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Weltraumbasierte Solarenergie

Weltraumbasierte Solarenergie (SBSP) ist das Konzept, um Sonnenenergie im Weltraum zu sammeln und auf die Erde zu verteilen. Zu den möglichen Vorteilen der Sammlung von Solarenergie im Weltraum gehören eine höhere Sammelrate und eine längere Sammlungszeit aufgrund der fehlenden diffusen Atmosphäre und die Möglichkeit, einen Sonnenkollektor an einem orbitalen Ort zu platzieren, an dem es keine Nacht gibt. Ein erheblicher Teil der einfallenden Sonnenenergie (55-60%) geht auf dem Weg durch die Erdatmosphäre durch Reflexion und Absorption verloren. Weltraumbasierte Solarstromanlagen wandeln das Sonnenlicht in Mikrowellen außerhalb der Atmosphäre um und vermeiden diese Verluste und die Ausfallzeit aufgrund der Erdrotation, jedoch mit hohen Kosten aufgrund der Kosten der Materialeinführung in die Umlaufbahn. SBSP gilt als eine Form von nachhaltiger oder grüner Energie, erneuerbare Energie und wird gelegentlich als eine der klimatechnischen Vorschläge betrachtet. Es ist attraktiv für diejenigen, die große Lösungen für den anthropogenen Klimawandel oder die Erschöpfung fossiler Brennstoffe (wie Peak Oil) suchen.

Verschiedene SBSP-Vorschläge wurden seit den frühen 1970er Jahren erforscht, aber keine ist mit der heutigen Weltraumstart-Infrastruktur wirtschaftlich rentabel. Ein bescheidenes Gigawatt-Mikrowellensystem, das mit einem großen kommerziellen Kraftwerk vergleichbar wäre, würde die Einführung von etwa 80.000 Tonnen Material in die Umlaufbahn erfordern, wodurch die Energiekosten eines solchen Systems erheblich teurer wären als die der heutigen erneuerbaren Energien. Einige Technologen spekulieren, dass sich dies in ferner Zukunft ändern könnte, wenn eine außeruniversitäre Industriebasis entwickelt würde, die aus Asteroiden oder Mondmaterial Solarstromsatelliten herstellen könnte, oder wenn radikale neue Raumfahrttechnologien außer Raketen in den USA verfügbar wären Zukunft.

Neben den Kosten für die Implementierung eines solchen Systems bringt SBSP auch einige technologische Hürden mit sich, darunter das Problem der Energieübertragung von der Erdumlaufbahn auf die Erdoberfläche. Da Drähte, die sich von der Erdoberfläche zu einem umlaufenden Satelliten erstrecken, mit der gegenwärtigen Technologie weder praktikabel noch durchführbar sind, umfassen SBSP-Entwürfe im Allgemeinen die Verwendung einer Art von drahtloser Energieübertragung mit den entsprechenden Umwandlungs-Ineffizienzen sowie Landnutzungsanliegen für die notwendigen Antennenstationen empfange die Energie an der Erdoberfläche. Der Sammelsatellit würde Solarenergie an Bord in elektrische Energie umwandeln, einen Mikrowellensender oder Laseremitter mit Energie versorgen und diese Energie an einen Kollektor (oder eine Mikrowellenrectenna) auf der Erdoberfläche übertragen. Entgegen den Auftritten von SBSP in populären Romanen und Videospielen schlagen die meisten Designs Strahlenenergiedichten vor, die nicht schädlich sind, wenn Menschen unbeabsichtigt ausgesetzt werden, beispielsweise wenn der Strahl eines sendenden Satelliten vom Kurs abweichen würde. Aber die große Größe der Empfangsantennen, die notwendig wäre, würde immer noch erfordern, dass große Landblöcke in der Nähe der Endverbraucher beschafft und für diesen Zweck bestimmt werden. Die Lebensdauer von weltraumgestützten Kollektoren angesichts der Herausforderungen durch die langfristige Exposition gegenüber der Weltraumumgebung, einschließlich der Degradation durch Strahlung und Mikrometeoritenschäden, könnte ebenfalls ein Problem für SBSP werden.

SBSP wird aktiv von Japan, China und Russland verfolgt. Im Jahr 2008 verabschiedete Japan sein Basic Space Law, das Space Solar Power als nationales Ziel etablierte und JAXA hat eine Roadmap für kommerzielle SBSP. Im Jahr 2015 informierte die China Academy for Space Technology (CAST) ihre Roadmap auf der International Space Development Conference (ISDC), wo sie 2050 ihre Roadmap einem 1-GW-Handelssystem vorstellte und ein Video und eine Beschreibung ihres Designs vorstellte.

