Perspektiven der SBSP-Forschung

Inhalt

1. Einleitung

2. Energiepolitik
2. Weltraumsolarenergie
2.1 Basisbetrachtung
2.2.1 Folienspiegel
2.2.2 Photovoltaik
2.2.3 Solarthermie
2.3 Vertiefung

3. Projekte
3.1 ESA
3.2 NASA
3.3 JAXA
3.4 Private Unternehmen
3.5 Andere Nationen

4. Herausforderungen
4.1 Umweltpolitik
4.2 Regulierungspolitik

5. Schlussbetrachtung

8. Literaturverzeichnis

9. Selbstständigkeitserklärung

1. Einleitung

Da unsere Weltbevölkerung bis 2050 auf 8,9 Mrd. prognostiziert wird¹ und unser Energiebedarf bis 2030 um 44 % steigen soll², ist es unausweichlich sich mit der Frage zu beschäftigen, wie dieser Mehrverbrauch kompensiert werden kann. Diese Belegarbeit wird sich mit Weltraumsolarkraftwerken auseinandersetzen, welche ich bereits in meinem Vortrag, für „Europäische Weltraumpolitik bis 2050“ ansprach.

Das Advanced Concept Team (ACT) führt unter der ESA ein akademisches Netzwerk mit verschiedenen Hochschulen, zum Austausch von Informationen und zur internationalen Zusammenarbeit. Die europäische Weltraumagentur schreibt dazu verschiedenste Themen zur aktuellen und zukünftigen Forschungen aus, worauf sich die Hochschulen bewerben können³. Die Themengebiete sind mannigfaltig. Von künstlicher Intelligenz, über Robotik bis hin zu Energiesystemen ist alles vertreten⁴. Die Weltraumsolarkraft, bzw. SBSP (Solar Based Satellite Power) fällt dabei unter die Rubrik der zu erforschenden Energiesysteme der ESA. Auf dieses Projekt werde ich später tiefer eingehen.

2010 erschien in den Medien ein Artikel darüber, dass die japanische Weltraumagentur ein 15 Mrd. $ Projekt begann, um einen SBPS (Solar Based Power Satellite) in der geostationären Umlaufbahn, bis 2020 in Betrieb zu nehmen⁵. Im Vergleich zum Bau eines Kernkraftwerkes, erscheinen SBPS günstig. Denn die Kosten für die Installation eines Reaktors belaufen sich auf etwa 20 Mrd. €. Es gibt dabei jedoch zusätzlich einen nicht zu vernachlässigen öffentlichen Finanzierungsanteil von gescheiterten Projekten, wie dem WAA Wackersdorf, THTR Hamm-Uentrop oder dem AKW Mülheim-Kärlich. Die Kosten hierfür belaufen sich auf etwa neun Mrd. € zuzüglich Castortransporte mit einem Kostenanteil von drei Mrd. €⁶. Offenbar scheinen Weltraumsolarkraftwerke für die Erde kein Science Fiction zu sein, doch was verbirgt sich hinter dem System der SBPS, welche Vorteile hat es Solaranlagen im Weltall zu errichten, welche rechtlichen Aspekte müssen hierbei beachtet werden und mit welchen Gefahren muss durch den Bau eines SBPS gerechnet werden? Welchen Wirkungsgrad können Solaranlagen erreichen, wie stehen sie in Konkurrenz mit anderen Kraftwerken und sind sie wirtschaftlich rentabel?

Um diese Fragen zu beantworten werde ich im Folgenden einen Überblick über ausgewählte Optionen, zur Nutzung der Weltraumsolarenergie, aufzeigen und die verschiedenen Projekte der größten Weltraumagenturen erörtern. Abschließend werde ich die Herausforderungen, welche insbesondere bei einer strengen und undurchsichtigen Regulierungspolitik zu finden sind, aufzeigen. In der Schlussbetrachtung soll die entscheidende Frage beantwortet werden, ob die Weltraumpolitik, durch Weltraumsolarkraftwerke, in der Lage ist, das derzeitige Wohlstandsniveau, welches sich auf die Verfügbarkeit von Elektrizität stützt, zu halten.

