Wie können beim Bau von Weltraum-Solarkraftwerken die Grenzen der Stromanwendung durchbrochen werden?

Was ist ein Weltraum-Solarkraftwerk? Warum ein Solarkraftwerk im Weltraum bauen? Wie baut man ein Weltraum-Solarkraftwerk?

Die Aussichten sind sehr rosig

Derzeit erfreut sich die Nutzung von Solarenergie zur Stromerzeugung auf dem Boden großer Beliebtheit. Dabei werden hauptsächlich Solarmodule verwendet, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Nun wollen Wissenschaftler Solarkraftwerke im Weltraum bauen. Tatsächlich ist die Nutzung von Solarenergie zur Stromerzeugung im Weltraum nichts Neues, denn die meisten der aktuellen künstlichen Erdsatelliten, bemannten Raumfahrzeuge und Raumsonden sind mit großen und kleinen Solarmodulen ausgestattet, darunter auch die Mondsonde Chang'e-4, die gerade auf der Rückseite des Mondes gelandet ist. Allerdings ist der von den Solarmodulen dieser Raumfahrzeuge erzeugte Strom für den Eigenbedarf der Raumfahrzeuge bestimmt, während der von den Solarkraftwerken, die die Wissenschaftler im Weltraum errichten wollen, erzeugte Strom hauptsächlich von Tausenden von Haushalten auf der Erde genutzt wird und so der Menschheit enorme Mengen sauberer Energie liefert.

Konzeptbild eines turmartigen Weltraum-Solarkraftwerks, das aus einer großen Anzahl von Solarzellenfeldern besteht

Erneuerbare und saubere Energie ist die wichtigste materielle Grundlage für das Überleben und die nachhaltige Entwicklung der menschlichen Gesellschaft. Neue Energiequellen wie bodengestützte Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Kernenergie, Meeresenergie, Geothermie und Bioenergie sind jedoch allesamt mit Problemen behaftet, wie etwa einer begrenzten Gesamtmenge und Instabilität, und es ist für sie schwierig, die herkömmliche fossile Energie in großem Maßstab zu ersetzen.

Die Sonne ist das unerschöpfliche Kernenergiesystem der Erde und des gesamten Sonnensystems, doch ihr Nutzungsgrad auf der Erde ist nicht hoch. Dies liegt daran, dass die Nutzung der Sonnenenergie auf der Erde durch die Absorption und Streuung der Atmosphäre, Wolken und Regen sowie den Wechsel der Jahreszeiten und von Tag und Nacht stark abgeschwächt wird. Auch die Energiedichte schwankt stark und ist sehr instabil.

Allerdings ist Sonnenenergie im Weltraum reichlich vorhanden. Da das Sonnenlicht beispielsweise in einer geosynchronen Umlaufbahn nicht durch die Atmosphäre geschwächt wird und die Schattenperiode sehr kurz ist, ist seine Intensität mehr als sechsmal so hoch wie auf der Erde, und es ist möglich, eine Punkt-zu-Punkt-Energieübertragung vom Weltraum zur Erde zu erreichen. Daher kann der Bau von Solarkraftwerken im Weltraum die Sonnenenergie in dieser Umlaufbahn effektiv nutzen und die Menschheit mit hochwertiger, großer und unerschöpflicher sauberer Energie versorgen.

Kabelgebundene Solarkraftwerkslösung

Im Vergleich zur Wind- und Wasserkraft sind Weltraum-Solarkraftwerke nicht von natürlichen Faktoren wie Wetter und regionaler Breitengrad abhängig. Sie können Sonnenenergie in großem Maßstab sammeln, umwandeln und nutzen und ihre Stromerzeugung ist mit der von Kernkraftwerken am Boden vergleichbar. Darüber hinaus wird die elektrische Energie drahtlos übertragen, sodass abgelegene Gebiete, Katastrophengebiete und wichtige Einrichtungen gezielt oder mobil mit Strom versorgt werden können. Seine erweiterte drahtlose Energieübertragung, drahtlose Kommunikation und andere damit verbundene Technologien können im militärischen und zivilen Bereich umfassend eingesetzt werden. Berichten zufolge wird ein Solarkraftwerk, das in eine geosynchrone Umlaufbahn in 36.000 Kilometern Entfernung von der Erde gebracht wird, 35-mal energieeffizienter sein als ein bodengestütztes Photovoltaikkraftwerk.

