Wissenschaftler übertragen als Weltneuheit Sonnenenergie vom Weltraum auf die Erde: ScienceAlert

Nov 01, 2023

Solarenergie ist die am schnellsten wachsende Form der erneuerbaren Energie und macht derzeit 3,6 Prozent der weltweiten Stromproduktion aus. Damit ist es die drittgrößte Quelle des Marktes für erneuerbare Energien, gefolgt von Wasserkraft und Windkraft.

Es wird erwartet, dass diese drei Methoden in den kommenden Jahrzehnten exponentiell wachsen und bis 2035 40 Prozent und bis 2050 45 Prozent erreichen werden. Insgesamt wird erwartet, dass erneuerbare Energien bis Mitte des Jahrhunderts 90 Prozent des Energiemarktes ausmachen, wobei Solarenergie etwa die Hälfte ausmacht.

Damit dieser Übergang stattfinden kann, müssen jedoch noch einige technische Herausforderungen und Probleme überwunden werden.

Der Hauptbeschränkungsfaktor für Solarenergie ist die Intermittivität, was bedeutet, dass sie nur dann Strom sammeln kann, wenn ausreichend Sonnenlicht verfügbar ist. Um dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler jahrzehntelang die weltraumgestützte Solarenergie (SBSP) erforscht, bei der Satelliten im Orbit 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr und ohne Unterbrechung Strom sammeln würden.

Um die Technologie zu entwickeln, haben Forscher des Space Solar Power Project (SSPP) am Caltech kürzlich die erste erfolgreiche drahtlose Energieübertragung mithilfe des Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE) abgeschlossen.

MAPLE wurde von einem Caltech-Team unter der Leitung von Ali Hajimiri, dem Bren-Professor für Elektrotechnik und Medizintechnik und Co-Direktor des SSPP, entwickelt. MAPLE ist eine von drei Schlüsseltechnologien, die vom Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) getestet wurden.

Diese Plattform besteht aus einer Reihe flexibler, leichter Mikrowellensender, die von kundenspezifischen elektronischen Chips gesteuert werden. Der Demonstrator wurde unter Verwendung kostengünstiger Siliziumtechnologien gebaut, um Sonnenenergie zu gewinnen und sie an gewünschte Empfangsstationen weltweit zu senden.

Das SSPP begann im Jahr 2011, als Donald Bren, ein lebenslanges Mitglied des Caltech-Kuratoriums, sich an den damaligen Caltech-Präsidenten Jean-Lou Chameau wandte, um die Schaffung eines SBSP-Forschungsprojekts zu besprechen.

Bren und seine Frau (ebenfalls Treuhänderin des Caltech) einigten sich darauf, insgesamt 100 Millionen US-Dollar zur Finanzierung des Projekts zu spenden, während die Northrop Grumman Corporation weitere 12,5 Millionen US-Dollar bereitstellte. Der SSPD-1 startete am 3. Januar auf einer SpaceX Falcon 9 im Rahmen eines Mitfahrprogramms und wurde von einem Vigoride-Raumschiff (bereitgestellt vom Luft- und Raumfahrtunternehmen Momentus) eingesetzt.

Damit SBSP realisierbar ist, müssen die Satelliten leicht sein, damit sie kostengünstig gestartet werden können, und flexibel, damit sie in Nutzlastverkleidungen passen (ähnlich wie beim James Webb Space Telescope (JWST).

Harry Atwater, Otis Booth Leadership Chair der Abteilung für Ingenieurwesen und Angewandte Wissenschaft, Howard Hughes Professor für Angewandte Physik und Materialwissenschaften und Direktor der Liquid Sunlight Alliance, ist einer der Hauptforscher des Projekts. Wie er in einer Caltech-Pressemitteilung erklärte:

„Die Demonstration der drahtlosen Energieübertragung im Weltraum mithilfe leichter Strukturen ist ein wichtiger Schritt in Richtung Weltraum-Solarenergie und einem breiten weltweiten Zugang dazu. Solarpaneele werden bereits im Weltraum verwendet, um beispielsweise die Internationale Raumstation mit Strom zu versorgen, aber für den Start und Einsatz sind sie groß genug.“ Um die Erde mit Strom zu versorgen, muss SSPP Solarstrom-Energieübertragungssysteme entwerfen und herstellen, die ultraleicht, kostengünstig und flexibel sind.

Jede SSPP-Einheit wiegt etwa 50 Kilogramm (110 Pfund), vergleichbar mit Mikrosatelliten, die typischerweise zwischen 10 und 100 Kilogramm (22 bis 220 Pfund) wiegen. Jede Einheit lässt sich zu Paketen mit einem Volumen von etwa 1 m3 (35 Fuß3) zusammenfalten und entfaltet sich dann zu einem flachen Quadrat mit einem Durchmesser von etwa 50 m (164 Fuß), mit Solarzellen auf der einen Seite und drahtlosen Energiesendern auf der anderen Seite.

Die SPPD-1-Komponenten sind unversiegelt, was bedeutet, dass sie den extremen Temperaturschwankungen im Weltraum ausgesetzt sind. Das Experiment hat nicht nur gezeigt, dass Leistungssender den Start in den Weltraum überstehen können, sondern auch den SSPP-Ingenieuren nützliches Feedback geliefert.

