Von Satelliten, Mars-Missionen und Solarfarmen: Solar im Weltraum

Nicht nur auf der Erde werden Solaranlagen verwendet, um Strom zu generieren. Solar im Weltraum ist ebenfalls eine große Sache. Da es im Weltraum kein Stromnetz gibt, das aus verschiedenen Energiearten besteht, sind die Energiequellen in den Weiten des Weltraumes begrenzt. Daher spielt Solar für die Raumfahrt eine wichtige Rolle. Doch nicht nur in der Raumfahrt lassen sich die PV-Module finden. Inzwischen gibt es auch verschiedene Länder, die daran arbeiten, Solarfarmen im Weltraum aufzubauen und den generierten Solarstrom auf die Erde zu schicken.

Alles fing mit Sputnik 1 an

Am 4. Oktober 1957 wurde Sputnik 1 in die Umlaufbahn der Erde gebracht. Es war der erste Satellit, der diese erreichte. Auch wenn der erste Satellit noch keine große Aufgabe hatte, außer einem einfachen Signal, welches es an seine Bodenstation schicken sollte, war es ein bedeutender Schritt für die Raumfahrttechnik. Sputnik 1 hatte eine Batterie, mit der alles Technische versorgt wurde. Das schränkte jedoch die Lebensdauer des Satelliten stark ein. Sobald die Batterie leer, war es auch dem Senden von Signalen zu Ende. Insgesamt 21 Tage hielt die Batterie des sowjetischen Satelliten.

Vanguard 1 der erste Solarsatellit

Eine andere Lösung musste her. Und diese Lösung hieß Solarzellen. Diese ermöglichten es, die Lebenszeit zu verlängern und das Gewicht zu reduzieren, da weniger Batterien in den Satelliten verbaut wurden. Vanguard 1 war der erste Satellit, der mit Solarzellen ausgestattet wurde. Bereits am 17. März 1958 startete der Satellit seinen Weg in die Umlaufbahn. Insgesamt waren sechs monokristalline Siliziumzellen am Satelliten befestigt. Zwar umkreist der Satellit auch heute noch die Erdumlaufbahn, jedoch wurde das letzte Signal vom Solarbetrieben Sender im Mai 1964 empfangen.

Die größte Solaranlage im Weltraum

Neben den Satelliten befindet sich auch die Raumstation ISS in der Umlaufbahn. Diese hat nach derzeitigem Standpunkt, die größte Solaranlage in unserer Umlaufbahn. Insgesamt verfügt die Raumstation über vier Paar Solar Arrays. Diese können so rotieren, sodass sie immer ideal zur Sonne ausgerichtet sind. Die ersten Module wurden bereits im Jahr 2000 an der Raumstation angebracht. In den darauffolgenden Jahren wurden weitere montiert, bis schlussendliche eine Leistung von rund 160 Kilowattstunden erreicht wurde.

Einige dieser Module sind allerdings über 20 Jahre alt und durch die natürliche Degradation erfüllen sie nicht mehr ihre volle Kapazität. Daher wird seit 2021 die Raumstation um weitere Module ergänzt. Die alten werden immer noch im Betrieb sein, da sie immer noch funktionsfähig sind. Zwei Missionen liefen bereits erfolgreich. Die dritte und letzte ist für 2023 geplant. Insgesamt soll am Ende der letzten Mission eine Gesamtleistung von rund 215 Kilowattstunden erreicht werden.

Das Problem mit Solar im Weltraum

Solarzellen im Weltraum haben das Problem, dass sie konstant der kosmischen Strahlung ausgesetzt sind. Dabei wird nicht nur Solarstrom erzeugt, sondern auch die ganze Zelle Stück für Stück zerstört. Das senkt die Lebenserwartung der Zelle erheblich. Auch das klassische Problem mit der Temperatur, welches auch auf der Erde auftritt, tritt ebenfalls im Weltraum auf. Hohe Temperaturen führen zu Leistungsverlusten der einzelnen Module.

