Der kühne Plan, Solarfarmen im Weltraum zu errichten und Energie auf die Erde zurückzustrahlen

Hajmiri scherzt, er wolle die Antworten auf eine Karte drucken lassen. "Ich werde sie in meiner Brieftasche haben, um sie den Leuten zu zeigen", sagt er.

Ursprünglich war Hajimiri ein Skeptiker der Solarenergie im Weltraum, aber sein Interesse wurde geweckt, als er begann, sich näher mit der Idee zu befassen. "Im Durchschnitt erhält man im Weltraum etwa achtmal mehr Energie als mit Solarenergie auf der Erde", sagte er gegenüber CNN. Der Strahl wird auch keine Tiere töten, und was ist mit dem Todesstern? Der Strahl werde nicht stark genug sein, um als Waffe eingesetzt zu werden, fügte er hinzu.

In diesem Jahr haben Hajimiri und sein Team einen Schritt zur Verwirklichung der weltraumgestützten Solarenergie gemacht.

Im Januar starteten sie Maple, einen 30 Zentimeter langen Prototyp einer Weltraumsolaranlage, die mit flexiblen, leichten Sendern ausgestattet ist. Ziel war es, Energie von der Sonne zu ernten und sie drahtlos in den Weltraum zu übertragen.

Das "Stretch Goal" war jedoch, zu sehen, ob Maple auch nachweisbare Energie auf die Erde übertragen konnte. Im Mai beschloss das Team, einen "Trockenlauf" zu starten, um zu sehen, was passieren würde. Auf einem Dach auf dem Caltech-Campus in Pasadena, Kalifornien, konnten Hajimiri und die anderen Wissenschaftler das Signal von Maple auffangen.

Die erfasste Energiemenge war winzig, zu gering, um nützlich zu sein, aber es war ihnen gelungen, drahtlos Energie aus dem Weltraum zu übertragen. "Erst im Nachhinein dämmerte uns, dass dies etwas ganz Besonderes war", so Hajimiri.

Solarenergie aus dem Weltraum mag eine verrückte, futuristische Idee sein, aber sie ist nicht neu. Bereits 1941 wurde sie in einer Kurzgeschichte des Science-Fiction-Autors Isaac Asimov beschrieben. In den vergangenen Jahrzehnten haben sich Länder wie die USA, China und Japan mit dieser Idee befasst - doch jahrelang wurde sie abgeschrieben. "Die Wirtschaftlichkeit war einfach nicht gegeben", sagt Martin Soltau, CEO des britischen Unternehmens Space Solar.

Das könnte sich jetzt ändern, da die Kosten für den Start von Satelliten drastisch sinken, die Solar- und Robotertechnologie rasche Fortschritte macht und der Bedarf an reichlich sauberer Energie als Ersatz für die die Erde aufheizenden fossilen Brennstoffe immer dringender wird.

Gerade jetzt, wo wir sie brauchen, kommen verschiedene Technologien zusammen", so Craig Underwood, emeritierter Professor für Raumfahrttechnik an der University of Surrey in Großbritannien.

Das Problem ist nur, dass diese Technologien in einem Ausmaß eingesetzt werden müssten, wie es bisher noch nie der Fall war.

Was ist weltraumgestützte Solartechnik?

Im Grunde ist die weltraumgestützte Solartechnik ein recht einfaches Konzept. Der Mensch könnte die enorme Kraft der Sonne im Weltraum nutzen, wo sie ständig zur Verfügung steht - unabhängig von schlechtem Wetter, Wolken, Nacht oder den Jahreszeiten - und sie auf die Erde übertragen.

Es gibt verschiedene Konzepte, aber es würde in etwa so funktionieren: Riesige Solarenergiesatelliten mit einem Durchmesser von jeweils mehr als einer Meile würden in eine sehr hohe Umlaufbahn geschickt werden.

Wegen der kolossalen Größe dieser Strukturen würden sie aus Hunderttausenden von viel kleineren, in Massenproduktion hergestellten Modulen bestehen, "wie Lego-Bausteine", so Soltau gegenüber CNN, die im Weltraum von autonomen Roboter-Montagemaschinen zusammengesetzt würden.