Die Entwicklung von Weltraum-Solarkraftwerken kann eine kommerzielle, groß angelegte Stromversorgung der Erde ermöglichen und den langfristigen Bedarf der Menschheit an stabiler erneuerbarer Energie decken. Gleichzeitig bieten Weltraum-Solarkraftwerke wichtige Anwendungsmöglichkeiten bei der Stromversorgung entlegener Gebiete auf der Erde, der Notstromversorgung, der Stromversorgung von Raumfahrzeugen und der Umweltregulierung. Gleichzeitig wird mit der Entwicklung von Weltraum-Solarkraftwerken auch der Grundstein für die langfristige Entwicklung von Mond-Solarkraftwerken gelegt.

Wenn wir die Technologie zur Erzeugung von Solarstrom aus dem Weltraum beherrschen, können wir die Energiekrise der Menschheit schrittweise lösen und uns eine unerschöpfliche Versorgung mit nachhaltiger und sauberer Energie sichern. Daher werden Weltraum-Solarkraftwerke als „die große Revolution im Energiebereich“ bezeichnet und Experten aus China, den Vereinigten Staaten, Japan und anderen Ländern betreiben aktiv entsprechende Forschung.

Einer der Pläne Japans für ein Weltraum-Solarkraftwerk

Drei Hauptkomponenten

Bei einem Weltraum-Solarkraftwerk handelt es sich um ein Stromsystem, das im Weltraum Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt und diese dann per drahtloser Energieübertragung zur Erde überträgt. Es ist ein wichtiges Mittel zur Entwicklung und Nutzung von Weltraumressourcen und besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Anlagen zur Erzeugung von Solarstrom, Anlagen zur Energieumwandlung und -übertragung sowie Anlagen zum Empfangen und Umwandeln am Boden.

Schematische Darstellung des Aufbaus des Weltraum-Solarkraftwerksystems

Geräte zur Erzeugung von Solarstrom wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie um. Energieumwandlungsgeräte wandeln elektrische Energie in Mikrowellen oder Laser um (Laser können auch direkt aus Sonnenenergie umgewandelt werden) und verwenden Sendegeräte, um Strahlen zur Erde zu senden; Bodenempfangssysteme empfangen aus dem Weltraum gesendete Strahlen, wandeln sie über Umwandlungsgeräte in elektrische Energie um und verbinden sie mit dem Stromnetz. Der gesamte Prozess wird den Energieumwandlungsprozess von Solarenergie-elektrischer Energie-Mikrowellen-(Laser-)elektrischer Energie oder Solarenergie-Laser-elektrischer Energie durchlaufen.

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass die ideale Umlaufbahn für ein Weltraum-Solarkraftwerk eine geosynchrone Umlaufbahn in 36.000 Kilometern Höhe über der Erde sein sollte. Die geosynchrone Umlaufbahn ist relativ zum Boden stationär und relativ nah an der Erde. Es kann 99 % der Zeit stabil Sonnenstrahlung empfangen und Energie stabil an feste Bereiche auf dem Boden übertragen. Die Steuerung und Übertragung elektrischer Energie ist relativ einfach und kann jederzeit erfolgen.

Bei Weltraum-Solarkraftwerken gibt es technisch keine größeren Probleme. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Effizienz der Solarstromerzeugung, der Mikrowellenumwandlungseffizienz und den damit verbundenen Luft- und Raumfahrttechnologien erzielt, wodurch eine gute Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Solarkraftwerke im Weltraum geschaffen wurde. Da es sich bei Weltraum-Solarkraftwerken jedoch um sehr große Weltraumsysteme handelt, sind systematische Forschung und Durchbrüche in vielen technischen Aspekten erforderlich. Um beispielsweise die Standards für industrielle Anwendungen zu erfüllen, wird der Stromerzeugungsbedarf sehr hoch sein, mindestens im Megawattbereich, und die Größe der Solarmodule muss möglicherweise in Quadratkilometern gemessen werden.