Galliumarsenid-Solarzellen

Die Wunderwaffe in der Photovoltaik nennt sich Galliumarsenid-Zellen. Diese Zellen haben gegenüber Silizium einige Vorteile. Sie sind effizienter bei Schwachlicht, haben eine hohe Temperaturbeständigkeit und sind unempfindlicher gegenüber UV-Strahlung. Galliumarsenid (GaAs) wird vor allem als Dünnschichtmodul gebaut. Der Grund dafür liegt in seinen Eigenschaften. Bei GaAs handelt es sich um einen direkten Halbleiter. Das wiederum hat zur Folge hat, dass Photonen nicht so tief in das Material eindringen müssen, ehe sie absorbiert werden.

Daher eignet sich das Material ziemlich gut für den Einsatz im Weltraum. Die meisten Satelliten werden daher mit diesen Solarmodulen ausgestattet und nicht mit Silizium-Modulen.

Warum GaAs nicht auf Hausdächern zu finden ist

Zwar wirken die Module wie die ultimative Lösung für Photovoltaik-Anlagen, jedoch haben sie auch Nachteile. So ist sowohl Gallium als auch Arsen wesentlich teurer als Silizium. Zudem ist Arsen giftig, was zur Folge hat, dass es wesentlich mehr Vorschriften gibt, die eingehalten werden müssen bei der Verwendung von diesem Material. Daher ist auch das Entsorgen dieser Module wesentlich aufwendiger. Insgesamt lohnt sich der Aufwand und das Preis-Leistungs-Verhältnis für die Dachanlagen nicht. Daher wird dieses Material nur für spezielle Anwendungen verwendet.

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Welches ist das beste Solarmodul?

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Nicht überall im Weltraum wird Solar verwendet

Solar bietet eine einfache Lösung, um Geräte mit Strom zu versorgen. Vor allem abseits unseres Stromnetzes auf der Erde. Wie bereits erwähnt, werden vor allem Satelliten und die Raumstation mit Solarpanels ausgestattet, um eine Stromversorgung zu garantieren. Doch wie sieht das ganze aus, wenn Rover auf anderen Planeten landen? Werfen wir einen Blick auf die Mars-Missionen. Die ersten drei Marsroboter, die auf dem roten Planeten gelandet sind, wurden mit Solarpanels und Batterien ausgestattet. Dies war die einzige Energiequelle für die Rover Sojourner, Spirit und Opportuinity.

Anders sieht das aus, bei den Rovern Curiosity und Perseverance, diese haben zwar ebenfalls Solaranlagen integriert, jedoch haben sie auch noch eine zweite Energiequelle und die ist radioaktiv. Bei den verwendeten RTGs der Rover handelt es sich bildlich gedacht um einen heißen Stein, der Wärme abstrahlt. Die Wärme hält unter anderem den Rover warm und kann zusätzlich in Strom umgewandelt werden. Bei dem „heißen Stein“ handelt sich um Plutonium-238, welches ein radioaktives Isotop ist.

Grund für die Verwendung dieser zweiten Energiequelle ist simpel. Auch auf dem Mars variieren die Sonnenstunden je nach Aufenthaltsort auf dem Planeten. So waren die ersten drei Missionen alle in Äquatornähe. Doch Curiosity sollte mehr Bewegungsspielraum haben. Das bedeutet aber auch unter Umständen weniger Sonnenlicht. Weiter wird die Gewinnung von Solarstrom durch Marsstaub behindert. Lagert der sich auf den Panels ab, stört das die Stromgewinnung. Um all diese Probleme zu umgehen, wurde bei Curiosity und Perseverance auf eine weitere Energiequelle gesetzt.

Das Kälteproblem bei Marsrovern

Die beiden Rover sind jedoch bei langem nicht die einzigen radioaktiven Marsmissionen. Auch die ersten drei Rover auf dem Mars hatten Plutonium dabei. Das Radiergummi große radioaktives Material, diente als eine Art „Taschenwärmer“, um den Rover und seine Technik auf dem kalten Planeten warmzuhalten. Bevor die Rover den Mars erkundeten, landeten jedoch bereits Sonden auf unserem Nachbarplaneten. Die Vikings 1 und 2 landeten 1976 und hatten SNAP-19 RTGs dabei. Diese sollten nach Plan 3 Monate halten, tatsächlich waren diese jedoch für mehrere Jahre aktiv.

