Sonnenstrom aus dem All

Die Sonne liefert der Erde weit mehr Energie, als die Menschheit benötigt. Allerdings erreicht ihr Licht den Boden nicht immer und überall: Nachts fällt die Photovoltaik vollständig aus, Wolken schwächen ihre Leistung, und in Ländern wie der Schweiz produziert sie im Winter vergleichsweise wenig Strom. Warum also die Sonnenenergie nicht dort ernten, wo weder Wolken noch der Wechsel von Tag und Nacht stören – im Weltraum?

Die Idee solcher weltraumgestützten Solarkraftwerke, im Englischen «Space-Based Solar Power» (SBSP) genannt, ist ungefähr ein halbes Jahrhundert alt. Vereinfacht gesagt würden riesige Solaranlagen im Orbit Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln. Dieser würde anschliessend in Mikrowellen umgewandelt, gebündelt zur Erde geschickt und dort von Empfangsantennen wieder in nutzbaren Strom verwandelt.

«Der wichtigste Vorteil wäre die fast ununterbrochene Energieproduktion», sagt Christophe Ballif, Professor an der EPFL und Gründer der Photovoltaikaktivitäten des Forschungszentrums CSEM in Neuenburg. Solche Anlagen würden gemäss den meisten Konzepten in rund 36’000 Kilometern Höhe um die Erde kreisen. Dort bleiben sie stets über demselben Punkt der Erdoberfläche und befinden sich fast ununterbrochen im Sonnenlicht. Nur zu bestimmten Zeiten geraten sie kurz in den Erdschatten. Zudem ist die Sonnenintensität in einer solchen Höhe um 36 Prozent höher als auf der Erde – und Wolken gibt es keine.

Bessere und günstigere Solarzellen 

Sämtliche grossen Weltraumagenturen haben heute das Thema SBSP auf dem Radar und verfügen über erste Konzepte. Denn viele Technologien, die für solche Weltallkraftwerke nötig wären, sind weit entwickelt. Satelliten und Raumfahrzeuge etwa werden seit Jahrzehnten von Solarpaneelen mit Strom versorgt. Momentan kommen dafür vor allem Mehrfachsolarzellen aus sogenannten III-V-Halbleitern zum Einsatz. Mehrere übereinanderliegende Halbleiterschichten nutzen jeweils unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts und erreichen dadurch Wirkungsgrade von mehr als 30 Prozent. 

Für grosse Solarkraftwerke wären solche Zellen jedoch kaum geeignet, sagt Ballif. Sie seien etwa tausendmal teurer als terrestrische Solarzellen auf Siliziumbasis; zudem stehen dafür benötigte Elemente wie Gallium und Germanium nicht unbegrenzt zur Verfügung. Deshalb wächst das Interesse an günstigeren Alternativen – etwa Siliziumzellen, die aber einen tieferen Wirkungsgrad haben und empfindlich sind gegenüber der Strahlung im All. Laut Ballif gibt es aber Optionen, um die Widerstandsfähigkeit solcher Zellen zu verbessern. «Zum Beispiel durch dünnere Wafer oder durch Schichten, aus denen Wasserstoff in die Solarzelle wandert und dort strahlungsbedingte Defekte teilweise heilt.»

Ballifs Team ist auf die Entwicklung ultradünner, ultraleichter Solarzellen mit hoher Leistung spezialisiert. So publizierten die Forschenden kürzlich eine Perowskit-Perowskit-Silizium-Dreifachzelle mit einem Wirkungsgrad von 30 Prozent. «Das eröffnet die Möglichkeit, die Leistung von III-V-Zellen zu erreichen – jedoch zu Kosten herkömmlicher terrestrischer Solarzellen», sagt Ballif. Gemeinsam mit dem Start-up HelioW Space untersucht das CSEM das Potenzial von Perowskit-Zellen für Weltraumanwendungen.