Herausforderungen

Potenzial
Das SBSP-Konzept ist attraktiv, weil der Weltraum für die Sammlung von Solarenergie mehrere Vorteile gegenüber der Erdoberfläche bietet:

Es ist immer Sonnenmittag im Raum und volle Sonne.
Das Sammeln von Oberflächen könnte aufgrund des Fehlens von Hindernissen wie atmosphärischen Gasen, Wolken, Staub und anderen Wetterereignissen viel intensiveres Sonnenlicht empfangen. Folglich beträgt die Intensität in der Umlaufbahn ungefähr 144% der maximal erreichbaren Intensität auf der Erdoberfläche.
Ein Satellit könnte in 99% der Zeit beleuchtet werden und im Schatten der Erde maximal 72 Minuten pro Nacht im Frühling und Herbst Tagundnachtgleiche um Mitternacht sein. Umlaufende Satelliten können in der Regel 24 Stunden pro Tag einem gleichbleibend hohen Grad an Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein, während Sonnenkollektoren an der Erdoberfläche derzeit im Durchschnitt 29% des Tages verbrauchen.
Die Stromversorgung könnte relativ schnell direkt in Bereiche verlagert werden, die sie am meisten benötigen. Ein Sammelsatellit könnte möglicherweise Strom auf Nachfrage auf verschiedene Oberflächenorte basierend auf dem geographischen Grundlast- oder Spitzenlastleistungsbedarf richten. Typische Verträge wären Basislast, Dauerleistung, da Spitzenleistung kurzlebig ist.
Beseitigung von Störungen durch Pflanzen und Tiere.
Bei sehr großen Implementierungen, insbesondere in tieferen Lagen, kann es potentiell die einfallende Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, reduzieren. Dies wäre wünschenswert, um den Auswirkungen der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.

Nachteile
Das SBSP-Konzept hat auch eine Reihe von Problemen:

Die großen Kosten für den Start eines Satelliten in den Weltraum
Der ausgedünnte Array-Fluch verhindert eine effiziente Übertragung von Energie aus dem Weltraum auf die Erdoberfläche
Unzugänglichkeit: Die Wartung eines erdbasierten Solarpanels ist relativ einfach, aber die Konstruktion und Wartung eines Solarpanels im Weltraum würde typischerweise telerobotisch erfolgen. Zusätzlich zu den Kosten sind Astronauten, die in GEO (geosynchrone Erdumlaufbahn) arbeiten, inakzeptabel hohen Strahlungsgefahren ausgesetzt und riskieren und kosten etwa tausend Mal mehr als dieselbe Aufgabe, die telerobotisch durchgeführt wird.
Die Weltraumumgebung ist feindselig; Paneele leiden etwa achtmal so stark wie auf der Erde (außer an Bahnen, die durch die Magnetosphäre geschützt sind).
Weltraummüll ist eine große Gefahr für große Objekte im Weltraum, und alle großen Strukturen wie SBSP-Systeme wurden als potenzielle Quellen von Orbitaltrümmern erwähnt.
Die Sendefrequenz der Mikrowellen-Abwärtsstrecke (falls verwendet) würde das Trennen der SBSP-Systeme von anderen Satelliten erfordern. Der GEO-Raum ist bereits gut genutzt, und es wird als unwahrscheinlich angesehen, dass die ITU die Einführung eines SPS ermöglichen würde [irrelevantes Zitat]
Die große Größe und die entsprechenden Kosten der Empfangsstation auf dem Boden.
Energieverluste während mehrerer Phasen der Umwandlung von Photonen zu Elektronen zu Photonen zurück zu Elektronen.

Design
Weltraumbasierte Solarenergie besteht im Wesentlichen aus drei Elementen:

Sammeln von Solarenergie im Weltraum mit Reflektoren oder aufblasbaren Spiegeln auf Solarzellen
drahtlose Energieübertragung zur Erde über Mikrowelle oder Laser
Empfangen von Energie auf der Erde über eine Rectenna, eine Mikrowellenantenne