„Durch die Experimente, die wir bisher durchgeführt haben, haben wir die Bestätigung erhalten, dass MAPLE erfolgreich Energie an Empfänger im Weltraum übertragen kann“, sagte Hajimiri.

„Wir konnten das Array auch so programmieren, dass es seine Energie auf die Erde richtet, was wir hier am Caltech entdeckt haben. Wir hatten es natürlich auf der Erde getestet, aber jetzt wissen wir, dass es die Reise ins All überleben und dort funktionieren kann.“ ."

Der Demonstrator hat keine beweglichen Teile und ist auf konstruktive und destruktive Interferenz zwischen Sendeantennen angewiesen, um den Fokus und die Richtung der abgestrahlten Energie zu verschieben. Diese Antennen sind in Gruppen zu je 16 Antennen zusammengefasst, die jeweils von einem speziell angefertigten flexiblen integrierten Schaltkreischip angetrieben werden.

Sie basieren außerdem auf präzisen Zeitsteuerungselementen und der kohärenten Addition elektromagnetischer Wellen, um sicherzustellen, dass die abgestrahlte Energie das beabsichtigte Ziel erreicht. Zwei Empfängerarrays sind etwa 30 cm (1 Fuß) von den Sendeantennen entfernt positioniert, die Sonnenenergie in Gleichstrom (DC) umwandeln.

Damit wird ein Paar LED-Leuchten mit Strom versorgt, wodurch der vollständige Ablauf der drahtlosen Energieübertragung demonstriert wird. MAPLE hat dies erfolgreich demonstriert, indem es jede LED einzeln aufleuchtete und zwischen ihnen hin und her wechselte.

MAPLE verfügt außerdem über ein kleines Fenster, durch das das Array Energie abstrahlen kann, was von einem Empfänger im Gordon and Betty Moore Laboratory of Engineering des Caltech erkannt wurde. Dieses Signal wurde zur erwarteten Zeit und Frequenz empfangen und hatte die vorhergesagte Frequenzverschiebung basierend auf seiner Umlaufbahn.

„Nach unserem besten Wissen hat noch nie jemand eine drahtlose Energieübertragung im Weltraum demonstriert, selbst mit teuren starren Strukturen“, sagte Hajimiri. „Wir machen das mit flexiblen Leichtbaustrukturen und mit eigenen integrierten Schaltkreisen. Das ist eine Premiere.“

Das Team bewertet nun die Leistung einzelner Systemelemente, indem es die Interferenzmuster kleinerer Gruppen testet und den Unterschied zwischen Kombinationen misst. Dieser Prozess könnte bis zu sechs Monate dauern und dem Team ausreichend Zeit geben, Unregelmäßigkeiten zu erkennen und Lösungen zu entwickeln, um die nächste Generation von Solarsatelliten zu informieren.

Neben MAPLE trägt der SSPD-1 zwei weitere Hauptexperimente. Dabei handelt es sich um das Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment (DOLCE), eine 1,8 x 1,8 Meter (6 x 6 Fuß) große Struktur, die für den Einsatz kleiner modularer Raumfahrzeuge entwickelt wurde, und ALBA, eine Reihe von 32 verschiedenen Arten von Photovoltaikzellen, die getestet werden sollen sind im Weltraum am effektivsten.

Die ALBA-Tests laufen, während DOLCE noch nicht eingesetzt wurde, und die Ergebnisse dieser Experimente werden in den kommenden Monaten erwartet. Unterdessen sind die Ergebnisse des MAPLE-Experiments sehr ermutigend und zeigen, dass wichtige SBSP-Technologien machbar sind. Hajimiri sagte:

„So wie das Internet den Zugang zu Informationen demokratisiert hat, hoffen wir, dass die drahtlose Energieübertragung den Zugang zu Energie demokratisiert. Für den Empfang dieser Energie ist keine Energieübertragungsinfrastruktur vor Ort erforderlich. Das bedeutet, dass wir Energie in entlegene Regionen und Gebiete senden können.“ durch Krieg oder Naturkatastrophe zerstört.“

SBSP hat das Potenzial, achtmal mehr Strom zu liefern als Solarmodule auf der Erdoberfläche. Wenn das Projekt vollständig realisiert ist, hofft Caltech, eine Konstellation modularer Raumfahrzeuge einsetzen zu können, die Sonnenenergie sammeln, in Elektrizität umwandeln und in Mikrowellen umwandeln, die drahtlos überall auf der Welt übertragen werden können.

Es unterstützt nicht nur den Übergang zu sauberer, erneuerbarer Energie, sondern hat auch das Potenzial, den Zugang für unterversorgte Gemeinden zu erweitern. Caltech-Präsident Thomas F. Rosenbaum sagte:

„Der Übergang zu erneuerbaren Energien, der für die Zukunft der Welt von entscheidender Bedeutung ist, wird heute durch Herausforderungen bei der Energiespeicherung und -übertragung begrenzt. Die Übertragung von Solarenergie aus dem Weltraum ist eine elegante Lösung, die dank der Großzügigkeit und Weitsicht der Brens der Verwirklichung einen Schritt näher gekommen ist.“ Donald Bren hat eine gewaltige technische Herausforderung gestellt, die einen bemerkenswerten Gewinn für die Menschheit verspricht: eine Welt, die mit unterbrechungsfreier erneuerbarer Energie betrieben wird.“

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.