltraumsolarenergie.

Zudem erscheint im Februar 2024 von Bucknell ein Report unter dem Titel ,Survey of Space Based Solar Power (SBSP)’, der im Netz einsehbar ist. Zeitgleich geben Virtus Solis und Orbital Composites ihre Pläne bekannt, 2027 eine weltraumgestützte Solarenergie-Demonstration in der mittleren Erdumlaufbahn durchzuführen. Dies soll auch die Montage von Solarzellen im Weltraum und die Übertragung von mehr als 1 kW zur Erde umfassen.

Während der 26. Session of the Asia-Pacific Regional Space Agency Forum (APRSAF-26) im November 2019 und auf dem 6. Space Solar Power Symposium im Dezember 2020 schlagen Prof. Toshiya Hanada und Aditya Baraskar vom Space System Dynamic Laboratory (o. Hanada lab) der Kyushu University in Fukuoka eine Konstellation kleiner Weltraum-Solarstromsatelliten zur Energieübertragung zwischen Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn vor.

Bei dem Projekt unter dem Namen Energy Orbit (o. E-Orbit) sollen insgesamt 1.600 Satelliten in einer Höhe von 900 km und in einem Radius von 500 km 10 kW Strom übertragen.

Auf dem 71. International Astronautical Congress (IAC) im Oktober 2020 wird zudem das Papier ,Space solar power satellite for interplanetary mission’ vorgelegt, um dem Stand der Technik bei diesen Missionen, der auf einem thermoelektrischen Radioisotopen-Generator oder einem Solarpaneel beruht, das mit Batterien verbunden ist, die 10 - 25 % des Gewichts der Satelliten ausmachen, die effektivere Technologie der Solarenergiesatelliten und drahtlosen Energieübertragung entgegenzusetzen.

Daneben beschäftigen sich die Wissenschaftler des Labors, das auch mit der o.e. JAXA kooperiert, mit der Anwendung der Astrodynamik auf das Problem des Weltraumschrotts, mit Maßnahmen zur Verhinderung seiner Entstehung sowie der Verbesserung der Aufprallrate während der Lebensdauer von Satelliten.

Im Dezember 2019 kursiert eine Überlegung der NASA, der zufolge der derzeitige Plan, 2024 wieder Astronauten auf den Mond zu schicken, so geändert werden sollte, daß dabei Standorte für die dortige Herstellung von Solarsatelliten gefunden werden können. In den letzten zehn Jahren haben Satelliten, die den Mond umkreisen, riesige Lavaröhren entdeckt, in denen diese Fabriken untergebracht und vor der Strahlung und den starken Temperaturschwankungen auf der Oberfläche geschützt werden könnten.

Das Innere einiger dieser Höhlen ist über 1,5 km hoch und viele Kilometer lang. Andere Mondsatelliten haben auf der Oberfläche Metallerze analysiert, die verarbeitet und zum Bau von Komponenten für Solarsatelliten verwendet werden können - und in tiefen Kratern wurde Eis gefunden, das den Raketentreibstoff für den Rücktransport der Komponenten in die Umlaufbahn liefern würde.

 

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