Der raumbasierte Teil muss sich nicht gegen die Schwerkraft abstützen (abgesehen von relativ schwachen Gezeitenspannungen). Es muss nicht vor terrestrischem Wind oder Wetter geschützt werden, sondern muss mit Weltraumgefahren wie Mikrometeoriten und Sonneneruptionen umgehen. Zwei grundlegende Methoden der Umwandlung wurden untersucht: Photovoltaik (PV) und Solardynamik (SD). Die meisten Analysen von SBSP haben sich auf die photovoltaische Umwandlung mit Solarzellen konzentriert, die Sonnenlicht direkt in Elektrizität umwandeln. Solar Dynamic nutzt Spiegel, um das Licht auf einen Heizkessel zu konzentrieren. Die Nutzung der Solardynamik könnte die Masse pro Watt reduzieren. Die drahtlose Energieübertragung wurde schon früh als Mittel zur Übertragung von Energie von der Sammlung zur Erdoberfläche vorgeschlagen, wobei entweder Mikrowellen- oder Laserstrahlung mit einer Vielzahl von Frequenzen verwendet wurde.

Mikrowellenenergieübertragung
William C. Brown demonstrierte 1964 während des CBS News-Programms von Walter Cronkite einen mikrowellenbetriebenen Modellhubschrauber, der die gesamte für den Flug benötigte Energie aus einem Mikrowellenstrahl erhielt. Zwischen 1969 und 1975 war Bill Brown technischer Direktor eines JPL Raytheon-Programms, das 30 kW Leistung über eine Distanz von 1 Meile (1,6 km) mit 84% Wirkungsgrad strahlte.

Eine Mikrowellen-Leistungsübertragung von einigen zehn Kilowatt wurde durch bestehende Tests bei Goldstone in Kalifornien (1975) und Grand Bassin auf Reunion Island (1997) nachgewiesen.

In jüngerer Zeit wurde die Mikrowellen-Energieübertragung in Verbindung mit der Aufnahme von Solarenergie zwischen einem Berggipfel in Maui und der Insel Hawaii (92 Meilen entfernt) von einem Team unter John C. Mankins demonstriert. Technologische Herausforderungen in Bezug auf das Array-Layout, das Design einzelner Strahlungselemente und die Gesamteffizienz sowie die damit verbundenen theoretischen Grenzen sind derzeit Gegenstand der Forschung, wie die Sondersitzung „Analyse elektromagnetischer drahtloser Systeme für die solare Energieübertragung“ zeigt „Im Rahmen des IEEE-Symposiums 2010 zu Antennen und Ausbreitung. Im Jahr 2013 wurde ein nützlicher Überblick über Technologien und Probleme im Zusammenhang mit der Übertragung von Mikrowellenenergie vom Weltraum zum Boden veröffentlicht. Es enthält eine Einführung in SPS, aktuelle Forschung und Zukunftsperspektiven. Darüber hinaus erschien in den Proceedings of the IEEE eine Übersicht über aktuelle Methoden und Technologien für das Design von Antennenarrays für Mikrowellenenergieübertragung

Laserleistung strahlend
Laserstrahlen wurden von der NASA als Sprungbrett zur weiteren Industrialisierung des Weltraums gesehen. In den 1980er Jahren beschäftigten sich Forscher der NASA mit der möglichen Verwendung von Lasern für die Strahlungsmessung von Raum zu Raum und konzentrierten sich dabei hauptsächlich auf die Entwicklung eines solarbetriebenen Lasers. Im Jahr 1989 wurde vorgeschlagen, dass Energie auch mit Laser von der Erde in den Weltraum geschickt werden könnte. Im Jahr 1991 begann das SELENE-Projekt (SpacE Laser ENErgy), das die Untersuchung von Laserstrahlen zur Energieversorgung einer Mondbasis beinhaltete. Das SELENE-Programm war eine zweijährige Forschungsarbeit, aber die Kosten, um das Konzept in den operationellen Status zu bringen, waren zu hoch, und das offizielle Projekt endete 1993, bevor es zu einer Weltraumdemonstration kam.

1988 wurde von Grant Logan der Einsatz eines erdbasierten Lasers zur Stromversorgung eines elektrischen Triebwerks für Raumfahrtantriebe vorgeschlagen, dessen technische Details 1989 ausgearbeitet wurden. Er schlug vor, Diamant-Solarzellen zu verwenden, die bei 600 Grad arbeiten, um ultraviolettes Laserlicht umzuwandeln.