2. Energiepolitik

Bevor man die Frage beantworten kann, warum die Solar Based Satellite Power benötigt wird, ist es nötig ein Verständnis für die Energiekrise zu gewinnen, denn unser Wohlstandsniveau basiert auf der enormen Verbrauch von Energie.

Den historischen Verbrauch unserer Energie können wir in fünf Phasen einteilen:

Die erste Phase beschreibt den Energieverbrauch vor dem 16. Jahrhundert. Er stützt sich lediglich auf die Verbrennung von Holz und ermöglichte die Entstehung der Landwirtschaft, das Kochen und den Werkzeugbau. Mit dem Abbau von Kohle im 16. Jahrhundert beginnt die zweite Phase. Sie ist zusammen mit der dritten Phase, ab dem 18. Jahrhundert, als das Erdöl und das Erdgas entdeckt wurden, für über 80 % unserer heutigen Energieerzeugung verantwortlich. Anzumerken ist, dass die Öl- und Gasvorkommen bereits in 40 und 60 Jahren ausgeschöpft sein sollen. Besonders in der dritten Phase wuchs die wirtschaftliche Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Die Ölkrise in den 70ern erinnert uns daran. Drastische Preisanstiege der Benzinpreise und tageweise Fahrverbote waren die Folge. Im Übrigen entstanden hier die ersten massiven Forschungen an Weltraumkraftwerken, worauf ich jedoch später zurückkommen werde. Durch die massiven Energieengpässe entstand im 20. Jahrhundert die Kern- und Wasserkraftenergie. Beide haben zwar keinen CO² Ausstoß, jedoch erhebliche Nachteile. So verschlingen Staudämme in den Schwellenländern, wie China oder Brasilien, mehrere Dörfer, Felder und Wälder mit ihrer Artenvielfalt. Die Kernenergie ist derartig komplex dass ein Fehlverständnis oder exogene Faktoren, wie Naturereignisse, katastrophale Folgen haben können, zudem sind laut Prognosen die Uranvorkommen in 50 Jahren erschöpft. Wir befinden uns in der letzten Phase, welche man als Phase des nachhaltigen Energieverbrauchs deklariert. Dabei wird besonders auf Solar- und Windenergie gesetzt.

Die USA ist eine führende Industrienation und hat daher einen der höchsten Energiebedürfnisse. Sie soll uns deshalb als Beispiel dienen. Die alternativen Energien wie Wind- und Solarenergie, sowie die Geothermie, Biomasse und auch Wasserkraft, werden dort lediglich zu 5% verwendet. Die verbleibenden 95 % bestehen aus fossilen Brennstoffen⁷. Alternative Energien, wie Wind und Gezeiten sind sehr kostspielig und oft instabil. Die Forschungen der Energiegewinnung aus Wasserstoff sind noch nicht abgeschlossen. Dieser ist hochexplosiv, wodurch es viele Risiken bei der Lagerung und beim Transport birgt. Flüssige Biomasse konkurriert hingegen mit unserer Nahrungsmittelproduktion und kann daher als kein Ersatz für eine drohende Energieknappheit gelten. Die Kohlevorkommen sollen noch für 400 Jahre reichen. Jedoch ist der CO² Ausstoß enorm. Um den momentanen CO² Ausstoß der jetzigen Fossilenergiegewinnung der USA zu ersetzen, wären 400 weitere Atomreaktoren notwendig. Die Kosten hierfür würden zwei Billionen $ betragen. Global wären sogar 8000 Kernreaktoren notwendig⁸.

Auch in China werden momentan 85% der 3,45 Mill. GW durch Kohlekraftwerke erzeugt. Öl, Kohle, und Erdgas sind in China in 15, 82 und 46 Jahren erschöpft.

Überall auf der Welt werden die Energieressourcen knapp, weshalb ein massiver Preisanstieg erwartet wird. Dieser Preisanstieg betrifft vor allem die Logistik und die Nebenkosten der Verbraucher. Die Komplementärgüter verursachen deshalb einen weiteren Preisanstieg auf alle betroffenen Branchen. Dem Wirtschaftskreislauf wird letztlich das Geld für Investitionen, Sparvorhaben und für den Konsum entzogen. Diese drei Faktoren reduzieren das Bruttoinlandsprodukt der Länder⁹. Einher geht mit der Reduzierung dessen eine drastische Herabstufung des Wohlfahrtsindexes¹⁰. Zudem versprach China die CO² Emissionen bis 2020 um 40 % zu reduzieren¹¹.

