Kraft der Sonne : Solarstrom vom Merkur

Die Sonne ist ein gewaltiges Kraftwerk. Pro Sekunde produziert unser Heimatstern eine Million Mal so viel Energie, wie die gesamte Erdbevölkerung in einem Jahr verbraucht. Allerdings ist der Anteil dieser Energie, den Menschen mit Solaranlagen zur Gewinnung von Strom nutzen, verschwindend gering. Das meiste strahlt ungenutzt in alle Richtung des Universums.

Warum nicht die ganze Energie der Sonne nutzen? Das überlegte sich der Wissenschaftler Stuart Armstrong von der Oxford-Universität. Er präsentierte schließlich im Jahr 2012 ein Konzept, wie das funktionieren könnte: Die Rohstoffe des sonnennächsten Planeten Merkur sollen genutzt werden, um nach und nach einen immer größeren Schwarm an Sonnenkollektoren daraus zu bauen. Diese sollen die Sonnenenergie in Strom wandeln und zur Erde senden.

Was wie Science-Fiction klingt, wäre mit den heutigen Technologien theoretisch machbar. Nach Armstrongs Berechnungen würde es nur einige Jahrzehnte dauern, bis das gesamte nutzbare Material des Merkur verbaut wäre. Die der Menschheit dann zur Verfügung stehende Energie würde völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Fossile Energieträger wirken dagegen wie kleine Strohfeuer.

China plant Alles nur Theorie? Tatsächlich existieren bereits Pläne, Sonnenlicht direkt im All abzufangen und als nutzbare Energie zur Erde zu transportieren. China baut laut der Zeitung "Science and Technology Daily" an einem ersten experimentellen Weltraum-Solarkraftwerk. Bis zum Jahr 2050 soll in mehreren Schritten eine Anlage in einem Erdorbit aufgebaut werden, die mehr als ein Gigawatt Energie zur Erde sendet. Das entspricht etwa der Leistung eines heutigen Kernkraftwerks.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Eine Solaranlage im Weltraum könne rund um die Uhr Energie aus Sonnenlicht zur Erde senden - unabhängig vom Wetter, dem Tag-Nacht-Rhythmus oder den Jahreszeiten. Zudem ist die Intensität der Strahlung im All etwas höher. Pang Zhihao, Wissenschaftler an der China Academy of Space Technology, sieht in der Technologie daher auch das Potenzial, zu einer "unerschöpflichen Quelle sauberer Energie" für die Menschheit zu werden. Das All-Kraftwerk könnte zudem Elektroautos jederzeit und überall aufladen oder künftige Weltraummissionen Chinas mit Energie versorgen.

In einer ersten Phase sollen in den Jahren 2021 bis 2025 kleine bis mittelgroße Kraftwerke in die Stratosphäre befördert werden, um dort Elektrizität zu erzeugen. Ab dem Jahr 2030 will China dann ein Kraftwerk im Megawatt-Bereich in einem geostationären Orbit in rund 36.000 Kilometern Höhe positionieren. Bis 2050 ist laut dem Bericht die Installation einer Ein-Gigawatt-Anlage geplant.

Offen ist bislang, welche Art von Anlage die Chinesen planen. In einer Bewertung der internationalen Weltraumorganisation International Academy of Astronautics (IAA) aus dem Jahr 2011 werden drei Varianten als realisierbar beschrieben:

Typ I: Dabei handelt es sich um eine großflächige Photovoltaikanlage, die das Sonnenlicht in Strom wandelt und diesen aus einem geostationären Orbit per Mikrowellenstrahlung zur Erde sendet. Auf der Erde wandelt ein großer Empfänger die Strahlung in Strom um.

Typ II: Ähnelt Typ I im Aufbau, nur werden statt Mikrowellen Laserstrahlen benutzt, um die Energie zur Erde zu senden.

Typ III: Das "Sandwich-Design" besteht aus zwei gigantischen Spiegel-Anordnungen, welche Sonnenlicht auf kleine, zentrale Photovoltaikanlagen konzentrieren. Der Energietransport zur Erde funktioniert mit Mikrowellen.