Orbitalposition
Der Hauptvorteil der Lokalisierung eines Weltraumkraftwerkes in einer geostationären Umlaufbahn besteht darin, dass die Antennengeometrie konstant bleibt und somit die Ausrichtung der Antennen einfacher ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine nahezu kontinuierliche Energieübertragung sofort verfügbar ist, sobald das erste Raumkraftwerk in die Umlaufbahn gebracht wird; Andere weltraumgestützte Kraftwerke haben viel längere Anlaufzeiten, bevor sie nahezu kontinuierliche Leistung erzeugen. Eine Sammlung von LEO-Weltraumkraftwerken (Low Earth Orbit) wurde als Vorläufer für die Weltraum-Solarenergie GEO (Geostationary Orbit) vorgeschlagen.

Erde-basierter Empfänger
Die erdgebundene Rectenna würde wahrscheinlich aus vielen kurzen Dipolantennen bestehen, die über Dioden verbunden sind. Mikrowellensendungen von dem Satelliten würden in den Dipolen mit etwa 85% Effizienz empfangen werden. Mit einer herkömmlichen Mikrowellenantenne ist die Empfangseffizienz besser, aber ihre Kosten und Komplexität sind ebenfalls beträchtlich größer. Rectennas würde wahrscheinlich mehrere Kilometer lang sein.

In Weltraumanwendungen
Ein Laser-SBSP könnte auch eine Basis oder Fahrzeuge auf der Oberfläche des Mondes oder Mars antreiben, wodurch Massenkosten eingespart werden, um die Energiequelle zu erreichen. Ein Raumfahrzeug oder ein anderer Satellit könnte ebenfalls mit den gleichen Mitteln betrieben werden. In einem Bericht von 2012, der der NASA über Space Solar Power vorgelegt wurde, erwähnt der Autor eine weitere mögliche Nutzung der Technologie, die hinter Space Solar Power für Solar Electric Propulsion Systems stehen könnte, die für interplanetare menschliche Explorationsmissionen verwendet werden könnten.

Startkosten
Ein Problem für das SBSP-Konzept sind die Kosten für Weltraumstarts und die Menge an Material, die gestartet werden müsste.

Ein großer Teil des Materials muss nicht sofort in seine endgültige Umlaufbahn gebracht werden, was die Möglichkeit erhöht, dass Motoren mit hohem Wirkungsgrad (aber langsamer) SPS-Material von LEO zu GEO zu akzeptablen Kosten bewegen könnten. Beispiele hierfür sind Ionentriebwerke oder nuklearer Antrieb. Die von der geostationären Umlaufbahn durch Mikrowellen ausstrahlende Leistung bringt die Schwierigkeit mit sich, dass die erforderlichen Größen der „optischen Apertur“ sehr groß sind. Zum Beispiel benötigte die NASA-SPS-Studie von 1978 eine Sendeantenne mit einem Durchmesser von 1 km und eine Empfangsantenne mit einem Durchmesser von 10 km für einen Mikrowellenstrahl bei 2,45 GHz. Diese Größen können durch Verwendung kürzerer Wellenlängen etwas verringert werden, obwohl sie eine erhöhte atmosphärische Absorption und sogar eine mögliche Strahlblockierung durch Regen oder Wassertröpfchen aufweisen. Aufgrund des ausgedünnten Array-Fluchs ist es nicht möglich, einen schmaleren Strahl zu erzeugen, indem die Strahlen mehrerer kleinerer Satelliten kombiniert werden. Die große Größe der Sende- und Empfangsantennen bedeutet, dass der minimale praktische Leistungspegel für eine SPS notwendigerweise hoch ist; kleine SPS-Systeme sind möglich, aber unwirtschaftlich.