Dutzende Raketenstarts nötig

Eine leistungsfähige Solarzelle allein ergibt allerdings noch kein Weltraumkraftwerk. Zumal solche Anlagen dereinst eine Leistung erzeugen sollen, die mit einem Schweizer Kernkraftwerk vergleichbar ist. Dafür rechne man mit einer Solarfläche von mehreren Quadratkilometern und einem Gewicht von Tausenden Tonnen, sagt Arthur Woods, Gründer des Schweizer Unternehmens Astrostrom und ein langjähriger Befürworter weltraumgestützter Solarenergie. Sie müssten in Einzelteilen gestartet, im Orbit zusammengesetzt, ausgerichtet und während Jahrzehnten gewartet werden. Hinzu kämen Sender, Leistungselektronik und auf der Erde wäre eine sogenannte Rectenna nötig: ein bis zu 30 Quadratkilometer grosses Feld aus Antennen, welche die Mikrowellen auffangen und in Gleichstrom umwandeln. 

Woods sieht in der Logistik die grösste Hürde. «Die Technologien für SBSP existieren grundsätzlich», sagt er. «Die grosse Herausforderung ist es, derart grosse Strukturen ins All zu bringen und zusammenzubauen.» Ein Weltraumkraftwerk könnte Dutzende bis über hundert Starts einer sehr grossen Trägerrakete erfordern. Ob je so viel Startkapazitäten verfügbar und die Transportpreise so günstig werden, dass sich dieser Aufwand auszahlt, ist offen.

Auch für die Energieübertragung auf die Erde gibt es bislang keine Machbarkeitsdemonstration. Mikrowellen gelten als bevorzugte Lösung, weil sie Wolken und die Atmosphäre relativ gut durchdringen. Doch die Umwandlungskette geht mit erheblichen Leistungsverlusten einher: Woods rechnet damit, dass von einer Anlage, die Solarleistung in der Grössenordnung von sieben Gigawatt einfängt, ungefähr ein Gigawatt als Strom auf der Erde ankäme.

Hürden und Möglichkeiten

Trotzdem ist er überzeugt, dass weltraumgestützte Solarenergie langfristig einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten könnte. Mit Astrostrom verfolgt er sogar ein Konzept, das wie Science-Fiction klingt: Langfristig, so die Idee, sollen Teile der Solarkraftwerke aus Rohstoffen des Mondes produziert werden. Weil der Mond nur etwa ein Sechstel der irdischen Schwerkraft besitzt, wäre es weniger aufwendig, Bauteile von dort in den Weltraum zu transportieren als von der Erde. Zwar sieht Woods’ Businessplan vor, ein solches System bis ins Jahr 2045 umzusetzen. Doch ihm ist klar, dass dazu enorme Investitionen und Entwicklungen nötig wären. 

Auch Christophe Ballif sieht grosse Hürden für die futuristischen Weltraum-Solarkraftwerke. «Leichte, widerstandsfähige Solaranlagen, eine effiziente Übertragung zur Erde sowie Lebensdauer und Kosten des Gesamtsystems werden gewaltige Herausforderungen sein», sagt er. Zudem warnt er, sich auf solche noch völlig unsicheren Technologien zu verlassen: «Wir müssen zuerst auf der Erde in günstige Solarenergie, Windkraft und Batterien investieren, um unser Energiesystem zu dekarbonisieren.» Das schliesse zusätzliche Forschung an Ansätzen wie SBSP nicht aus – aber weltraumgestützte Solarenergie dürfe terrestrische Massnahmen keinesfalls ersetzen.

Trotzdem könnten sich für die Schweiz interessante Möglichkeiten eröffnen: Denn für die nächsten Jahre planen Weltraumorganisationen, aber auch Start-ups erste Demonstrationen, um Energie im All zu erzeugen und kontrolliert zur Erde zu übertragen. Schweizer Hochschulen und Technikunternehmen könnten mit ihren Kompetenzen in Robotik, Hochleistungselektronik oder Präzisionsmechanik wichtige Puzzlesteine für solche Vorhaben liefern.

Und wer weiss, sagt Arthur Woods, falls die Machbarkeit und die Wirtschaftlichkeit von SBSP in Sichtweite rücken, könnte ein Zusammenspiel von Logistik, Finanzierung und politischem Willen plötzlich für den nötigen Schub sorgen.