Selbstreparierende Solarmodule sind auf dem Weg in den Weltraum

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Die Aktivität im Weltraum nimmt zu, und das bedeutet, dass auch die Nachfrage nach größeren, leistungsstärkeren Weltraum-Solaranlagen zunimmt. Die Herausforderung besteht darin, die Kosten gegen die Leistung abzuwägen. Auch die Lebensdauer spielt eine Rolle. Die NASA hat nach Unternehmen gesucht, die das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bieten können, und das Startup Solestial aus Arizona ist mit neuen ultradünnen Solarmodulen, die sich im Weltraum selbst reparieren können, im Rennen.

Mehr Sonnenkollektoren im Weltraum

Solestial nennt „anhaltende, skalierte Aktivität auf dem Mond, dem Mars und möglicherweise auch anderen Himmelskörpern“ als einen der Faktoren, die die Nachfrage nach neuen, leistungsstärkeren Solaranlagen im Weltraum antreiben.

Solestial hat bereits einen Platz auf dem Radar der NASA, da es bereits frühere Aufträge von der National Science Foundation und der US Air Force sowie der Raumfahrtbehörde erhalten hat. Anscheinend gefiel der NASA, was sie sah. Im Januar 2023 vergab die Agentur einen Phase-I-Auftrag zur Small Business Innovation Research über 149.987 US-Dollar zur Weiterentwicklung ihrer neuen Weltraum-Solarmodule.

Bei der neuesten Entwicklung erhielt Solestial von der NASA einen Phase-II-Auftrag über 849.954 US-Dollar für sein Projekt mit dem Titel „Nächste Generation Siliziumbasierte Solaranlagen für Raumstationen und andere permanente Weltrauminfrastruktur.”

Solestial ist bestrebt, die steigende Nachfrage nach Solarmodulen zu decken, die den rauen Bedingungen im Weltraum standhalten und gleichzeitig eine kostengünstigere Alternative dazu bieten „extravagant teure“ Photovoltaik-Technologie werden seit 60 Jahren in Raumfahrtanwendungen eingesetzt.

Solestial schätzt, dass die Deckung des Bedarfs an neuen Satelliten, Raumstationen und Weltraummissionen eine Steigerung der Solarkapazität um drei bis vier Größenordnungen gegenüber dem derzeitigen Niveau erfordern wird.

„Dies ist eine große Chance, aber auch eine große Herausforderung, da wir uns in einem völlig anderen Umfeld befinden als dem, in dem sich aktuelle Weltraum-Solarlösungen entwickelt haben“, bemerkt Solestial.

Das Unternehmen möchte außerdem beweisen, dass innovative Start-ups neue Technologien nutzen können, um auf dem Weltraumsolarmarkt Fuß zu fassen, der bisher von Regierungen und großen multinationalen Unternehmen dominiert wurde.

Senkung der Kosten für Weltraum-Solarmodule

Ein Teil der Einsparungen wird aus einem starken Rückgang der Startkosten resultieren, ein Trend, der sich voraussichtlich mit der kommerziellen Aktivität im Weltraum fortsetzen wird.

Auch Solestial verlässt sich bei der Lieferung auf seine neuen ultradünnen Silizium-Solarzellen. Dies mag angesichts der Herausforderungen bei der Arbeit mit der Dünnsiliziumtechnologie überraschen, darunter Probleme bei der Solarumwandlungsleistung sowie erhebliche Herstellungs- und Anwendungshindernisse.

„Ultradünne Siliziumzellen absorbieren weniger Infrarotlicht, reagieren sehr empfindlich auf die Qualität der Oberflächenpassivierung, halten einer Verarbeitung mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen nicht stand, können nicht als freistehendes Gerät verarbeitet werden und können nicht durch herkömmliches Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden“, erklärt Solestial.

Die Wissenschaft liebt jedoch Herausforderungen. Das Unternehmen gibt an, dass seine neuen Solarzellen einen beeindruckenden Solarumwandlungswirkungsgrad von 20 % liefern und dabei nur 20 Mikrometer dick sind. Laut Solestial sind die neuen Solarzellen außerdem „gut schweißbar und können im Gigawatt-Maßstab hergestellt werden“.

Selbstreparierende Sonnenkollektoren im Weltraum

Ein weiterer wichtiger Faktor, der sich auf die Kosten auswirkt, ist die Langlebigkeit, und hier kommt die Selbstreparaturfunktion ins Spiel. Bereits im März 2023 teilte Solestial die Ergebnisse von mit eine Validierungsstudie von den Franzosen Alternative Energien und Atomenergiekommission.

„Nach einer Strahlungsexposition, die 10 Jahren im niedrigen Erdorbit („LEO“) entspricht, gefolgt von einer Ausheilung bei 90 °C unter 1 Sonneneinstrahlungsäquivalent, sank die Leerlaufspannung der Silizium-Solarzellen von Solestial nur um 4 % und blieb bei 96 % seinen ursprünglichen Wert“, berichtete Solestial.