Die Solarzellen des Satelliten würden die Sonnenenergie einfangen, sie in Mikrowellen umwandeln und sie über einen sehr großen Sender drahtlos zur Erde senden, der in der Lage ist, bestimmte Punkte auf dem Boden präzise zu treffen.

Ein Arbeiter reinigt Solarpaneele in einer neuen Energiebasis in China.

Die Mikrowellen, die problemlos Wolken und schlechtes Wetter durchdringen können, würden zu einer Empfangsantenne (oder "Rectenna") auf der Erde geleitet, die aus einem Netz besteht - "stellen Sie sich eine Art Fischernetz vor, das an Bambusstangen aufgehängt ist", so Soltau -, wo die Mikrowellen wieder in Strom umgewandelt und ins Netz eingespeist würden.

Mit der Internationalen Raumstation und dem höchsten Gebäude der Welt, dem Burj Khalifa, als Maßstab zeigt diese Abbildung, wie groß das CASSEioPia-Array wäre.

Die Rectenna mit einem Durchmesser von etwa 6 Kilometern (3,7 Meilen) könnte an Land oder vor der Küste errichtet werden. Da diese Netzstrukturen nahezu transparent wären, könnte das Land unter ihnen für Solaranlagen, Farmen oder andere Aktivitäten genutzt werden.

Ein einziger Weltraum-Solarsatellit könnte bis zu 2 Gigawatt Strom liefern, was ungefähr der Leistung von zwei durchschnittlichen Kernkraftwerken in den USA entspricht.

Eine Idee, deren Zeit gekommen ist?

Die weltraumgestützte Solarenergie ist keine Science-Fiction", so der britische Professor Underwood gegenüber CNN. Die Technologie sei ausgereift. "Der große Stolperstein waren einfach die schieren Kosten, um ein Kraftwerk in die Umlaufbahn zu bringen.

In den letzten zehn Jahren begann sich das zu ändern, als Unternehmen wie SpaceX und Blue Origin mit der Entwicklung wiederverwendbarer Raketen begannen. Die heutigen Startkosten sind mit rund 1.500 Dollar pro Kilogramm etwa 30 Mal niedriger als in der Space-Shuttle-Ära der frühen 1980er Jahre.

Und während der Start von Tausenden von Tonnen Material in den Weltraum nach einem riesigen Kohlenstoff-Fußabdruck klingt, wäre der Fußabdruck der Weltraum-Solarenergie pro Energieeinheit wahrscheinlich mindestens vergleichbar mit dem der terrestrischen Solarenergie, wenn nicht sogar kleiner, da das Sonnenlicht fast ständig zur Verfügung steht, so Mamatha Maheshwarappa, Leiterin der Nutzlastsysteme bei der UK Space Agency.

Einige Experten gehen noch weiter. Underwood sagte, der Kohlenstoff-Fußabdruck der weltraumgestützten Solarenergie sei nur etwa halb so groß wie der eines terrestrischen Solarparks, der die gleiche Leistung erbringt, selbst wenn eine Rakete gestartet wird.

Das bedeute aber nicht, dass die weltraumgestützte Solarenergie die terrestrischen erneuerbaren Energien ersetzen solle, fügte er hinzu. Die Idee ist, dass sie Grundlaststrom liefern könnte, der rund um die Uhr abgerufen werden kann, um die Lücken zu füllen, wenn der Wind nicht weht und die Sonne auf der Erde nicht scheint. Derzeit wird Grundlaststrom in der Regel von Kraftwerken bereitgestellt, die mit fossilen Brennstoffen oder Kernenergie betrieben werden und mit geringen Unterbrechungen arbeiten können.

Die Energie wäre "sehr mobil", sagte Peter Garretson, Senior Fellow für Verteidigungsstudien beim American Foreign Policy Council. Sie könnte aus dem Weltraum zum Beispiel auf den Gipfel Europas und dann auf den Boden Afrikas gebeamt werden.