Einen neuen Ansatz entwickelt derzeit das California Institute of Technology (Caltech) zusammen mit dem Rüstungs- und Luftfahrtunternehmen Northrop Grumman: Bei diesem besteht das Solarkraftwerk aus vielen kleinen Kacheln, die das Sonnenlicht in Energie umwandeln und jeweils direkt zur Erde funken. 2018 hatte das Caltech einen Prototyp diese Solar-Kacheln vorgestellt. Fast eine Milliarde von ihnen sollen zu einem drei mal drei Kilometer messenden Kraftwerk angeordnet werden können.

Auch in Europa wird an der Technologie geforscht: Bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) beschäftigt sich das "Advanced Concepts Team" nach eigenen Angaben mit den technischen Voraussetzung und der Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom aus dem All. Als Vorteile werden neben der permanenten Verfügbarkeit auch ein geopolitischer Aspekt genannt: Solarkraftwerke im All könnten zu großen Gemeinschaftsprojekten mehrerer Staaten werden, die gemeinsam ihre Energieversorgung sicherstellen wollen.

Auch Forscher in Ländern wie Indien, Russland und Japan arbeiten an Weltraum-Solarkraftwerken. Besonders in Japan ist das Interesse an dieser Energiequelle groß: Auf den Inseln des Staates stehen nur wenige Flächen für regenerative Energiequellen wie Solar- und Windkraftanlagen zur Verfügung. Bereits seit den 1990er Jahren gibt es in Japan daher Projekte, welche die Vision vom unbegrenzten Strom aus dem All wahr machen wollen. Der bisherige Zeitplan der japanische Raumfahrtbehörde Jaxa: Bereits in den 2030er Jahren will Japan eine Solaranlage mit einem Gigawatt Leistung im All installieren. Zuvor sollen kleinere Systeme zu Testzwecken ins All transportiert werden.

Technisch möglich Bei der Jaxa ist man überzeugt, dass Solarenergie aus dem Weltraum gleich eine ganze Reihe von Problemen lösen könnte: Energieversorgung, Klimawandel und Umweltschutz. Allerdings wird das wohl nicht in den nächsten Jahrzehnten der Fall sein, gibt man sich bei der japanische Raumfahrtbehörde zurückhaltend.

Aber wo ist der Haken an der Technologie? Die IAA kam bei ihrer Bewertung zu dem Schluss, dass es "keine fundamentalen technischen Hindernisse gibt, welche dem Bau von Weltraum-Solarkraftwerken in den kommenden Jahrzehnten entgegenstehen würden". Allerdings gibt es noch einige Hürden zu überwinden. Eine der größten ist der Transport von tausenden Tonnen Material in den Orbit - zu vergleichsweise geringen Kosten. Bei der Jaxa rechnet man für das geplante Ein-Gigawatt-Kraftwerk mit einer nötigen Transportkapazität von 100 Tonnen pro Tag zu einem Bruchteil der heutigen Kosten. Mit den derzeit zur Verfügung stehenden Systemen ist dies schlicht nicht möglich. Allerdings versuchen private Raumfahrtunternehmen wie SpaceX und Blue Origin derzeit, die Transportkosten für Raumflüge deutlich zu drücken.

Es gibt noch weitere Herausforderungen: Ist das Material im Orbit, müssen die Anlagen aufgebaut, gewartet und nach einer gewissen Zeit erneuert werden. Denn aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen im All ist die Lebenszeit der Solarpaneele deutlich kürzer als auf der Erde. Zudem ist die Technik der Energieübertragung aus dem All zur Erde noch nicht erprobt. Um Menschen durch die Strahlung nicht zu gefährden, wären zudem riesige Empfänger auf dem Erdboden notwendig, die in Summe allerdings weniger Fläche in Anspruch nehmen würden als irdische Solaranlagen mit ähnlicher Leistung, schreibt etwa das "Advanced Concepts Team" der ESA.

Für das Problem des Materialtransports haben Forscher jedoch schon eine Lösung parat: Theoretisch könnten die Rohstoffe erdnaher Asteroiden für den Bau der Solarkraftwerke genutzt werden. Auch die chinesischen Forscher erwägen, die Solarkraftwerke in einer Weltraum-Fabrik unter dem Einsatz von Robotern und 3D-Druckern zu bauen. Auf diese Weise könnte der Preis des Weltraum-Stroms auf weniger als zehn Cent pro Kilowattstunde sinken, glauben Experten. Das läge im Bereich der heutigen Kosten von Strom aus Steinkohle.

Kai Stoppel

Der Autor arbeitet als Redakteur für n-tv.de.