Ob die Nasa radioaktive Stromquellen nutzt, hängt allerdings immer damit zusammen, welches Ziel verfolgt wird. Reicht die Gewinnung von Solarstrom nicht aus, muss eine andere Energiequelle diese unterstützen. Zudem müssen die Rover warm gehalten werden, um funktionieren zu können.

Solarfarmen im Weltraum

Ein Traum ist es, 24 Stunden am Tag Solarstrom generieren zu können. Im Weltall steht das Sonnenlicht ja nach Ausrichtung 24 Stunden zur Verfügung. Um also 24 Stunden lang Strom zu generieren, müsste lediglich anstelle von Solarparks auf der Erde, Solarfarmen im Weltraum gebaut werden. Was eine fixe Idee gewesen ist, versuchen nur verschiedene Raumfahrtorganisationen in die Tat umzusetzen.

Mikrowellen zum Transport

Die Idee ist es, jede Menge Solarpanels in die Umlaufbahn zu bringen. Diese sollen dann idealerweise 24 Stunden lang das Sonnenlicht einfangen und in Strom umwandeln. Das eigentliche Problem ist es nun, diesen Weltraumstrom auf die Erde zu bringen. Der aktuelle Lösungsansatz nennt sich Mikrowellen. Der Strom soll in Mikrowellen umgewandelt werden und diese werden auf die Erde geschickt. Auf dem Erdboden werden entsprechende Antennen installiert, die diese Mikrowellen auffangen und wieder in verwendbaren Strom umwandeln.

Pläne Weltweit

Inzwischen wird weltweit daran gearbeitet, den Traum in die Realität umzusetzen. Großbritannien verfolgt mit ihrem Zero Net Plan das Ziel bis 2050 Klimaneutral zu sein. Um das zu erreichen, braucht es mehr alternative Energiequellen. Daher arbeitet die Regierung mit dem Projekt Cassiopeia daran, die Solaranlage im Weltraum zu realisieren. Möglich soll all das bereits 2035 sein. Mit unterschiedlichen Partnern wird hier zusammengearbeitet, um dieses Projekt zu realisieren.

Auch China arbeitet daran, Strom aus dem Weltraum zu beziehen. Der erste Satellit mit PV-Modulen soll bereits 2028 in eine niedrige Umlaufbahn geschickt werden und soll 10 Kilowatt an Strom generieren können. Die nächste Mission soll bereits zwei Jahre später starten und schon ein Megawatt Strom generieren können. Es sind auch noch zwei weitere Missionen geplant sind eine für 2035 und die andere für 2050. Die erste soll dabei schon 10 Megawatt Strom liefern können und die zweite Mission zwei Gigawatt.

Auch Japan hat sich intensiv mit dem Thema auseinandergesetzt. Konkret plant die japanische Raumfahrt Organisation in den 2030er Jahren ein 1 Gigawatt Projekt in die Tat umzusetzen.

USA – Caltech startet Experiment

Die Caltech in den USA ist den anderen Ländern ein Stück voraus. Am 3. Januar 2023 ist eine Space X Rakete gestartet. Mit an Board das Experiment der Technischen Universität. Insgesamt sollen drei Dinge getestet werden. Zum einen wurden 32 verschiedene Solarzellen in den Weltraum geschickt, um herauszufinden, welche davon sich am besten eignet. Zudem wurde DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite) mitgeschickt. Das soll demonstrieren, wie eventuell eine kilometerlange Konstruktion sich im Weltraum entfalten kann. Als drittes Experiment dient ein Mikrowellensender, der eine Energieübertragung über große Entfernungen demonstrieren soll.

Pläne der ESA

Auch Europa fängt an, sich für das Thema zu interessieren. Das Projekt Solaris, von der ESA, soll sich mit diesem Thema beschäftigen und dabei den Fragen nachgehen, ob Weltraum gestützte Solarenergie umsetzbar ist. Dabei sollen sowohl die Vor- als auch die Nachteile berücksichtigt werden. Die Erkenntnisse, die jetzt gesammelt werden, sollen dazu dienen im Jahr 2025 eine Entscheidung zu treffen, ob ein vollständiges Entwicklungsprogramm in dem Bereich sinnvoll ist.