Viele Befürworter verweisen auf das Potenzial, das diese Technologie Entwicklungsländern mit hohem Energiebedarf, aber fehlender Infrastruktur bieten könnte. Alles, was sie bräuchten, wäre ein Gleichstromnetz. "Das wird eine echte Demokratisierung der reichlich vorhandenen und erschwinglichen Energie ermöglichen", so Soltau.

Die weltraumgestützte Solarenergie könnte auch dazu beitragen, abgelegene arktische Städte und Dörfer mit Strom zu versorgen, in denen monatelang fast völlige Dunkelheit herrscht, und sie könnte Strom zur Unterstützung von Gemeinden liefern, die bei Klimakatastrophen oder Konflikten von Stromausfällen betroffen sind.

Die Herausforderungen

Zwischen Konzept und Kommerzialisierung klafft noch eine große Lücke.

Wir wissen, wie man einen Satelliten baut, und wir wissen, wie man eine Solaranlage baut", so Maheshwarappa von der UK Space Agency. "Was wir nicht wissen, ist, wie wir etwas so Großes im Weltraum bauen können.

Als Beispiel nennt sie den Burj Khalifa in Dubai, das höchste Gebäude der Welt mit einer Höhe von rund 830 Metern, also etwa 2.700 Fuß. "Die Strukturen, über die wir hier sprechen, sind doppelt so hoch", sagte Maheshwarappa gegenüber CNN. "Wir haben also noch nicht einmal etwas so Großes auf dem Boden gebaut, geschweige denn im Weltraum.

Die Wissenschaftler müssen auch herausfinden, wie sie KI und Robotik einsetzen können, um diese Strukturen im Weltraum zu bauen und zu warten. "Die zugrundeliegenden Technologien befinden sich noch in einem sehr niedrigen technologischen Stadium", so Maheshwarappa.

Außerdem muss dieses neue Energiesystem reguliert werden, um sicherzustellen, dass die Satelliten nachhaltig gebaut werden, kein Trümmerrisiko besteht und sie einen Plan für das Ende ihrer Lebensdauer haben, und um festzulegen, wo die Rectenna-Standorte liegen sollten.

Ein weiteres großes Hindernis könnte die öffentliche Akzeptanz sein, so Maheshwarappa. Es gibt eine instinktive Angst, wenn es darum geht, Energie aus dem Weltraum zu beamen.

Doch diese Befürchtungen sind nach Ansicht einiger Experten unbegründet. Die Energiedichte im Zentrum der Rectenna würde etwa ein Viertel der Mittagssonne betragen. "Das ist nicht anders, als wenn man sich vor eine Wärmelampe stellt", so Hajimiri.

Und um einen Satelliten zu bauen, der Menschen Schaden zufügen könnte, müsste er um ein Vielfaches größer sein als die Konzepte, die derzeit entwickelt werden, so Hajimiri. "Jeder, der mit dem Bau eines solchen Satelliten beginnt, wird von allen anderen erkannt.

Das bedeute nicht, dass keine Fragen gestellt werden sollten, sagte er. Die Idee ist, "der Menschheit zu nützen, und wenn das nicht der Fall ist, hat es keinen Sinn".

Die Energie würde drahtlos in Form von Mikrowellen an spezielle Empfangsstationen auf der Erde, so genannte

Einige halten jedoch das gesamte Konzept der weltraumgestützten Solarenergie für unangebracht.

Amory Lovins, ein Physiker und außerordentlicher Professor an der Stanford University, sagte, die Welt wäre besser beraten, sich auf erneuerbare Energien an Land zu konzentrieren. Die zusätzliche Energie im Weltraum und die Möglichkeit, sie fast 24 Stunden am Tag zu ernten, "ist nicht wertvoll genug, um die Kosten für das Sammeln und Herunterbeamen der Energie zu decken", sagte er gegenüber CNN.

Für Lovins halten die Versprechungen, dass das System eine großartige Quelle für Grundlaststrom sein würde, ebenfalls nicht stand. Es gibt Techniken, mit denen man die Energienachfrage an das Angebot anpassen kann und nicht umgekehrt, ohne dass die Verbraucher es überhaupt bemerken. Eine riesige Energiequelle, die ständig produziert, ist "unerwünscht unflexibel", sagte er.