Um eine Vorstellung vom Ausmaß des Problems zu geben, würde ein 4-Gigawatt-Kraftwerk bei einer Sonnenkollektormasse von 20 kg pro Kilowatt (ohne Berücksichtigung der Masse der Tragstruktur, der Antenne oder irgendeiner signifikanten Massenreduktion von fokussierenden Spiegeln) wiegen etwa 80.000 metrische Tonnen, von denen alle unter den gegenwärtigen Umständen von der Erde aus gestartet werden würden. Sehr leichte Konstruktionen könnten wahrscheinlich 1 kg / kW erreichen, was 4000 Tonnen für die Sonnenkollektoren für die gleiche 4-GW-Kapazitätsstation bedeutet. Dies entspräche 40 bis 150 Starts von Schwerlast-Trägerraketen (Heavy-Lift Launch Vehicle, HLLV), um das Material in eine niedrige Erdumlaufbahn zu befördern, wo es wahrscheinlich in Unterbau-Solar-Arrays umgewandelt würde, die dann hocheffiziente Ionenmotoren verwenden könnten Raketen erreichen (langsam) GEO (geostationäre Umlaufbahn). Mit geschätzten Kosten für die Serieneinführung von Shuttle-basierten HLLVs in Höhe von 500 Millionen US-Dollar auf 800 Millionen US-Dollar und Startkosten für alternative HLLVs in Höhe von 78 Millionen US-Dollar würden die Startkosten zwischen 11 Milliarden US-Dollar (Low-Cost-HLLV, Low-Weight-Panels) und 320 Milliarden US-Dollar liegen. teuer ‚HLLV, schwerere Platten). Zu diesen Kosten müssen die Umweltauswirkungen von Weltraummissionen hinzukommen, wenn diese Kosten im Vergleich zur erdbasierten Energieerzeugung genutzt werden sollen. Zum Vergleich: Die direkten Kosten eines neuen Kohle- oder Kernkraftwerks belaufen sich auf 3 bis 6 Mrd. USD pro GW (ohne die vollen Kosten für die Umwelt durch CO2-Emissionen bzw. die Lagerung abgebrannter Kernbrennstoffe); Ein anderes Beispiel sind die Apollo-Missionen zum Mond, die eine Summe von 24 Milliarden Dollar (Dollars der 1970er Jahre) kosten und unter Berücksichtigung der Inflation heute 140 Milliarden Dollar kosten würden, teurer als der Bau der Internationalen Raumstation.

Aus dem Weltraum bauen

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Von Mondmaterialien, die im Orbit gestartet wurden
Gerard O’Neill, der das Problem der hohen Startkosten in den frühen 1970er Jahren bemerkte, schlug vor, die SPS mit Materialien vom Mond in Umlauf zu bringen. Startkosten vom Mond sind möglicherweise viel niedriger als von der Erde, aufgrund der geringeren Schwerkraft und des fehlenden atmosphärischen Widerstandes. Dieser Vorschlag aus den 1970er Jahren nahm die damals angekündigte zukünftige Markteinführung der NASA-Raumfähre an. Dieser Ansatz würde erhebliche Vorabinvestitionen erfordern, um Massenfahrer auf dem Mond zu etablieren. Am 30. April 1979 kam der Abschlussbericht („Lunar Resources Utilization for Space Construction“) der Convair Division von General Dynamics unter dem NASA-Vertrag NAS9-15560 zu dem Schluss, dass die Verwendung von Mondressourcen billiger wäre als erdbasiertes Material System von nur 30 Solar Power Satellites von je 10GW Kapazität.

Im Jahr 1980, als sich herausstellte, dass die NASA-Startkostenschätzungen für das Space Shuttle äußerst optimistisch waren, haben O’Neill et al. veröffentlichte einen anderen Weg zur Herstellung von Mondmaterialien mit viel niedrigeren Startkosten. Dieses SPS-Konzept der achtziger Jahre basierte weniger auf menschlicher Anwesenheit im Weltraum und mehr auf teilweise sich selbst replizierenden Systemen auf der Mondoberfläche unter der Fernsteuerung von auf der Erde stationierten Arbeitern. Der hohe Nettoenergiegewinn dieses Vorschlags stammt von der viel flacheren Gravitationsquelle des Mondes.

Wenn man eine relativ billige Quelle von Rohmaterialien aus dem Weltraum pro Kilogramm verwendet, würde dies die Sorge um Designs mit geringer Masse verringern und dazu führen, dass eine andere Art von SPS gebaut wird. Die geringen Kosten pro Pfund Mondmaterial in O’Neills Vision würden durch die Verwendung von Mondmaterial unterstützt werden, um mehr Anlagen in der Umlaufbahn als nur Sonnenenergie-Satelliten herzustellen. Fortgeschrittene Techniken zum Starten vom Mond können die Kosten für den Bau eines Sonnenenergie-Satelliten aus Mondmaterialien reduzieren. Einige vorgeschlagene Techniken schließen den Mondmassetreiber und den Mondraumhöhenaufzug ein, zuerst beschrieben von Jerome Pearson. Es würde die Errichtung von Produktionsstätten für Silizium-Bergbau und Solarzellen auf dem Mond erfordern.