Es ist trivial, dass das aktuelle Wohlstandsniveau bis 2030 nicht gehalten werden kann, falls wir keine Alternativen finden, die drohenden Lücken in den Energieressourcen zu schließen. Aus diesem Grund beschloss auch China sich der SBSP zu widmen. An der Universität Sichuan und im Institut für Space Technology Research, finden bereits Forschungen zur drahtlosen Übertragung von Energie statt¹².

Weltraumsolarkraftwerke sind also Zukunftsoptionen für große Industrienationen und Schwellenländer, um die Energiekrise zu lösen. Doch wieso reichen uns terrestrische Kraftwerke nicht und welche Vorteile werden von der SBSP erwartet?

2. Weltraumsolarenergie

2.1 Basisbetrachtung

Im Zentrum unseres Sonnensystems befindet sich ein Fusionsreaktor, welcher 149 Mio. km von uns entfernt ist. Dieser produziert 3,8 Bill. Terrawatt pro Stunde Die Strahlen der Sonne brauchen von dort etwa acht Minuten zu uns. Pro Minute erhalten wir auf der Erde 8,82 Millionen Terrawatt. Das ist mehr als wir Menschen in einem ganzen Jahr benötigen würden. Global erzeugen wir Energien nur zu einem Prozent aus Solarenergie. Die Gründe hierfür sind die hohen Kosten der Photovoltaikzellen. Effizienter wäre ein Bau von Solarkraftwerken im Weltall, denn dort würden sie etwa 7-20 mal so viel Energie liefern, als auf der Erde¹³. Denn die Solarkonstante auf der Erde beträgt nur 1 kW/m², im Weltall dagegen 1,37 kW/m². Die Konstante ist höher da sie nicht durch die Erdatmosphäre gefiltert wird¹⁴. Im Weltall gibt es keine Wolken die die Leistung beeinflussen würden, außerdem wären sie 23 Stunden pro Tag verfügbar, da sie von keinem klassischen Tag-Nachtwechsel, wie die terrestrischen Solaranlagen, ausgesetzt sind. Eine Stunde pro Tag ist die Anlage nicht verfügbar, da sich in diesem Zeitraum die Erde zwischen Sonne und Kraftwerk befindet und es somit abschattet¹⁵. Erbaut werden kann ein Weltraumsolarkraftwerk, in dem man im All ein riesiges Netz aufspannt, auf denen sich Roboter bewegen können. Auf diesen kleinen Seilen könnten Roboter Bauteile platzieren und ausrichten. Es gibt dabei mehrere Arten, wie Solarenergie im Weltall genutzt und auf die Erde übertragen werden kann. Auf drei möchte ich im Folgenden näher eingehen:

2.2.1 Folienspiegel

Um das Problem zu beseitigen, dass terrestrische Photovoltaikanlagen nachts keine Sonnenstrahlen zur Energieerzeugung nutzen können, könnten gigantische Folienspiegel, welche man im Weltall errichten würde, in der Lage sein, das Sonnenlicht punktuell auf die nächtliche Seite der Erde um zu lenken. Diesen künstlichen Tageslichteffekt könnte für die energetische Ernährung von Pflanzen und für die Beschickung von Solarzellen genutzt werden. Die Idee stammt von Dr. Peter Glaser und wurde in den 1970ern entwickelt. Jedoch hat diese Technik viele Nachteile: Zu einem sind die reflektierten Sonnenstrahlen den Wetterverhältnissen auf der Erde ausgesetzt und zum anderen streuen die reflektierten Sonnenstrahlen auf einer Strecke von 35.800 km (GEO-Erdoberfläche). Um dem entgegen zu wirken und dennoch genügend Licht zu empfangen, wäre es nötig dass der Spiegel im All und auf der Erde einige hundert Kilometer groß wären¹⁶.