Derzeit sind Weltraum-Solarkraftwerke der direkteste, effektivste und praktikabelste Weg, den Weltraumwirtschaftskreislauf zwischen Erde und Mond zu entwickeln, und sie sind viel einfacher als die Entwicklung von Helium-3 auf dem Mond.

Mehrere typische Lösungen

Weltraum-Solarkraftwerke müssen drei Hauptprobleme lösen: Erstens, wie können Stromerzeugungsanlagen in die geosynchrone Umlaufbahn transportiert und für die Stromerzeugung mit großen Trägerraketen zusammengebaut werden? zweitens, wie man elektrische Energie zur Erde überträgt; und drittens, wie die Sicherheit des Gerätebetriebs und der Umwelt gewährleistet werden kann. Derzeit befinden sich diese drei Themen noch in der grundlegenden Explorationsphase.

Derzeit haben Experten aus einigen Ländern eine Vielzahl von Plänen für Weltraum-Solarkraftwerke vorgeschlagen, von denen jeder seine eigenen Vorteile hat und einen hohen Referenzwert für die zukünftige Gestaltung praktischer Weltraum-Solarkraftwerke hat. Zum Beispiel: Integriertes symmetrisches Fokussiersystemdesign. Bei diesem System werden auf beiden Seiten des Mastes große, muschelförmige Konzentratoren verwendet, um die Sonnenenergie auf zwei zentral angeordnete Photovoltaikanlagen zu reflektieren. Der Konzentrator ist der Sonne zugewandt und der Mast, das Batteriefeld und das Sendefeld sind als Ganzes zum Boden hin gedreht. Der Konzentrator und der Mast drehen sich relativ zueinander, um tägliche Umlaufbahn- und saisonale Änderungen aufrechtzuerhalten.

Konzeptbild eines Weltraum-Solarkraftwerks mit integriertem symmetrischen Konzentrationssystem

Beliebige Phased-Array-Designlösungen. Die Kernidee dieser Lösung ist weiterhin ein konzentriertes Weltraum-Solarkraftwerk. Wichtig ist, dass es ein modulares Designkonzept verfolgt und auf innovative Weise das Konzept eines steuerungsfreien Konzentrationssystems vorschlägt (die Wirksamkeit dieses Konzentrationssystems muss noch weiter analysiert werden), wodurch der Druck auf das Steuerungssystem erheblich reduziert wird. Die Masse der gesamten Anlage beträgt etwa 10.000 bis 12.000 Tonnen.

Beliebiges Phased-Array-Weltraumkraftwerk

Eine weitere wichtige Richtung für die Entwicklung des Konzepts eines Weltraum-Solarkraftwerks ist die Entwicklung eines Laser-Weltraum-Solarkraftwerks. Dabei werden Solarkonzentratoren (wie Parabeln) oder Linsen (wie Fresnel-Linsen) verwendet, um das Sonnenlicht mit einem hohen Konzentrationsverhältnis zu fokussieren. Das konzentrierte Sonnenlicht wird an den Lasergenerator gesendet, der mithilfe der Methode des direkten Pumpens Laserlicht erzeugt. Der Laser wird aufgeweitet und zur Erde übertragen, wo er empfangen und mit speziellen Photovoltaikzellen in Strom umgewandelt oder direkt zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann.

Das größte Objekt, das bisher von Menschen in den Weltraum gebracht wurde, die Internationale Raumstation, wiegt mehr als 400 Tonnen, während ein industrielles Solarkraftwerk Tausende von Tonnen auf die Waage bringt. Es ist fast unmöglich, ein Weltraum-Solarkraftwerk durch einen Start vom Boden aus zu bauen. Einige Experten meinen daher, dass die wichtigste Komponente der Solarstromerzeugung das Solarmodul sei, dessen Rohstoff Siliziumdioxid sei, eine unerschöpfliche Ressource, die überall auf dem Mond zu finden sei. An den Mondpolen und auf Asteroiden im cislunaren Raum gibt es Wasser, das in Sauerstoff und Wasserstoff elektrolysiert und als Treibstoff für Raumfahrzeuge verwendet werden kann. Die Kombination dieser beiden Bedingungen ermöglicht den Bau von Solarkraftwerken im cislunaren Raum.