Auf dem Mond
Der Physiker Dr. David Criswell schlägt vor, dass der Mond der optimale Standort für Solarkraftwerke ist, und fördert Sonnenenergie auf Mondbasis. Der Hauptvorteil, den er sich erhofft, ist der Bau größtenteils aus lokal verfügbarem Mondmaterial unter Verwendung von in-situ Ressourcennutzung, mit einer teleoperierten mobilen Fabrik und einem Kran zum Zusammenbauen der Mikrowellenreflektoren und Rover zum Montieren und Pflegen von Solarzellen, was die Startkosten im Vergleich erheblich reduzieren würde zu SBSP Designs. Zu diesem Projekt gehören auch Power-Relay-Satelliten, die um die Erde kreisen, und der Mond, der den Mikrowellenstrahl reflektiert. Ein Demoprojekt von 1 GW beginnt bei 50 Milliarden Dollar. Die Shimizu Corporation verwendet eine Kombination aus Lasern und Mikrowellen für das Luna Ring-Konzept sowie Power-Relay-Satelliten.

Von einem Asteroiden
Asteroidenabbau wurde ebenfalls ernsthaft in Betracht gezogen. Eine NASA-Designstudie bewertete ein 10.000-Tonnen-Bergbaufahrzeug (das in der Umlaufbahn montiert werden sollte), das ein 500.000 Tonnen schweres Asteroidenfragment in die geostationäre Umlaufbahn zurückbringen würde. Nur etwa 3.000 Tonnen des Minenschiffs würden traditionelle Nutzlasten für die Luftfahrt sein. Der Rest wäre eine Reaktionsmasse für den Mass-Driver-Motor, der als die verbrauchten Raketenstufen angeordnet werden könnte, die zum Starten der Nutzlast verwendet werden. Unter der Annahme, dass 100% des zurückgegebenen Asteroiden nützlich waren und dass der Asteroiden Miner selbst nicht wiederverwendet werden konnte, bedeutet dies eine Reduzierung der Startkosten um fast 95%. Die wahren Vorteile einer solchen Methode würden jedoch von einer gründlichen Untersuchung der Asteroiden durch die Minerale abhängen. Bis jetzt haben wir nur Schätzungen ihrer Zusammensetzung. Ein Vorschlag ist, den Asteroiden Apophis in eine Erdumlaufbahn zu bringen und in 150 Solarenergiesatelliten von je 5 GW oder den größeren Asteroiden 1999 AN10 umzuwandeln, der 50x so groß wie Apophis ist und groß genug ist, um 7500 5-Gigawatt-Solarenergiesatelliten zu bauen

Untypische Konfigurationen und architektonische Überlegungen
Das typische Bezugssystem von Systemen beinhaltet eine beträchtliche Anzahl (mehrere tausend Multi-Gigawatt-Systeme, um den gesamten oder einen wesentlichen Teil des Energiebedarfs der Erde zu decken) von einzelnen Satelliten in GEO. Das typische Referenzdesign für den einzelnen Satelliten liegt im Bereich von 1 bis 10 GW und umfasst üblicherweise planare oder konzentrierte Solar-Photovoltaik (PV) als Energiekollektor / Umwandlung. Die typischsten Übertragungsdesigns liegen im 1-10 GHz (2,45 oder 5,8 GHz) HF-Band, wo minimale Verluste in der Atmosphäre auftreten. Die Materialien für die Satelliten stammen von der Erde und werden auf dieser hergestellt. Es wird erwartet, dass sie über einen wiederverwendbaren Raketenstart zu LEO transportiert und über chemische oder elektrische Antriebe zwischen LEO und GEO transportiert werden. Zusammenfassend sind die Architektur-Auswahlmöglichkeiten:

Standort = GEO
Energiesammlung = PV
Satellit = monolithische Struktur
Übertragung = RF
Materialien & Herstellung = Erde
Installation = RLVs zu LEO, Chemikalie zu GEO

Vom Referenzsystem gibt es mehrere interessante Gestaltungsvarianten:

Alternativer Ort der Energiegewinnung: Während GEO wegen seiner Vorteile der Nähe zur Erde, vereinfachter Ausrichtung und Verfolgung, sehr kurzer Okkultationszeit und Skalierbarkeit, um alle globalen Anforderungen mehrfach zu erfüllen, am typischsten ist, wurden andere Standorte vorgeschlagen:

