Die diesjährige Weltraumwoche, die vom 4. bis 10. Oktober stattfindet, feiert, wie die Weltraumtechnologie uns bei unserem Kampf gegen den Klimawandel auf der Erde unterstützt – aber manchmal lohnt es sich, auch nach außen zu schauen, was die Technologie uns bieten kann expandieren in den Weltraum, um die Energie und die Welten dort draußen zu nutzen.
Hier stellen wir vier Technologien vor, werfen einen Blick auf die Herausforderungen, die sie mit sich bringen, und geben einen Hinweis darauf, wann sie zum Tragen kommen könnten – wenn überhaupt. Die Zeitschätzungen sind nicht notwendigerweise eine Vorhersage darüber, wann sie eintreten könnten, sondern sollen eine ungefähre Vorstellung davon geben, wie viel Arbeit noch daran zu tun ist.
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2040er-2050er: Weltraumsolarparks
Derzeit deckt Solarenergie etwas mehr als 5 % der gesamten weltweiten Stromversorgung ab, aber wir können es noch viel besser machen.
Der beste Ort, um die Energie der Sonne zu spüren, ist der Weltraum, ohne Wolken, die die Sicht versperren, oder ohne Atmosphäre, die die Strahlen unseres Sterns absorbiert. Eine riesige Anordnung von Solarpaneelen hätte daher einen uneingeschränkten Blick auf die Sonne, aber der knifflige Teil dieser Idee besteht darin, überhaupt eine solche weltraumgestützte Anordnung zu bauen. Und selbst wenn wir das irgendwie schaffen würden, wie würden wir die gesammelte Sonnenenergie auf die Erde bringen?
Im Vergleich zu den meisten Technologien auf dieser Liste ist die Energieübertragung aus dem Weltraum tatsächlich der Zeit voraus. Im Januar 2023 startete der vom Caltech gebaute Space Solar Power Demonstrator in die Erdumlaufbahn. An Bord befand sich ein Instrument namens MAPLE, das Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment. MAPLE wandelte Sonnenenergie erfolgreich in Mikrowellen um und strahlte die Mikrowellen dann zu einer Empfangsstation am Caltech, wo sie in Elektrizität umgewandelt wurde. Es war zwar eine ziemlich geringe Leistung – nur Milliwatt –, aber es war ein spannender Proof of Concept.
Jetzt untersucht die japanische Luft- und Raumfahrtbehörde JAXA in Zusammenarbeit mit kommerziellen Interessen ihr eigenes Programm, das die Agentur in einem Solarpark gipfeln möchte, der ein Gigawatt Energie produzieren und auf die Erde übertragen kann. Allerdings ist der Bau einer Solarfarm nicht einfach.
Ein Solarpanel im Weltraum, oberhalb der absorbierenden Wirkung der Atmosphäre, empfängt etwa ein Kilowatt Energie pro Quadratmeter (10 Quadratfuß) der Sonne. Allerdings sind Solarmodule nicht zu 100 % effizient; Derzeit verfügbare kommerzielle Modelle haben einen Wirkungsgrad von nur 30 %, was bedeutet, dass ein Solarpanel im Weltraum realistischerweise nur 300 Watt pro Quadratmeter produzieren kann. Um dies auf die Produktion von 1 Gigawatt Energie zu steigern, was dem Äquivalent eines Kernkraftwerks auf der Erde entspräche, wäre eine enorme Anzahl von Solarpaneelen mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern und einer Masse von 10.000 Tonnen erforderlich. Vergleichen Sie dies mit der Internationalen Raumstation, die eine Masse von 419 Tonnen hat, und das zeigt, was für eine gewaltige technische Aufgabe das wäre.
Angenommen, ein Solarpark könnte im Weltraum gebaut werden, würde er sich in einer geosynchronen Umlaufbahn in 35.786 km (22.236 Meilen) Höhe über der Erde befinden. Die Herausforderung besteht dann darin, den Mikrowellenstrahl schmal und zielgerichtet zu halten – Sie möchten nicht, dass der Mikrowellenstrahl abweicht und versehentlich etwas frittiert. Obwohl Laser anstelle von Mikrowellen einfacher zu lenken wären, kann Laserenergie vom Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert oder von Wolken blockiert werden, während Mikrowellen sie ungehindert passieren können.
