Tägliches Projekt: Den Tag für sich beanspruchen

Leute, wenn man heutzutage Strom erzeugen will, baut man das Kraftwerk einfach in den Himmel – mit Solarenergie! Und es wird nicht nur dort installiert, sondern der Strom wird auch noch drahtlos zurückgesendet! Klingt das nicht ein bisschen wie eine Szene aus einem Science-Fiction-Film? Aber wir in China haben das tatsächlich in die Tat umgesetzt! Kürzlich wurden erfolgreiche Tests unseres Systems zur drahtlosen Stromübertragung durchgeführt: Drohnen laden sich während des Fluges auf, wodurch das Anschließen und Landen entfällt – sie werden durch die übertragenen Mikrowellen mit Energie versorgt. Natürlich ist das erst der Anfang, und der Weg für Weltraum-Solarkraftwerke ist noch lang. Das Projekt heißt „Projekt Sonnenjagd“ – klingt das nicht ein bisschen romantisch? Warum also betreiben wir hier auf der Erde dieses „Projekt zur Verfolgung der Sonne“? Weil das größte Problem der Solarenergie auf der Erde ihre Unbeständigkeit ist – nachts oder an bewölkten Tagen kann kein Strom erzeugt werden. Was? Du fragst, warum wir das trotzdem tun? Weil Energiespeichertechnologien lediglich das Problem der Netzintegration lösen können, nicht aber die Auslastung der Photovoltaikmodule verbessern. Deshalb haben sich kluge Wissenschaftler etwas einfallen lassen: Sie fangen die Sonnenenergie direkt im Weltraum ein. Die Vorteile liegen auf der Hand: Erstens gibt es keine Störungen durch die Erdatmosphäre, sodass die Energiedichte hoch ist. Auf der Erde werden pro Quadratmeter etwa 136 Watt Sonnenenergie empfangen, im Weltraum sind es jedoch 1360 Watt oder sogar noch mehr. Zweitens: Die Kraftwerke befinden sich in einer geosynchronen Umlaufbahn in 36.000 km Höhe. Durch die große Entfernung kann der Erdschatten die Sonneneinstrahlung kaum beeinträchtigen, sodass in mehr als 99 % der Zeit Strom erzeugt werden kann. Aus physikalischer Sicht ist das Projekt also definitiv rentabel. Allerdings ist das leichter gesagt als getan. Das „Sun-Chasing“-Projekt umfasst vier zentrale technologische Komponenten: Einfangen, Umwandeln, Übertragen und Abgreifen. Bei jeder dieser Komponenten müssen enorme technische Herausforderungen bewältigt werden. Zunächst einmal: Wie lässt sich die Energie „einfangen“? Im Weltraum darf sich kein Staub ansammeln, beim Bau des Kraftwerks können weder Stahl noch Beton verwendet werden, und die Konzentrationsvorrichtungen müssen leicht sein. Daher haben chinesische Wissenschaftler die Omega-Architektur vorgeschlagen, also das „Orb-shaped membrane energy gathering array“. Einfach ausgedrückt handelt es sich dabei um einen riesigen, ultraleichten, kugelförmigen Konzentrator, der das Sonnenlicht auf eine Linie in der Nähe des Kugelkerns bündelt. Dieses Design ist einfacher und praktischer als die amerikanische Alpha-Architektur. In den USA begann man bereits 1968, über die Stromerzeugung im Weltraum nachzudenken, doch nach einer Bewertung wurde das Vorhaben als zu schwierig und zu kostspielig eingestuft und daher auf Eis gelegt. Erst 2011 aktualisierte die NASA ihren Plan unter dem Namen „Alpha“. Dabei handelt es sich um ein riesiges und ausgeklügeltes System mit Zehntausenden von Spiegeln, die auf die Sonne ausgerichtet sind und deren Winkel ständig feinjustiert werden, wobei auf extreme Leichtigkeit und Modularität gesetzt wird. Die Komplexität der algorithmischen Koordination lässt sich jedoch unschwer erahnen. Da die US-Regierung der NASA keine großen Mittel zur Verfügung stellte, kam das Projekt nur schleppend voran und befindet sich nach wie vor in der Phase der Computermodellierung und der Tests einzelner Chip-Einheiten – es ist sogar noch nicht so weit fortgeschritten wie das SSPP-Projekt des California Institute of Technology. China hingegen startete relativ spät und begann erst im 21. Jahrhundert mit der Forschung, hat es aber mittlerweile bis zu einem realen, geschlossenen Regelkreis des gesamten Systems am Boden geschafft. Neben der strategischen Entschlossenheit und der finanziellen Unterstützung des Staates für die Entwicklung neuer Energiequellen ist der wichtigste Grund dafür ein innovativer Denkansatz, der neue Wege beschreitet. Anstatt sich mit herumdrehenden Spiegeln zu beschäftigen – deren dynamische Softwaresteuerung viel zu schwierig ist –, haben wir einen feststehenden sphärischen Konzentrator entwickelt, dessen Ausrichtung nicht angepasst werden muss: Unabhängig vom Einfallswinkel des Sonnenlichts wird es auf natürliche Weise auf einer Linie nahe dem Kern der Kugel gebündelt, sodass es ausreicht, im Inneren eine mechanisch bewegliche Energieaufnahmeschiene anzubringen. So haben wir die kniffligen Probleme der Softwarealgorithmen