Das ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Weltraumfestigkeit anderer Siliziumtechnologien. Solestial gibt einen Verlust von 10–15 % für die bekannten III-V-Mehrfachsolarmodule an, der allein auf Strahlungsschäden zurückzuführen sei.

Der Meilenstein für die Reparatur von Strahlenschäden bei 90 °C ist bedeutsam, da die Selbstreparatur von Silizium typischerweise höhere Temperaturen von 200–250 °C erfordert, wie der CEA-Experte für Weltraumsolar erklärt Romain Cariou. Die höhere Temperatur kommt im Weltraum selten, wenn überhaupt, vor.

„Der Unterscheidungsfaktor besteht hier darin, dass die Zellen von Solestial Strahlungsschäden bei normalen Betriebstemperaturen für Solarmodule im Weltraum heilen können“, erklärte Cariou.

Wie es funktioniert, ist ein Geheimnis. „Die Silizium-Solarzellen von Solestial verfügen über eine proprietäre Defekt-Engineering-Technologie zur Selbstheilung von Strahlungsschäden, was zu einem minimalen Effizienzverlust über die gesamte Betriebslebensdauer führt“, ist alles, was sie sagen.

Solestial ist aus der Forschung der Arizona State University hervorgegangen, was einen kleinen Hinweis gibt. Bereits im Jahr 2019 fasste die Schule die jahrzehntelange Untersuchung des Unternehmens zur Haltbarkeit von Dünnschicht-Silizium-Solarzellen zusammen. Unter seinem früheren Namen Regher Solar führte das Unternehmen „Simulationen durch, die darauf hindeuteten sehr dünne Silizium-Solarzellen ließen hochenergetische Protonen durch sie hindurch, wodurch strahlungsbedingte Schäden minimiert wurden“, stellte ASU fest.

„Diese schädlichen Partikel stellen ein großes Problem für Satelliten im Weltraum dar, insbesondere in einer Region des Weltraums, die als Van-Allen-Gürtel bekannt ist und die Strahlung des Sonnenwinds und anderer kosmischer Strahlen einfängt“, erklärte die Schule.

Auch der Mitbegründer des Unternehmens, Stanislau „Stas“ Herasimenka, teilte einige Details in einem vom Arizona Technology Council veröffentlichten Artikel mit.

„Unter bestimmten Bedingungen kann es für hochenergetische Partikel praktisch transparent sein“, sagte Herasimenka und bezog sich dabei auf die neue ultradünne Siliziumsolarzelle. „Außerdem müssen die durch Licht erzeugten Elektronen in einer dünnen Zelle nicht so weit zurücklegen, um extrahiert zu werden, und selbst wenn die Weltraumstrahlung einen Defekt in einer Solarzelle erzeugt, haben die Elektronen eine viel geringere Chance, sich durch diesen Defekt zu rekombinieren, was zu einer Zunahme führt.“ End-of-Life-Effizienz einer Solarzelle.“

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Ein weiterer kostensenkender Faktor ist die Verwendung eines relativ kostengünstigen Rollout-Systems zum Entfalten von Solaranlagen im Weltraum. Solestial ist eine Partnerschaft mit dem Unternehmen aus Colorado eingegangen Opterus Forschung und Entwicklung ein leichtes Rollout-System zu entwickeln, das den Einsatz großer Arrays ermöglicht, die in puncto Größe alles übertreffen, was derzeit auf dem Markt ist.

Wenn das bei Ihnen klingelt, denken Sie vielleicht an die verrückte Vorstellung, dass umlaufende Sonnenkollektoren eines Tages Sonnenenergie aus dem Weltraum auf die Erde strahlen werden. Das ist gar nicht so verrückt, wie sich herausstellt. Mehrere Nationen haben Forschungsteams zusammengestellt, um sich dieser Herausforderung zu stellen, angelockt durch das Potenzial, Solarenergie aus dem Weltraum zu gewinnen, wo sie rund um die Uhr verfügbar ist, ohne Störungen durch Regen, Schnee, Graupel, Hagel, Nebel oder trübe Nacht ( Mehr sehen CleanTechnica Weltraum-Solarabdeckung hier).

Neben der Senkung der Kosten für Solarzellen sind ein Rückgang der Einführungskosten und die Verfügbarkeit neuer Rollout-Systeme zwei Faktoren, die zu einem kostenwettbewerbsfähigen Szenario für Weltraum-Erde-Solarmodule beitragen.

Ein weiterer Faktor ist die Größe. Letzte Woche CleanTechnica nahm eine Kostenanalyse des SOLARIS-Programms der EU zur Kenntnis, die darauf hinwies, dass große Solaranlagen mit einem Durchmesser von einem Kilometer erforderlich wären, um Weltraumsolaranlagen zu einer praktikablen Alternative zu terrestrischen Systemen zu machen.

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Bild: Die Nachfrage nach Solarmodulen für größere, leistungsfähigere Raumfahrtanwendungen wächst (mit freundlicher Genehmigung von Solestial).