Laser könnten jedoch besser für die Energieübertragung von Raum zu Raum geeignet sein. Dies könnte beispielsweise die Lebensdauer von Satelliten verlängern, sie müssten jedoch mit einer Art Empfänger ausgestattet sein, um den einfallenden Laserstrahl zu empfangen. Wir könnten uns auch ein Netzwerk aus Solarparks und Übertragungssatelliten rund um den Mond vorstellen, die Energie über Laser an eine Mondbasis auf der Oberfläche senden.
Zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts: Weltraumaufzüge
Dabei handelt es sich um ein altes Science-Fiction-Konzept, das erstmals vom russischen Wissenschaftler Konstantin Tsiolkovsky erdacht wurde – warum nicht mit einer Aufzugskabine ins All fliegen, anstatt mit einer Rakete auf einer gefährlichen Flammensäule abzufeuern?
Der grundlegende Aufbau eines Weltraumaufzugs klingt einfach. Ein dickes Kabel erstreckt sich von einem Ort innerhalb von 10 Grad vom Erdäquator bis in den Weltraum. Die auf das Kabel wirkenden Kräfte wären enorm: Die Schwerkraft der Erde würde versuchen, es nach unten zu ziehen, und die Zentrifugalkraft auf eine Masse am Ende des Kabels in der Erdumlaufbahn würde es in die andere Richtung ziehen und es straff halten. Die Belastungen und Spannungen dieses Kabels wären jedoch so groß, dass es aus einem Material hergestellt werden müsste, das 50-mal stärker als Stahl ist. Das einzige Material, das stark genug ist, sind Kohlenstoffnanoröhren, die durch chemische Gasphasenabscheidung „gezüchtet“ werden. Das Problem ist, wie der Name schon sagt, dass Kohlenstoffnanoröhren klein sind und die längsten gewachsenen Röhrchen etwa 14 Zentimeter (5,5 Zoll) lang waren – das ist ein großer Unterschied zur 100.000 Kilometer (62.000 Meilen) langen Länge eines Weltraumaufzugs
Nehmen wir jedoch an, es würde einen Weg finden, längere Nanoröhren herzustellen und in Massenproduktion herzustellen. Sobald wir die Materialien haben, glaubt Stephen Cohen vom Vanier College in Quebec, Kanada, Autor von „Getting Physics: Nature’s Laws as a Guide to Life“ und Experte für die Konstruktion von Weltraumaufzügen, dass die anschließende Entwurfsphase fünf bis fünf Minuten dauern würde 10 Jahre, parallel zur Reifung des Kabelmaterials.
„Das Kabel würde aus der Erdumlaufbahn heruntergespult und schließlich am Erdhafen befestigt werden“, sagte Cohen gegenüber Space.com. „Das Schiff, das es abwickelt, würde Treibstoff verwenden, um an Höhe zu gewinnen und etwa 100.000 Kilometer entfernt zum Anker am anderen Ende zu werden. Alternativ transportiert ein separates Schiff den Kabelabschnitt über die geosynchrone Umlaufbahn, während das ursprüngliche Schiff die Rolle eines Geohafens übernimmt, was bedeutet.“ die eigentliche Bodenzentrale für langfristige Einsätze. Dieser Bereitstellungsprozess könnte leicht ein Jahr dauern.
Während wir auf die Kohlenstoffnanoröhren warten, glauben Zephyr Penotre von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich und Emily Sandford von der Columbia University in New York, dass wir mit der aktuellen Technologie einen Weltraumaufzug vom Mond aus bauen könnten. Aufgrund der langsameren Rotationsgeschwindigkeit des Mondes und der geringeren Schwerkraft gehen sie davon aus, dass die Spannung, die ein Mondaufzug verspürt, nicht so groß wäre wie die eines Aufzugs, der von der Erde aufsteigt, und dass Kohlenstoffpolymere wie Zylon ausreichen würden.
