Caltec gelingt drahtlose Energieübertragung im Weltraum

Die drahtlose Energieübertragung wurde am 3. März von MAPLE demonstriert, einer der drei Schlüsseltechnologien, die vom Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) getestet werden, dem ersten weltraumgestützten Prototyp des Caltech's Space Solar Power Project (SSPP). Das SSPP zielt darauf ab, Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und sie auf die Erdoberfläche zu übertragen.

MAPLE, kurz für Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment und eines der drei Schlüsselexperimente innerhalb von SSPD-1, besteht aus einem Array von flexiblen, leichten Mikrowellen-Energiesendern, die von speziell angefertigten elektronischen Chips angetrieben werden, die mit kostengünstigen Siliziumtechnologien hergestellt wurden. Es nutzt die Anordnung von Sendern, um die Energie an die gewünschten Orte zu strahlen. Damit SSPP realisierbar ist, müssen die Energieübertragungsarrays leicht sein, um die für den Transport ins All benötigte Treibstoffmenge zu minimieren. Zudem müssen sie flexibel sein, damit sie sich zu einem Paket zusammenlegen lassen, das in einer Rakete transportiert werden kann und eine kostengünstige Technologie darstellen.

MAPLE wurde von einem Caltech-Team unter der Leitung von Ali Hajimiri, Bren-Professor für Elektrotechnik und Medizintechnik und Co-Direktor des SSPP, entwickelt.

"Durch die bisher durchgeführten Experimente haben wir die Bestätigung erhalten, dass MAPLE erfolgreich Energie an Empfänger im Weltraum übertragen kann", sagt Hajimiri. "Wir waren auch in der Lage, das Array so zu programmieren, dass es seine Energie auf die Erde richtet, was wir hier am California Institute of Technology festgestellt haben. Wir hatten es natürlich auf der Erde getestet, aber jetzt wissen wir, dass es die Reise ins All überstehen und auch dort funktionieren kann."

Durch konstruktive und destruktive Interferenz zwischen den einzelnen Sendern kann eine Reihe von Leistungssendern den Fokus und die Richtung der ausgestrahlten Energie verändern - ohne bewegliche Teile. Die Sendergruppe verwendet präzise Zeitsteuerungselemente, um die Energie durch kohärente Addition elektromagnetischer Wellen dynamisch und selektiv auf den gewünschten Ort zu fokussieren. Auf diese Weise wird der Großteil der Energie an den gewünschten Ort und nirgendwo anders hin übertragen.

MAPLE verfügt über zwei separate Empfänger-Arrays, die etwa einen Meter vom Sender entfernt sind, um die Energie zu empfangen, sie in Gleichstrom umzuwandeln und damit ein LED-Paar zum Leuchten zu bringen, um die vollständige Abfolge der drahtlosen Energieübertragung über eine Entfernung im Weltraum zu demonstrieren. MAPLE testete dies im Weltraum, indem es jede LED einzeln zum Leuchten brachte und zwischen ihnen hin- und herschaltete. Das Experiment ist nicht versiegelt, sodass es den rauen Bedingungen des Weltraums ausgesetzt ist, einschließlich der starken Temperaturschwankungen und der Sonneneinstrahlung, denen große SSPP-Einheiten eines Tages ausgesetzt sein werden.

"Unseres Wissens hat noch niemand die drahtlose Energieübertragung im Weltraum demonstriert, auch nicht mit teuren starren Strukturen. Wir machen das mit flexiblen Leichtbaustrukturen und mit unseren eigenen integrierten Schaltungen. Das ist ein Novum", sagt Hajimiri.

MAPLE verfügt auch über ein kleines Fenster, durch das das Array die Energie abstrahlen kann. Diese gesendete Energie wurde am 22. Mai von einem Empfänger auf dem Dach des Gordon and Betty Moore Laboratory of Engineering auf dem Caltech-Campus in Pasadena erfasst. Das empfangene Signal erschien zum erwarteten Zeitpunkt und auf der erwarteten Frequenz und wies die richtige Frequenzverschiebung auf, die auf der Grundlage der Reise aus der Umlaufbahn vorhergesagt wurde.

Das Experiment hat den SSPP-Ingenieuren nicht nur gezeigt, dass die Leistungssender den Start (der am 3. Januar stattfand) und den Raumflug überstehen und immer noch funktionieren, sondern auch nützliches Feedback geliefert. Die Leistungsübertragungsantennen sind in Gruppen von 16 Stück zusammengefasst, wobei jede Gruppe von einem vollständig benutzerdefinierten flexiblen integrierten Schaltkreis-Chip gesteuert wird.

Das Team von Hajimiri bewertet nun die Leistung der einzelnen Elemente innerhalb des Systems, indem es die Interferenzmuster kleinerer Gruppen auswertet und die Unterschiede zwischen verschiedenen Kombinationen misst. Dieser mühsame Prozess, der bis zu sechs Monate dauern kann, wird es dem Team ermöglichen, Unregelmäßigkeiten auszusortieren und zu den einzelnen Einheiten zurückzuverfolgen, um Erkenntnisse für die nächste Generation des Systems zu gewinnen.