auf Hardware- und mechatronische Fragen vereinfacht – genau das, worin wir am besten sind. Gerade dank dieser pragmatischen Ingenieursmentalität konnten wir als Erste die Bodenversuche der Phase 1.0 – die sogenannte „festpunktbasierte Vollverbindung“ – sowie der Phase 2.0 mit dynamischen Mehrzielanwendungen erfolgreich abschließen. In Bezug auf den physischen Aufbau und die Technologie haben wir sozusagen einen ganzen Schritt Vorsprung. Nachdem das Sonnenlicht gesammelt wurde, besteht der zweite Schritt in der „Umwandlung“. Vom Weltraum bis zum Boden finden mehrere Umwandlungsschritte statt: Licht in Strom, Strom in Wellen und Wellen wieder in Strom. Die Schwierigkeit liegt dabei in der Gesamteffizienz der drahtlosen Energieübertragung und der Frage, wie Verluste minimiert werden können. Die im „Sun-Chasing“-Projekt verwendeten Halbleiter der dritten Generation – Galliumnitrid – werden als Festkörper-Leistungsverstärker auf der Weltraum-Sende-Seite eingesetzt. Da sie einen geringen Widerstand aufweisen, entsteht weniger Wärmeverlust. Auf der Bodenempfangsseite verfügen die Gleichrichterdioden über eine hohe Schaltgeschwindigkeit, sodass sie die Mikrowellenschwingungen präzise erfassen und einen größeren Anteil der Mikrowellen wieder in elektrische Energie umwandeln können. Einer der bedeutenden Fortschritte, die ich eingangs erwähnt habe, ist die Realisierung einer drahtlosen Mikrowellen-Energieübertragung im Kilowattbereich an mehrere bewegliche Ziele gleichzeitig über eine Entfernung im Hundert-Meter-Bereich. Der Gesamtwirkungsgrad der Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Übertragung wurde deutlich auf 20,8 % gesteigert – das bedeutet, dass ein Fünftel der ursprünglichen elektrischen Energie erfolgreich übertragen und in nutzbaren Strom umgewandelt werden kann, was international dem höchsten Niveau entspricht. Der vierte Schritt ist die „Übertragung“, bei der Mikrowellen aus einer Entfernung von 36.000 Kilometern gesendet werden. Wie lässt sich sicherstellen, dass die Mikrowellen die Empfangsstation am Boden treffen? Die Lösung besteht in einem bidirektionalen Verfahren: Zunächst werden vom Boden aus Leitsignale in den Weltraum gesendet, woraufhin im Weltraum in Echtzeit die Position der Empfangsstation berechnet wird. An der Sendeseite kommt eine aktive Phased-Array-Antenne zum Einsatz: Unzählige Miniatur-Sendeeinheiten passen den Zeitpunkt ihrer Signalabgabe anhand der Rückmeldungen vom Boden an, sodass sich unzählige Mikrowellenwellen in einer bestimmten Richtung bündeln, die maximale Energie freisetzen und präzise auf die Bodenempfangsstation treffen. Die neueste Strahlbündelungseffizienz liegt bei bis zu 88 %. Der letzte Schritt ist die „Aufnahme“: In Zukunft könnten am Boden riesige Komplexe aus Antennenarrays errichtet werden, um die Mikrowellen wieder in elektrische Energie umzuwandeln, diese zu gleichrichten, in Wechselstrom umzuwandeln und ins Netz einzuspeisen. Auch wenn dies noch eine Zukunftsvision ist, fällt mir plötzlich ein, dass viele Internetnutzer scherzhaft sagen, der Forschungsschwerpunkt unseres Dekans Zhang sei die „Geschichte der Zukunft“ – und das trifft tatsächlich zu. Er spricht oft über den Zusammenhang zwischen politischer Ordnung und Energienutzung – beispielsweise, dass Großbritannien und die USA durch Kohle und Erdöl zu Machtpositionen aufstiegen, während China derzeit einen beispiellosen Sprung hin zu neuen Energiequellen vollzieht. Tatsächlich haben sowohl der Anthropologe Leslie White als auch der Astronom Kardashev ähnliche Thesen vertreten: Die Entwicklung oder der Entwicklungsstand einer Zivilisation hänge nicht von kulturellen, politischen oder moralischen Maßstäben ab, sondern von der Menge an Energie, die pro Kopf zur Verfügung steht. Aus technologischer Sicht ist die menschliche Zivilisation ein Evolutionsprozess, bei dem die Energiedichte kontinuierlich gesteigert wird, um immer größere und komplexere gesellschaftliche Strukturen zu ermöglichen. Der Wissenschaftler Carl Sagan hat einmal berechnet, dass die menschliche Zivilisation einen Wert von etwa 0,7 erreicht und somit zu einer an ihren Mutterstern gebundenen Typ-0-Zivilisation gehört, die nur passiv darauf warten kann, dass Sonnenlicht die Atmosphäre durchdringt, dort abgeschwächt wird, auf die Erdoberfläche gelangt und dann genutzt wird. Das Wesen des „Sun-Chasing-Projekts“ besteht darin, die Grenzen des Planeten zu überwinden, aktiv im Weltraum Sternenergie abzufangen und den Sprung zu einer planetarischen Zivilisation vom Typ I zu vollziehen. Ich hoffe, dass es chinesische Wissenschaftler und Ingenieure sein werden, die die Menschheit bei diesem Schritt anführen.