ichEnde November findet in Paris ein Spitzentreffen der europäischen Wissenschaftsminister statt. Ihre Aufgabe ist es, die nächsten Prioritäten für die Europäische Weltraumorganisation (Esa) festzulegen, der Großbritannien noch angehört, und einer der zu prüfenden Punkte auf ihrer Liste ist ein Vorschlag zum Testen der Machbarkeit des Baus kommerzieller Kraftwerke im Orbit . Diese riesigen Satelliten würden sich im Sonnenlicht sonnen, es in Strom umwandeln und auf die Erde strahlen, um es in das Stromnetz einzuspeisen. Das vorgeschlagene Projekt, bekannt als Solaris, darüber entscheiden, ob die Idee zu Europas künftiger Energiesicherheit beitragen kann – oder ob das alles noch Zukunftsmusik ist.
Wenn die Studie grünes Licht bekommt, wird es für die Raumfahrtindustrie, die schon immer an der Spitze der Entwicklung von Solarenergie stand, wie eine Heimkehr sein. Ein Jahr nachdem die Russen 1957 den batteriebetriebenen Sputnik 1 gestartet hatten, starteten die Amerikaner Vorhut 1. Dies war der vierte Satellit im Orbit und der erste, der seinen Strom aus Sonnenenergie erzeugte. Seit dieser Zeit sind Sonnenkollektoren die primäre Art, Raumfahrzeuge mit Strom zu versorgen, was dazu beigetragen hat, die Forschung voranzutreiben. Die Solarzellen von Vanguard 1 wandelten nur 9 % des eingefangenen Sonnenlichts in Strom um. Heute hat sich die Effizienz mehr als verdoppelt und steigt weiter, während die Herstellungskosten gesunken sind. Es ist eine Erfolgsformel.
„Die Solarkosten sind in den letzten 20 Jahren rapide gesunken, und zwar schneller als von den meisten Akteuren der Branche erwartet“, sagt Jochen Latz, Partner bei der Unternehmensberatung McKinsey & Company. So sehr, dass im Nahen Osten und in Australien Solarenergie heute die billigste Art ist, Strom zu erzeugen. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird dies laut Latz auch in den Ländern der mittleren Breiten der Fall sein. „Im Jahr 2050 erwarten wir, dass mehr als 40 % der Energie in der EU aus Sonnenenergie stammen – wenn die Länder ihre zugesagten Ziele erreichen“, sagt Latz. Damit wäre Solarenergie die einzige Energiequelle mit dem größten Beitrag für die EU.
Es gibt jedoch offensichtliche Probleme, die gelöst werden müssen, wenn wir die Sonnenkollektoren auf der Erde vollständig nutzen wollen. Zum einen, was machen wir nachts? Im Mai demonstrierten Ned Ekins-Daukes, außerordentlicher Professor an der School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering an der University of New South Wales, Australien, und sein Forscherteam eine Solarzelle, die Strom aus der Emission von Infrarot anstatt aus Infrarot erzeugen kann die Absorption von Sonnenlicht. Nachts funktioniert das perfekt, denn die Erde speichert Sonnenenergie in Form von Wärme, die sie dann als Infrarotstrahlung wieder ins All abstrahlt.
Der Geräteprototyp basiert auf der gleichen Technologie, die in Nachtsichtbrillen verwendet wird, und kann derzeit nur wenige Milliwatt Leistung erzeugen, aber Ekins-Daukes sieht das Potenzial. „Dies ist der Anfang – es ist die weltweit erste Demonstration der thermischen Strahlungsleistung“, sagt er und weist darauf hin, dass das Team ein Endprodukt anstrebt, das „10.000-mal leistungsfähiger“ ist. Auf diesen Ebenen ist es möglich, dass eine Dachinstallation solcher Geräte, die wahrscheinlich auf irgendeine Weise als zusätzliche Schicht zu herkömmlichen Solarmodulen hergestellt werden, genug Energie gewinnen würde, um das Haus über Nacht mit Strom zu versorgen – das heißt, Kühlschrank, WLAN-Router und so weiter beim Laufen. Dies ist zwar eine bescheidene Ersparnis für jeden Haushalt, multipliziert mit der Bevölkerung eines Landes, wird sie jedoch erheblich.
Ein weiteres offensichtliches Problem mit Solarenergie ist, dass einige Tage bewölkt sein werden. Um dies abzumildern, muss überschüssiger Strom, der an sonnigen Tagen erzeugt wird, in Batterien gespeichert werden, aber die Speicherkapazität ist derzeit bedauerlich. „Die EU wird etwa 200 Gigawatt benötigen [GW] von Batteriespeichern bis 2030, aber ab 2021 waren nur noch 2,4 GW Speicher vorhanden, sodass eine massive Aufstockung erforderlich sein wird“, sagt Aidan McClean, Geschäftsführer von UFODrive, einer vollelektrischen Autovermietung.