Penoyre und Sandford nennen ihr Konzept eine „Raumlinie“. Während ein Aufzug von der Erde aus ziemlich klobig wäre und möglicherweise mehrere Aufzugkabinen gleichzeitig auf und ab befördern würde, wäre die Raumlinie ein dünner Draht mit einer Gesamtmasse von 40 Tonnen. Auf der Mondoberfläche verankert, würde es in Richtung Erde baumeln und irgendwo in der Nähe der geosynchronen Umlaufbahn anhalten. Es würde also die Erde nicht wirklich berühren oder sie der zerstörerischen Spannung aussetzen, die dadurch entstehen würde.
Die Idee ist, dass eine Mission zum Mond in eine geosynchrone Umlaufbahn starten, sich mit der Raumstation treffen und mit ihr den Rest des Weges zum Mond oder zu einer Basis am Lagrange-Punkt des Erdmondes zurücklegen würde, wo die Schwerkraft der Erde und der Mondgleichgewicht. Es würde die Treibstoffmenge, die für den Weg zum Mond benötigt wird, um ein Drittel reduzieren; Eine Mission müsste immer noch außerhalb der Schwerkraft der Erde starten, aber die Raumlinie wäre solarbetrieben.
Penoyre und Sandford schätzen, dass ein Prototyp Milliarden von Dollar kosten würde, aber auf lange Sicht würde er Geld sparen, wenn wir uns dauerhaft auf dem Mond niederlassen wollen.
Cohen blickt noch weiter in die Ferne, zum Mars. „Ich denke, ein erstes Mars-Projekt mit Menschen geht dem Bau eines Weltraumaufzugs voraus, aber ich würde argumentieren, dass ohne eine Infrastruktur wie der Weltraumaufzug keine nachhaltige Kolonisierung des Mars möglich ist“, sagte er. „Und daher dürften die Entwurfs- und Bauphasen des Weltraumaufzugs wahrscheinlich mit den ersten Menschen auf dem Mars zusammenfallen.“
Derzeit gibt es keine konkreten Pläne für eine Reise des Menschen zum Mars. Viel könnte davon abhängen, wie sich das Artemis-Mondprogramm der NASA entwickelt. Wenn bis in die 2030er Jahre eine Mondbasis gebaut und bemannt werden kann, können Astronauten die Fähigkeiten erlernen, die sie zum Überleben auf dem Roten Planeten benötigen, aber zuerst müssen wir lernen, wie man auf dem Mond lebt. Und dazu brauchen wir Energie, wie wir als nächstes herausfinden werden.
2030er Jahre: Atomkraft auf dem Mond
Der Mond ist durch Gezeiten an die Erde gebunden, was bedeutet, dass wir immer dasselbe Gesicht sehen, den bekannten „Mann im Mond“. Lassen Sie sich jedoch nicht davon täuschen, dass der Mond sich nicht dreht – er dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der er sich um unsere Erde dreht, und behält daher immer die gleiche, uns zugewandte Seite bei. Es dauert etwas mehr als 27 Tage – etwa vier Wochen –, sich einmal zu drehen, was bedeutet, dass es (fast) überall auf dem Mond zwei Wochen Tageslicht und zwei Wochen Nacht gibt. Die Ausnahme bilden einige Gebiete in unmittelbarer Nähe der Pole, in denen 80 % des Tageslichts sichtbar sind. Wenn eine Mondbasis jedoch solarbetrieben wäre, würde sie 100 % Tageslicht benötigen, sodass eine alternative Energiequelle erforderlich ist.
Nationen und Weltraumorganisationen auf der ganzen Welt liefern sich derzeit einen Wettlauf um die Entwicklung der ersten Kernspaltungsreaktoren für den Mond. Im Februar wählten die NASA und das US-Energieministerium drei Designvorschläge für einen Spaltreaktor aus, der auf einer zukünftigen Artemis-Mission eingesetzt werden soll. Der Reaktor hat die Konstruktionsvorgabe, 40 Kilowatt für mindestens 10 Jahre auf der Mondoberfläche zu produzieren.