Einige Experten in unserem Land haben vorgeschlagen, die Baumaterialien für Weltraum-Solarkraftwerke direkt in den Weltraum zu schicken, eine „Weltraumfabrik“ im Weltraum zu errichten, die benötigten Komponenten mithilfe der 3D-Technologie auszudrucken und sie dann mithilfe von Weltraumrobotern zusammenzusetzen. Dies ist eine der aktuellen Forschungsrichtungen.

Große Herausforderungen

Weltraum-Solarkraftwerke haben gewaltige Ausmaße: Sie haben eine Masse von bis zu 10.000 Tonnen, eine Größe von 1.000 Metern, eine Stromerzeugungskapazität von mehreren Megawatt und eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren. Sie stellen daher große technische Herausforderungen an neue Transportarten, neue Materialien, hocheffiziente Energieumwandlungsgeräte, Strukturen und Steuerungstechnologien für ultragroße Raumfahrzeuge sowie Montage- und Wartungstechnologien im Orbit.

Die Kosten sind der Hauptfaktor, der die Entwicklung von Solarkraftwerken im Weltraum einschränkt. Skalierung und Industrialisierung stellen enorme Herausforderungen für die bestehenden Produktions- und Startkapazitäten von Raumfahrzeugen dar und erfordern grundlegende Änderungen im bestehenden Produktionssystem der Luft- und Raumfahrtindustrie. Auch die langfristige Betriebssicherheit ist ein Thema, dem besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. Obwohl Weltraum-Solarkraftwerke über eine große Leistung verfügen, ist die Energiedichte der eigentlichen Empfangsantenne bei der Energieübertragung im Mikrowellenmodus aufgrund der großen Entfernung und der Eigenschaften der Mikrowellenübertragung gering. Obwohl die Strahldichte begrenzt wurde, um die Sicherheitsanforderungen aus Sicht des Systemdesigns zu erfüllen, müssen die Auswirkungen langfristiger Mikrowellenstrahlung auf Ökologie, Atmosphäre, Organismen usw. noch langfristig erforscht werden.

Kernthema bei der Entwicklung von Weltraum-Solarkraftwerken ist die Reduzierung der Anlagenfläche. Seine Fläche wird im Wesentlichen durch zwei Teile bestimmt. Einer davon ist der Bereich des Solarstromerzeugungsteils, also der Bereich des Solarzellenarrays oder der Konzentratorbereich. Unabhängig davon, ob eine Konzentration verwendet wird oder nicht, ist die Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz von Solarzellen die wirksamste Maßnahme zur Reduzierung des Bereichs der Solarstromerzeugung. Der zweite ist der Bereich der Mikrowellen-Sendeantenne. Bei der ausgewählten Umlaufbahn und Mikrowellenfrequenz ist die Fläche der Mikrowellensendeantenne umgekehrt proportional zur Bodenempfangsfläche, und die Fläche der Sendeantenne muss optimiert werden.

Konzentrierte Raum-Solarkraftwerk-Lösung

Darüber hinaus ist es auch wichtig, die Qualität des Systems zu reduzieren, das Volumen des Systems zu verringern und die technischen und sicherheitstechnischen Aspekte des Übertragungskanals zu berücksichtigen.

Chinas Fahrplan für den Bau eines Weltraum-Solarkraftwerks

China legt großen Wert auf die Entwicklung von Weltraum-Solarkraftwerken.