Um dieses Defizit auszugleichen, setzt sich McClean für ein System namens Vehicle-to-Grid – V2G – ein, bei dem die Batterie in einem Elektrofahrzeug (EV) verwendet wird, um überschüssige Energie zu speichern, die von den Solarmodulen auf dem Dach eines Hauses erzeugt wird, und sie dann wieder in das Haus zu übertragen abends benötigt wird, oder es zu anderen Zeiten mit hoher Nachfrage sogar an National Grid weiterverkaufen. „Wenn V2G weit verbreitet ist, wird die erwartete Speicherkapazität aller Elektrofahrzeuge alle erwarteten Speicheranforderungen, die das Netz in Zukunft erfordern wird, bei weitem übersteigen“, sagt McClean. Ein kürzlich durchgeführter V2G-Versuch in Milton Keynes, Buckinghamshire, zeigte, dass die Teilnehmer Geld sparten und ihren CO2-Fußabdruck verringerten, indem sie ein „intelligentes“ Ladesystem verwendeten, das die Batterien auflud, wenn erneuerbare Energien Strom erzeugten.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, Solarenergie nicht zur Stromerzeugung, sondern zur Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe für Fahrzeuge zu nutzen. Virgil Andrei vom Department of Chemistry der Cambridge University und seine Kollegen haben ein dünnes „künstliches Blatt“ entwickelt, das von der Photosynthese inspiriert ist. In Pflanzen nimmt die Photosynthese Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid (CO2) und wandelt sie in Sauerstoff und Zucker um. In den künstlichen Blättern ist die Ausgabe Syngas oder synthetisches Gas. Dieses Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann zur Herstellung einer Reihe von Kraftstoffen über verschiedene industrielle Prozesse verwendet werden. Sogar die Herstellung von Benzin und Kerosin ist möglich.
„Wir wollten CO2 verwenden2 aus der Atmosphäre oder anderen industriellen Prozessen und gießen diese in diese Art von Systemen, um grünen Kraftstoff zu erzeugen. Anstatt mehr CO freizusetzen2 in die Atmosphäre, wir haben nur eine zirkuläre Kohlenstoffwirtschaft“, sagt Andrei. Tatsächlich würden sie CO2-Abscheidungsanlagen huckepack nehmen, die derzeit zur Nutzung von CO2 eingesetzt werden2 aus industriellen Prozessen und „recyceln“ sie zu nachhaltigen Kraftstoffen.
Die Mannschaft stellte 2019 erstmals ein künstliches Blatt her aber es war eine sperrige Konstruktion aus Glas und Metall, die auf einer Bank stand. In diesem Jahr gab das Team jedoch die Ergebnisse eines kleineren, tatsächlichen bekannt blattähnliche Struktur, die die Forscher auf dem Fluss Cam trieben. Das Blatt wurde in einem durchsichtigen Plastikbeutel mit dem Vorläufergas und Wasser versiegelt und dann für einige Tage im Fluss belassen. Anschließend öffnete das Team die Tüte und testete, welche Gase durch die Photosynthese entstanden waren.
Die künstlichen Blätter selbst bestehen aus Materialien, die Perowskite genannt werden. Der archetypische Perowskit ist ein natürlich vorkommendes Mineral aus Calciumtitanoxid – auch bekannt als Calciumtitanat – das 1839 im russischen Uralgebirge vom deutschen Mineralogen Gustav Rose entdeckt und nach seinem russischen Amtskollegen Lev Perovski benannt wurde. Moderne Perowskite können verschiedene chemische Bestandteile haben und einige haben gezeigt, dass sie als Solarzellen funktionieren können.
„Diese Materialien sind sehr neu und sehr spannend“, sagt Andrei. Labortests zeigen, dass sie effizienter sein können als das in herkömmlichen Solarmodulen verwendete Silizium. Perowskite könnten sogar Silizium in den Solarmodulen der Zukunft ersetzen, wie sie sein können leichter und in dünnen, flexiblen Schichten hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Materialien höhere Ströme und Spannungen erzeugen als ihre Silizium-Pendants, was energiereichere Prozesse ermöglicht, wie die Reaktionen, die in der Studie über künstliche Blätter verwendet wurden.