Unterdessen haben die Russen und die Chinesen angekündigt, dass sie gemeinsam eine Internationale Mondforschungsstation mit einem Kernreaktor planen, die zwischen 2033 und 2035 in Betrieb gehen soll. Sie geben jedoch zu, dass sie noch keine Möglichkeit gefunden haben, den Reaktor zu kühlen.
„Die Hauptfrage ist, was mit all dieser Abwärme geschehen soll, da es auf dem Mond keine Luft gibt, die sie ableiten könnte“, sagte Simon Middleburgh vom Nuclear Futures Institute der Bangor University in Wales gegenüber Space.com.
Middleburgh arbeitet mit der britischen Weltraumbehörde und Rolls-Royce an der Entwicklung eines Kernspaltungsreaktors, der im Rahmen einer zukünftigen Mission zum Mond fliegen könnte. Rolls-Royce verfügt über umfangreiche Erfahrung im Umgang mit Kernreaktoren, da sie die britischen Atom-U-Boote damit ausrüsten.
„Das Ziel für die Reaktorenergieleistung wäre eine Größenordnung von 100 bis 300 Kilowatt in Kraft-Wärme-Kopplung – beides wäre dort oben (auf dem Mond) äußerst nützlich“, sagte Middleburgh. „Das ist eine enorme Menge.“ Wir werden im Vergleich zu früheren Missionen mehr Energie benötigen, und da der Standort (für eine Mondbasis) wächst, möchten wir möglicherweise ein zweites oder drittes System bauen, das auch die Energieversorgung sicherstellt. Aber wir werden so schnell keine 100-Megawatt-Anlagen bauen.“
2070er-2120er Jahre: Interstellare Reisen
Es dauerte neun Jahre, bis die schnellste Weltraummission aller Zeiten, New Horizons der NASA, Pluto in einer Entfernung von 34 Astronomischen Einheiten (AE) von der Sonne erreichte. Im Kontext ist eine astronomische Einheit die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und der Sonne. Der sonnennächste Stern ist Proxima Centauri. Er ist 268.779 AE (4,2 Lichtjahre) von der Sonne entfernt. Nachdem New Horizons Pluto passiert hatte, erreichte es eine Geschwindigkeit von 84.000 km pro Stunde (52.000 mph) und es würde etwa 80.000 Jahre dauern, bis es die Entfernung von Proxima Centauri erreichte.
Natürlich müssen wir einen schnelleren Weg finden, wenn wir jemals zwischen den Sternen reisen wollen, aber es gibt Leute, die an dem Problem arbeiten. In den 1970er Jahren entwickelten Mitglieder der British Interplanetary Society das Projekt Daedalus, bei dem es sich um Pläne für ein zweistufiges, durch Kernfusion angetriebenes, aber unbemanntes Raumschiff handelte, das letztendlich 12 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen konnte.
Im Jahr 2016 initiierte die Breakthrough Foundation das Projekt Starshot, dessen Konzept darin besteht, eine Flotte winziger Raumschiffe, sogenannte StarChips, anzutreiben, die an Lichtsegeln befestigt sind und von leistungsstarken Lasern auf bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Sie würden Proxima innerhalb von Jahrzehnten statt Jahrhunderten erreichen. Nur ein Problem: Die Laserenergieleistung muss bis zu 100 Gigawatt betragen – das entspricht 100 Atomkraftwerken.
Um dieses Problem zu lösen, könnten wir futuristische Technologien kombinieren – die Solarparks, die im Orbit gebaut werden könnten, um Sonnenenergie zu nutzen, könnten stattdessen zum Antrieb der Laser genutzt werden. Das ist alles Technologie, die wir jetzt haben, aber in einem Ausmaß, das weit über dem liegt, was wir derzeit haben. Die Sterne warten dort auf uns – aber es scheint, als müssten sie noch eine Weile warten.
Im Moment haben wir nur die Erde.
Dieser Artikel ist Teil einer Sonderserie von Space.com zu Ehren der Weltraumwoche 2024, die vom 4. bis 10. Oktober stattfindet. Schauen Sie jeden Tag wieder vorbei, um ein neues Feature über die Wechselwirkungen zwischen Weltraumtechnologie und Klimawandel zu erhalten.