2.2.2 Photovoltaik

Wie es der Name vermuten lässt, findet bei dieser Art die Stromerzeugung direkt im Weltall, über der Solarzellenfläche, statt. Abgesehen vom Standort, ist das Prinzip analog zu terrestrischen Anlagen. Der gewonnene Strom muss jedoch über eine Wandlereinheit auf die Erde übertragen werden. Zur Übertragung eignet sich Strahlungsenergie, wie Laserlicht oder Mikrowellen, da diese in der Lage sind die Erdatmosphäre zu durchdringen. Beide Varianten sind bereits technisch erprobt, so dass Sender und Empfänger technologisch zur Verfügung stünden. Einer Photovoltaikanlage wird eine hohe Zuverlässigkeit nachgesagt, da sich in ihr keine beweglichen Teile befinden, die zu einem Verschleiß oder Ausfall führen könnten. Der Wirkungsgrad würde, je nach Art, zwischen 10 und 40% sein.

2.2.3 Solarthermie

Eine große Spiegelfläche würde hier das Licht auf einen Reciever im Weltall bündeln, wobei hier die Wärme der Sonne als primäre Energiequelle dient. Dort würde ein analoges Verfahren zu einem terrestrischen Turmsolarkraftwerk erfolgen. Durch die Bündelung sind Temperaturen über 1000°C möglich. Eine Turbine besitzt jedoch bewegliche Teile und unterliegt somit dem mechanischen Verschleiß. Reparaturarbeiten im Weltall sind jedoch sehr aufwendig, gefährlich und kostenintensiv. Der Wirkungsgrad beträge etwa 40-50% und wäre somit etwas höher als bei der klassischen Photovoltaikanlage. Der Energietransfer vom Weltraumkraftwerk zur Erde würde auf die gleiche Weise erfolgen, wie bei Photovoltaik- anlagen.

2.3 Vertiefung

Entscheidend für die Abwägung einer solchen Anlagetechnik, ist nicht nicht der Wirkungsgrad der Anlage, sondern auch verschiedene andere Variablen. Zu einem der Aufwand um die benötigten Materialien in den Weltraum zu transportieren und zum anderen den essentiellen Umwandlungsfaktor des Stromes in Mikrowellen oder Laserlicht. Neben diesen beiden gibt es noch andere Möglichkeiten den Strom auf die Erde zu übertragen. Z.B. über eine Magnetkanone oder über Weltraumseile. Beide unterliegen jedoch noch aktuellen Forschungen, weshalb ich nicht näher darauf eingehe¹⁷. Wegen der niedrigeren Anschaffungs-, jedoch höheren Wartungskosten wird die Weltraumsolarthermie nicht in Betracht gezogen. Ein gigantischer Folienspiegel brächte etwa ein Drittel Mehrleistung für terrestrische Solaranlagen. Jedoch könnte diese Technik nur an wolkenarmen Regionen angewandt werden, da sich sonst die Amortisationskosten der Investition nur schlecht rentieren würden. Zudem führt eine fehlende Nacht diverse Langzeitfolgen für Mensch und Natur mit sich.

Die Photovoltaikanlagen sind momentan für die derzeitigen Weltraumagenturen am sinnvollsten. Jedoch gilt es die Transportkosten zu verringern, in dem die Starttechnik optimiert und die Materialien leichter werden. Der Aufbau des Weltraumsolarkraftwerkes kann zudem nur effizient sein, indem er automatisch durch Roboter betrieben wird. Bevor ich jedoch weiter ins Detail gehe, möchte ich dies direkt am Beispiel der derzeit laufenden Raumfahrtagenturprojekte schildern.

3. Projekte

3.1 ESA

Die erste ESA-Studie erschien 1979: "European Aspects Of Solar Power Satellites". Doch von da an hat es noch viele Jahre gedauert bis der Realismus greifbarer wurde¹⁸. Wie bereits in der Einleitung angesprochen, sind die Ausschreibungen an die Hochschulen vom Advanced Concept Team fundamental für die Studien der Weltraumsolarkraftwerke. Seit 2003 wird das SPS, bzw. „Solar Power Satellite“-Projekt verfolgt¹⁹. Die ESA beschreibt es als große Struktur im Raum, welche Solarenergie einfangen und über Wireless Power Transmission (WPT) wird. Dies soll laut ESA über elektromagnetische Wellen mit einer 2,43 GHz Frequenz geschehen. Über den Leistungsbereich gibt die ESA sehr breite Angaben. Es ist lediglich die Rede von einigen MW bis hin zu mehreren GW. Die ESA gibt an dass der Wirkungsgrad ihrer elektromagnetischen Wellen 50-60% beträgt. Auf diese Weise könnten 75-100 W Strom pro Quadratmeter erreicht werden. Das ist das Vierfache einer terrestrischen Anlage²⁰.

