Die drahtlose Energieübertragung wurde am 3. März von Maple demonstriert, einer der drei Schlüsseltechnologien, die vom Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1), dem ersten weltraumgestützten Prototyp des Caltech's Space Solar Power Project (SSPP), getestet werden. 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.
Maple zeigt Erfolge und Potenzial
Es nutzt die Anordnung von Sendern, um die Energie an die gewünschten Orte zu strahlen. Damit SSPP realisierbar ist, müssen Energieübertragungsanordnungen leicht sein, um die Treibstoffmenge, die für den Transport in den Weltraum benötigt wird, zu minimieren, flexibel sein, sodass sie sich zu einem Paket zusammenfalten lassen, das in einer Rakete transportiert werden kann und insgesamt eine kostengünstige Technologie aufweisen.
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. Wir hatten es natürlich auf der Erde getestet, aber jetzt wissen wir, dass es die Reise ins All überstehen und auch dort funktionieren kann.“
Drahtlose Energieübertragung
Durch konstruktive und destruktive Interferenz zwischen den einzelnen Sendern ist eine Reihe von Leistungssendern in der Lage, den Fokus und die Richtung der ausgestrahlten Energie zu verändern – ohne bewegliche Teile. Die Sendergruppe nutzt 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 gezielt an den gewünschten Ort 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, so dass es den rauen Bedingungen des Weltraums ausgesetzt ist, einschließlich der starken Temperaturschwankungen und der Sonneneinstrahlung, denen große SSPP-Einheiten eines Tages ausgesetzt sein werden.
„Soweit wir wissen, 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 zur erwarteten Zeit und Frequenz und wies die richtige Frequenzverschiebung auf, die aufgrund der Reise aus der Umlaufbahn vorhergesagt wurde.
Unbegrenzte Energie aus dem Weltraum
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 liefert potenziell achtmal mehr Energie, als Sonnenkollektoren an irgendeinem Ort auf der Erdoberfläche.
Wenn SSPP vollständig realisiert ist, wird eine Konstellation modularer Raumfahrzeuge eingesetzt, die das Sonnenlicht einfangen, 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 Stromübertragungs-Arrays sind für das aktuelle Design der Caltech-Vision einer Konstellation von segelartigen 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.“
Die Vision für weltraumgestützte Solarenergie
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 davon 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.
Caltech und Brens treiben nachhaltige Zukunft voran
„Die harte Arbeit und das Engagement der brillanten Wissenschaftler von Caltech haben unseren Traum vorangetrieben, die Welt mit reichlich, zuverlässiger und erschwinglicher Energie zum Nutzen der gesamten Menschheit zu versorgen“, so 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 Verwirklichung 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“, fährt er fort. Zusätzlich zu der Unterstützung durch die Brens hat die Northrop Grumman Corporation Caltech 12,5 Millionen Dollar im Laufe des Jahres zur Verfügung gestellt.