Sun Earth L1: Robert Kennedy III, Ken Roy & David Fields haben eine Variante des L1-Sonnenschutzes namens „Dyson Dots“ vorgeschlagen, bei der ein Multi-Terawatt-Primärkollektor die Energie zurück zu einer Reihe von sonnensynchronen LEO-Empfängersatelliten sendet. Der viel größere Abstand zur Erde erfordert eine entsprechend größere Transmissionsöffnung.
Mondoberfläche: Dr. David Criswell hat vorgeschlagen, die Mondoberfläche selbst als Sammlungsmedium zu verwenden, die über eine Reihe von Mikrowellenreflektoren in der Erdumlaufbahn auf den Boden strahlt. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes wäre die Möglichkeit, die Solarkollektoren in-situ ohne die Energiekosten und die Komplexität des Starts herzustellen. Zu den Nachteilen gehören die viel längere Entfernung, die größere Übertragungssysteme erfordert, der erforderliche „Überbau“ zur Bewältigung der Mondnacht und die Schwierigkeit einer ausreichenden Herstellung und Ausrichtung von Reflektorsatelliten.
MEO: MEO-Systeme wurden für In-Space-Versorgungsunternehmen und Strahlantriebsinfrastrukturen vorgeschlagen. Siehe zum Beispiel Royce Jones ‚Papier.
Elliptische Orbitale: Molniya, Tundra oder Quazi Zenith Orbits wurden als frühe Standorte für Nischenmärkte vorgeschlagen, die weniger Energie für den Zugriff benötigen und eine gute Persistenz bieten.
Sun-Sync LEO: In dieser nahen Polar-Umlaufbahn präzedieren die Satelliten so schnell, dass sie immer der Sonne gegenüberstehen, wenn sie sich um die Erde dreht. Dies ist eine leicht zugängliche Umlaufbahn, die viel weniger Energie benötigt, und ihre Nähe zur Erde erfordert kleinere (und daher weniger massive) Sendeöffnungen. Zu den Nachteilen dieses Ansatzes gehört jedoch, ständig Empfangsstationen verschieben zu müssen oder Energie für eine Burst-Übertragung zu speichern. Dieser Orbit ist bereits überfüllt und weist erhebliche Weltraumtrümmer auf.
Äquatorialer LEO: Japans SPS 2000 schlug einen frühen Demonstrator in äquatorialer LEO vor, in dem mehrere äquatornahe Teilnehmerstaaten eine gewisse Macht erhalten könnten.
Die Erdoberfläche: Dr. Narayan Komerath hat ein Weltraum-Stromnetz vorgeschlagen, bei dem überschüssige Energie von einem bestehenden Netz oder Kraftwerk auf einer Seite des Planeten in die Umlaufbahn, zu einem anderen Satelliten und zu Empfängern geleitet werden kann.

Energy Collection: Die typischsten Designs für Solar Power Satellites sind Photovoltaik. Diese können planar (und normalerweise passiv gekühlt) sein, konzentriert (und vielleicht aktiv gekühlt) sein. Es gibt jedoch mehrere interessante Varianten.

Solarthermie: Befürworter von Solarthermie haben vorgeschlagen, eine konzentrierte Erwärmung zu verwenden, um eine Zustandsänderung in einer Flüssigkeit zu bewirken, um Energie durch eine sich drehende Maschine, gefolgt von einer Kühlung in Radiatoren, zu extrahieren. Vorteile dieser Methode könnten die Gesamtsystemmasse (umstritten), die Nicht-Degradation aufgrund von Schäden durch Sonnenwind und die Strahlungstoleranz umfassen. Ein kürzlich von Keith Henson entworfenes thermisches Solarthermiesatellit wurde hier visualisiert.
Solar Pumped Laser: Japan hat einen solar gepumpten Laser verfolgt, bei dem das Sonnenlicht direkt das Lasermedium anregt, mit dem der kohärente Strahl zur Erde erzeugt wird.
Fusion Decay: Diese Version eines Power-Satelliten ist nicht „solar“. Vielmehr wird das Vakuum des Weltraums als „Merkmal kein Käfer“ für die traditionelle Fusion gesehen. Laut Dr. Paul Werbos zerfallen selbst neutrale Teilchen nach der Fusion zu geladenen Teilchen, die in einem ausreichend großen Volumen eine direkte Umwandlung in Strom ermöglichen würden.
Solar Wind Loop: Auch als Dyson-Harrop-Satellit bezeichnet. Hier nutzt der Satellit nicht die Photonen der Sonne, sondern die geladenen Teilchen im Sonnenwind, die über eine elektromagnetische Kopplung einen Strom in einer großen Schleife erzeugen.
Direkte Spiegel: Frühe Konzepte für die direkte Spiegelumlenkung des Lichts zum Planeten Erde leiden an dem Problem, dass die von der Sonne kommenden Strahlen nicht parallel sind, sondern sich von einer Scheibe ausdehnen und so die Größe des Flecks auf der Erde ziemlich groß ist. Dr. Lewis Fraas hat eine Reihe von Parabolspiegeln erforscht, um bestehende Solaranlagen zu ergänzen.