EINSo vielversprechend das alles klingt, gibt es ein unüberwindbares Problem bei der Gewinnung von Solarstrom auf der Erdoberfläche: die Atmosphäre. Die Moleküle in unserer Atmosphäre streuen etwa die Hälfte des Sonnenlichts aus dem direkten Strahl. Dieses Streulicht, das umher springt, erzeugt den blauen Himmel, den wir so gut kennen. Im Weltraum gibt es keine Atmosphäre, daher ist das Licht der Sonne unverdünnt. Und wie die Luft- und Raumfahrtingenieure zu Beginn des Wettlaufs ins All herausgefunden haben, bringt man ein Solarpanel in die Umlaufbahn und es erzeugt automatisch etwa doppelt so viel Strom wie das entsprechende Panel auf der Erde. Es überrascht daher nicht, dass Ingenieure und Visionäre seit Jahrzehnten davon träumen, Satelliten zur Solarstromerzeugung in den Orbit zu bringen.
Das Grundprinzip ist einfach. Eine Flotte von Raumfahrzeugen mit riesigen Sonnenkollektoren sammelt Sonnenlicht, wandelt es in Strom um und strahlt diese Energie dann zurück zur Erde. Wie strahlt man drahtlos Energie durch den Weltraum? Es stellt sich heraus, dass wir das seit Jahrzehnten tun. Seit den 1960er Jahren verwendet jeder Telekommunikationssatellit ein Solarpanel zur Stromerzeugung, die dann in ein Mikrowellensignal umgewandelt und zur Erde gesendet wird. Am Boden wandeln Antennen die Mikrowellen wieder in elektrische Energie um und lesen die Signale aus. „Die an dieser ganzen Kette beteiligte Physik ist für weltraumgestützte Solarenergie genau gleich, aber der Umfang ist völlig anders“, sagt Sanjay Vijendran von der Esa, der das vorgeschlagene Solaris-Programm koordiniert, um die Machbarkeit weltraumgestützter zu untersuchen Solarenergie.
Alle paar Jahrzehnte seit Beginn des Weltraumrennens wurde die Idee der Weltraum-Solarenergie untersucht. Bei jeder Gelegenheit war die Geschichte dieselbe: Die Kosten für den Start solch großer Satelliten sind unerschwinglich. Aber jetzt sind die Dinge anders.
„2015 geschieht ein Wunder. Die wiederverwendbare Rakete Falcon 9 fliegt zum ersten Mal“, sagt John Mankins, ein ehemaliger Nasa-Physiker, der jetzt Präsident von Artemis Innovation Management Solutions ist. Mankins ist ein Experte für Solarenergiesatelliten, der über Jahrzehnte an vielen Machbarkeitsstudien mitgearbeitet hat. Mit dem Aufkommen einer wirklich wiederverwendbaren Rakete sinken die Kosten für den Versand von Ausrüstung in den Orbit. Anstatt etwa 1.000 US-Dollar zu kosten, um jedes Kilogramm in den Weltraum zu bringen, erwartet Mankins jetzt, dass der Preis auf etwa 300 US-Dollar pro Kilogramm sinken wird. „Das ist der heilige Gral für Weltraum-Solarenergie. Es ist nicht nur eines Tages möglich – es ist in den nächsten fünf oder sieben Jahren unvermeidlich“, sagt er.
Andere sind ähnlich optimistisch. Im September 2021 veröffentlichte die Frazer-Nash Consultancy a Bericht für die britische Regierung Das kam zu dem Schluss: „Weltraum-Solarenergie ist technisch machbar, erschwinglich und könnte sowohl erhebliche wirtschaftliche Vorteile für das Vereinigte Königreich bringen als auch Netto-Null-Pfade unterstützen.“ Ende August, Esa veröffentlichte eigene Studien zur weltraumgestützten Solarenergie, die für ganz Europa zu einem ähnlichen Ergebnis kam. Infolgedessen wird die Agentur im November ihre Mitgliedsstaaten auffordern, eine dreijährige Machbarkeitsstudie zu Solarstromsatelliten zu finanzieren, um im Detail zu untersuchen, ob ein solches System kommerziell rentabel werden könnte. „Solaris ist eine Brücke, um zu überprüfen, ob dies wirklich machbar ist und ob es wirklich helfen würde, bevor wir Milliarden von Euro verlangen“, sagt Vijendran.
Unabhängig davon, ob solche Satelliten in den Orbit gehen oder nicht, besteht kein Zweifel daran, dass Solarenergie die Energielandschaft der Zukunft dominieren wird. Und wie die aktuelle Ukraine-Krise zeigt, könnte dies zu einer besseren Energiesicherheit sowie zu einer Verringerung unseres CO2-Ausstoßes führen.