Leopold Summerer vom Advanced Concepts Team der ESA wurde durch die Roboter-WM 2003 in Wien auf das Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik der TU Wien aufmerksam. Die ESA schrieb daraufhin eine Projektvergabe an die TU Wien aus. Unterstützt wird es durch die Austrian Space Agency (ASA).

Die Roboter durften maximal 10x10x5 cm groß sein. Die Roboter für den Weltalleinsatz sind modifizierte Fußballroboter. Sie werden sich über die Knoten des Netzes bewegen und dürfen dabei nie den Kontakt zum Netz verlieren. Die Roboter sind mit Solarzellen ausgestattet und sollen sich später auf dem Netz zur Sonne so ausrichten, dass sie die höchst mögliche Energieeffizienz erreichen. Da man bei diesem Projekt auf keine bereits vorhandenen Daten zugreifen kann, ist die Sicherheit für Investoren gering. Man bezeichnet es deshalb als High- Risk High-Return Experiment²¹.

Die ESA hat Robyspace Junior 1 und 2 vom Prof. Kopacek der Uni Wien am 22.01.2006 erfolgreich testen können. Sie starteten aus einem Satelliten der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und kletterten auf dessen Netz entlang. Der schwierigste Part war dabei dass sich die Roboter auf dem instabilen Netz halten. Die University of Glasgow und das Stockholmer Royal Institute of Technology werden aktuell weitere Studien durchführen um das Dynamikverhalten des Netzes zu analysieren. Als nächstes wird man die Roboter mit Antennen ausstatten, so dass sie Sende- und Empfangseinheit sind. Dies ermöglicht eine größere Roboterautonomie. Ebenso können intelligente optische Systeme und Inter-Roboter- Kommunikationssysteme verbaut werden²².

3.2 NASA

Wie bereits erwähnt, entwickelte 1969 der tschechisch-amerikanische Ingenieur Dr. Peter Glaser den ersten Konzepte, zur kontinuierlichen Stromerzeugung mit Weltraumsolaranlagen.

[...]

¹ vgl. United Nations, World Population to 2300, 2004

² vgl. Barker, 2007

³ vgl. ACT, Advanced Concepts Team, 2012

⁴ vgl. ebd.

⁵ vgl. Kuhn, Wirtschaftswoche, 2010

⁶ vgl. Dr. Schee, 2006

⁷ vgl. Flournoy & Nansen, 2009

⁸ vgl. Yuewen, 2011

⁹ Das Bruttoinlandsprodukt ergibt sich aus der Summe von Bruttoinvestitionen, dem Außenbeitrag, dem Konsumausgaben des Staates und der privaten Haushalte.

¹⁰ Der nationale Wohlfahrtsindex zeigt den Wohlstand einer Nation an. Er ergibt sich aus 21 Variablen, u.a. Kosten von Kriminalität, Schäden durch Wasserverschmutzung, Ersatzkosten durch Ausbeutung nicht erneuerbarer Ressourcen, Schäden durch CO²-Emissionen und Nettowertänderungen des Anlagevermögens.

¹¹ vgl. Gao, Hou, & Wang, 2010

¹² vgl. Yuewen, 2011

¹³ vgl. Flournoy & Nansen, 2009

¹⁴ vgl. Dr. Bockhorst, 2011

¹⁵ vgl. Strickland, 2009

¹⁶ vgl. Mankins, 2011, S. 30

¹⁷ vgl. Dr. Bockhorst, 2011

¹⁸ vgl. ACT, Energy Systems, 2012

¹⁹ vgl. ebd.

²⁰ vgl. ebd.

²¹ vgl. Peter, 2008

²² vgl. ACT, Energy Systems, 2012