Im Jahr 2008 hat mein Land die Forschung und Entwicklung von Weltraum-Solarkraftwerken in den nationalen vorläufigen Forschungsplan aufgenommen. Seit dem 12. Fünfjahresplan wird das inländische Forschungsteam, das sich mit der Entwicklung von Solarkraftwerken im Weltraum beschäftigt, schrittweise erweitert. Die Staatliche Verwaltung für Wissenschaft, Technologie und Industrie zur Landesverteidigung hat die umfassende und zentrale Technologieforschung im Zusammenhang mit Weltraum-Solarkraftwerken unterstützt. Derzeit wurden bestimmte Ergebnisse in der Gesamtplanung, im Gesamtkonzept, in der Technologie zur drahtlosen Mikrowellen-Energieübertragung usw. erzielt. Gleichzeitig wurde auch die Entwicklung großflächiger Weltraumstrukturen und der Technologie zur Erzeugung von Dünnschicht-Solarstrom im Weltraum vorangetrieben.

Das Forschungsteam des Qian Xuesen Space Technology Laboratory der China Academy of Space Technology verglich verschiedene Weltraumkraftwerkskonzepte im In- und Ausland, konzentrierte sich auf die nichtkonzentrierenden und quadratisch symmetrischen konzentrierenden Weltraum-Solarkraftwerke und schlug ein innovatives Konzept für ein multirotationales gemeinsames Weltraum-Solarkraftwerk (MR-SSPS) vor. Diese Lösung zerlegt das Solarzellenfeld in mehrere Zellunterfelder und wandelt die einzelne leitende Drehverbindung des herkömmlichen nicht konzentrierenden Solarkraftwerks in mehrere kleinere leitende Drehverbindungen um. Es löst nicht nur die technischen Probleme von extrem stromführenden Drehgelenken und Einzelpunktfehlern, sondern erleichtert auch die Montage und den Aufbau des Systems. Dieser Vorschlag wurde von führenden internationalen Experten auf diesem Gebiet anerkannt und gewann den ersten Platz beim World Solar Satellite Design Competition 2015.

Auch bei Schlüsseltechnologien wie der drahtlosen Energieübertragung hat mein Land erhebliche Fortschritte gemacht. Zur drahtlosen Energieübertragung gibt es zwei Methoden: Mikrowelle und Laser. Der aktuelle Forschungsschwerpunkt liegt auf Mikrowellenmethoden. Zu den wichtigsten Forschungsrichtungen zählen: Verbesserung der Effizienz, Lebensdauer und des Leistungsgewichtsverhältnisses von Mikrowellenquellen, Optimierung der Leistungsverteilung auf Antennen mit großer Apertur, um eine effiziente Mikrowellenleistungssynthese zu erreichen, Berücksichtigung des Einflusses von Faktoren wie der Konfiguration der gesamten Struktur und der Echtzeit-Form und -Position auf die Strahlausrichtung bei der hochpräzisen Strahlsteuerung sowie Entwicklung integrierter ultraleichter Antennenmodule aus der Perspektive der elektromechanischen und thermischen Integration.

Das Weltraum-Solarkraftwerk ist ein Großprojekt, das viele wichtige technische Bereiche wie Raumtransport, Lageregelung, Mikrowellentechnologie, Energieübertragung usw. umfasst. Jede Schlüsseltechnologie erfordert einen effektiven, sicheren und zuverlässigen Simulationsverifizierungsplan. Die experimentelle Basis wird bei der Simulationsverifizierung und -demonstration eine Rolle spielen.

Derzeit hat mein Land bei der Erforschung von Weltraum-Solarkraftwerken den Übergang vom „Mitläufertum“ zum „Mitläufertum“ vollzogen und ist zu einer wichtigen Kraft bei der Förderung der Entwicklung von Weltraum-Solarkraftwerken auf internationaler Ebene geworden. Chinesische Experten haben einen technischen Fahrplan für die Verwirklichung des chinesischen Ziels eines Weltraum-Solarkraftwerks vorgeschlagen: Nach 2030 soll ein experimentelles Weltraum-Solarkraftwerk der Megawatt-Klasse und nach 2050 ein kommerzielles Weltraum-Solarkraftwerk der Gigawatt-Klasse gebaut werden.