Die Weltraumsolarenergie bietet eine Möglichkeit, das praktisch unbegrenzte Angebot an Sonnenenergie im Weltraum anzuzapfen, wo die Energie ständig zur Verfügung steht, ohne den Zyklen von Tag und Nacht, den Jahreszeiten und der Bewölkung unterworfen zu sein - und potenziell achtmal mehr Energie liefert als Sonnenkollektoren an jedem beliebigen Ort auf der Erdoberfläche. Wenn SSPP vollständig realisiert ist, wird eine Konstellation modularer Raumfahrzeuge eingesetzt, die Sonnenlicht sammeln, es in Elektrizität umwandeln und dann in Mikrowellen umwandeln, die drahtlos über große Entfernungen dorthin übertragen werden, wo sie benötigt werden - auch an Orte, die derzeit keinen Zugang zu zuverlässiger Energie haben.

"Die flexiblen Energieübertragungs-Arrays sind für das derzeitige Design der Caltech-Vision einer Konstellation von segelähnlichen Solarzellen, die sich entfalten, sobald sie die Umlaufbahn erreichen, von wesentlicher Bedeutung", sagt Sergio Pellegrino, Joyce und Kent Kresa Professor für Luft- und Raumfahrt und Bauingenieurwesen und Co-Direktor des SSPP.

"So wie das Internet den Zugang zu Informationen demokratisiert hat, hoffen wir, dass die drahtlose Energieübertragung den Zugang zu Energie demokratisiert", sagt Hajimiri. "Es wird keine Energieübertragungsinfrastruktur vor Ort benötigt, um diese Energie zu empfangen. Das bedeutet, dass wir Energie in abgelegene Regionen und in Gebiete schicken können, die von Kriegen oder Naturkatastrophen verwüstet wurden."

Das SSPP wurde 2011 ins Leben gerufen, nachdem der Philanthrop Donald Bren, Vorsitzender der Irvine Company und lebenslanges Mitglied des Caltech-Kuratoriums, als junger Mann durch einen Artikel in der Zeitschrift Popular Science erstmals vom Potenzial der weltraumgestützten Solarenergieerzeugung erfahren hatte. Fasziniert vom Potenzial der weltraumgestützten Solarenergie wandte sich Bren 2011 an den damaligen Präsidenten des Caltech, Jean-Lou Chameau, um die Einrichtung eines weltraumgestützten Forschungsprojekts für Solarenergie zu besprechen. In den darauffolgenden Jahren erklärten sich Bren und seine Frau Brigitte Bren, ebenfalls Caltech-Treuhänderin, bereit, das Projekt zu finanzieren. Die erste Spende an Caltech (die sich schließlich auf über 100 Millionen Dollar zur Unterstützung des Projekts und der Stiftungsprofessuren belaufen wird) erfolgte über die Donald Bren Foundation.

"Die harte Arbeit und das Engagement der brillanten Wissenschaftler am Caltech haben unseren Traum, die Welt mit reichlich, zuverlässiger und erschwinglicher Energie zum Nutzen der gesamten Menschheit zu versorgen, vorangebracht", sagt Bren.

"Der Übergang zu erneuerbaren Energien, der für die Zukunft der Welt von entscheidender Bedeutung ist, wird heute durch die Probleme der Energiespeicherung und -übertragung eingeschränkt. Das Beamen von Solarenergie aus dem Weltraum ist eine elegante Lösung, die dank der Großzügigkeit und Weitsicht der Brens der Realisierung einen Schritt näher gekommen ist", sagt Caltech-Präsident Thomas F. Rosenbaum. "Donald Bren hat sich einer gewaltigen technischen Herausforderung gestellt, die einen bemerkenswerten Gewinn für die Menschheit verspricht: eine Welt, die von unterbrechungsfreier erneuerbarer Energie versorgt wird."

Zusätzlich zur Unterstützung durch die Brens stellte die Northrop Grumman Corporation dem Caltech über einen Zeitraum von drei Jahren zwischen 2014 und 2017 12,5 Millionen US-Dollar im Rahmen einer gesponserten Forschungsvereinbarung zur Verfügung, um die Entwicklung der Technologie und die Förderung der Wissenschaft für das Projekt zu unterstützen.

"Die Demonstration der drahtlosen Energieübertragung im Weltraum unter Verwendung von Leichtbaustrukturen ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Weltraumsolarenergie und zu einem breiten weltweiten Zugang zu ihr", sagt Harry Atwater, Otis Booth Leadership Chair of Division of Engineering and Applied Science, Howard Hughes Professor of Applied Physics and Materials Science, Director of the Liquid Sunlight Alliance und einer der Hauptforscher des Projekts. "Solarzellen werden bereits im Weltraum eingesetzt, um beispielsweise die Internationale Raumstation mit Strom zu versorgen, aber um ausreichend große Arrays zu starten und einzusetzen, um die Erde mit Strom zu versorgen, muss das SSPP Systeme zur Übertragung von Solarenergie entwerfen und entwickeln, die ultraleicht, billig und flexibel sind."

Quelle: California Institute of Technology