"Warum sollte man Geld für etwas ausgeben, das im Erfolgsfall keine Chance hat, dessen Bedarf bereits gedeckt ist, bevor man es bauen konnte, und dessen optimistischste Kostenschätzungen für die Zukunft dem aktuellen Preis für terrestrische Solarenergie plus Batterien entsprechen", fragte er.

Die Zukunft

Regierungen und Unternehmen auf der ganzen Welt sind jedoch davon überzeugt, dass die weltraumgestützte Solarenergie vielversprechend ist, um die wachsende Nachfrage nach reichlich sauberer Energie zu decken und die Klimakrise zu bewältigen.

Ein Entwicklungsprogramm, das den Nachweis des Konzepts erbringen kann, ist laut Soltau noch etwa fünf oder sechs Jahre entfernt. Danach wird es weitere fünf oder sechs Jahre dauern, bis das System im Gigawatt-Maßstab industrialisiert und skaliert ist und voll einsatzfähig ist.

Eine starke Unterstützung durch die Regierung wird entscheidend sein, sagte er. "Es ist ein ehrgeiziges Vorhaben, eine völlig neue Energietechnologie zu entwickeln.

In den USA plant das Air Force Research Laboratory den Start eines kleinen Demonstrators namens Arachne im Jahr 2025, und das US Naval Research Laboratory hat im Mai 2020 ein Modul an Bord eines orbitalen Testfahrzeugs gestartet, um Solaranlagen unter Weltraumbedingungen zu testen.

Die China Academy of Space Technology, ein Konstrukteur und Hersteller von Raumfahrzeugen, will einem Bericht der South China Morning News aus dem Jahr 2022 zufolge 2028 einen Solarsatelliten in eine niedrige Umlaufbahn und 2030 in eine hohe Umlaufbahn bringen.

Bohrungen für weißen Wasserstoff durch Natural Hydrogen Energy im Mittleren Westen der USA.

Die britische Regierung ist sehr aktiv geworden. Sie gab eine unabhängige Studie in Auftrag, in der 2021 festgestellt wurde, dass die weltraumgestützte Solarenergie technisch machbar ist, und verwies auf Entwürfe wie den unter britischer Leitung stehenden CASSIOPeiA, einen Satelliten mit einem Durchmesser von 1,7 Kilometern, der 2 Gigawatt Leistung liefern soll. Im Juni dieses Jahres kündigte die Regierung an, Universitäten und Technologieunternehmen mit fast 5,5 Millionen Dollar zu unterstützen, um Innovationen im Bereich der weltraumgestützten Solarenergie voranzutreiben.

Und in Europa gibt es das Solaris-Programm, das die technische und politische Realisierbarkeit der weltraumgestützten Solarenergie untersuchen soll, um eine mögliche Entscheidung über den Start eines umfassenden Entwicklungsprogramms im Jahr 2025 vorzubereiten.

"Bevor man etwas baut, ist natürlich alles Spekulation", so Garretson, "aber es gibt gute Gründe zu glauben, dass dies tatsächlich wirtschaftlich möglich und machbar sein könnte.

Zurück in Kalifornien haben Hajimiri und sein Team die letzten sechs Monate damit verbracht, ihren Prototyp einem Belastungstest zu unterziehen, um Daten zu gewinnen, die in die nächste Generation des Designs einfließen.

Hajimiris ultimative Vision ist eine Reihe von leichten, flexiblen Segeln, die aufgerollt, gestartet und im Weltraum entfaltet werden können, wobei Milliarden von Elementen in perfekter Synchronisation arbeiten, um Energie dorthin zu schicken, wo sie benötigt wird.

Er sieht ihr Projekt als "Teil einer langen Kette von Menschen, die auf der Arbeit der anderen aufbauen und sich gegenseitig helfen", sagte er. "Wir machen also vielleicht einen wichtigen Schritt, aber es ist nicht der letzte Schritt".