Alternative Satellitenarchitektur: Der typische Satellit ist eine monolithische Struktur, die aus einem Strukturträger, einem oder mehreren Kollektoren, einem oder mehreren Sendern und gelegentlich Primär- und Sekundärreflektoren besteht. Die gesamte Struktur kann durch Schwerkraftgradienten stabilisiert sein. Alternative Designs beinhalten:

Schwärme von kleineren Satelliten: Einige Designs schlagen Schwärme frei fliegender kleinerer Satelliten vor. Dies ist bei mehreren Laserdesigns der Fall und scheint bei CALTECHs Flying Carpets der Fall zu sein. Für HF-Designs ist eine Konstruktionsbeschränkung das Sparse-Array-Problem.
Free Floating Components: Solaren hat eine Alternative zur monolithischen Struktur vorgeschlagen, bei der der Primärreflektor und der Übertragungsreflektor frei fliegend sind.
Spin Stabilisation: Die NASA untersuchte ein spinstabilisiertes Dünnfilm-Konzept.
Photonenlaser-Strahlruder (PLT) stabilisierte Struktur: Dr. Young Bae hat vorgeschlagen, dass der Photonendruck die Druckelemente in großen Strukturen ersetzen kann.

Übertragung: Das typischste Design für die Energieübertragung ist über eine RF-Antenne unter 10 GHz zu einer Rectenna auf dem Boden. Es besteht eine Kontroverse zwischen den Vorteilen von Klystrons, Gyrotrons, Magnetrons und Festkörpern. Alternative Übertragungsansätze umfassen:

Laser: Laser bieten den Vorteil von viel niedrigeren Kosten und Masse an die erste Leistung, jedoch gibt es Kontroversen über Vorteile der Effizienz. Laser ermöglichen viel kleinere Sende- und Empfangsöffnungen. Ein hochkonzentrierter Strahl hat jedoch Bedenken hinsichtlich Augensicherheit, Brandschutz und Bewaffnung. Befürworter glauben, dass sie Antworten auf all diese Bedenken haben. Ein laserbasierter Ansatz muss auch alternative Wege finden, mit Niederschlägen fertig zu werden.
Atmosphärischer Wellenleiter: Einige haben vorgeschlagen, dass es möglich sein könnte, einen Kurzimpulslaser zu verwenden, um einen atmosphärischen Wellenleiter zu erzeugen, durch den konzentrierte Mikrowellen fließen könnten.
Skalar: Einige haben sogar spekuliert, dass es möglich ist, Energie durch Skalarwellen zu übertragen.
Kernsynthese: Teilchenbeschleuniger, die auf dem inneren Sonnensystem basieren (sei es in der Umlaufbahn oder auf einem Planeten wie dem Merkur), könnten Sonnenenergie nutzen, um Kernbrennstoffe aus natürlich vorkommenden Materialien zu synthetisieren. Dies wäre zwar mit der derzeitigen Technologie äußerst ineffizient (hinsichtlich der Energiemenge, die zur Herstellung des Brennstoffs benötigt wird, verglichen mit der im Brennstoff enthaltenen Energiemenge) und würde offensichtliche Fragen der nuklearen Sicherheit aufwerfen, die grundlegende Technologie, auf die sich ein solcher Ansatz stützte Verlass ist schon seit Jahrzehnten in Gebrauch und macht es zu dem sichersten Mittel, um Energie besonders über sehr lange Entfernungen zu senden – insbesondere vom inneren Sonnensystem zum äußeren Sonnensystem.

Materialien und Herstellung: Typische Designs verwenden das entwickelte industrielle Fertigungssystem, das auf der Erde vorhanden ist, und verwenden erdbasierte Materialien sowohl für den Satelliten als auch für das Treibmittel. Varianten umfassen:

Lunar Materials: Designs für Solar Power Satellites, die> 99% der Materialien aus Mondregolith mit sehr geringen Mengen an „Vitaminen“ von anderen Standorten beziehen. Die Verwendung von Materialien aus dem Mond ist attraktiv, weil der Start vom Mond theoretisch viel weniger kompliziert ist als von der Erde. Da es keine Atmosphäre gibt, müssen die Komponenten nicht dicht in der Luft verpackt werden und Vibrationen, Druck und Temperaturbelastungen aushalten. Die Einführung kann über einen magnetischen Massentreiber und die Anforderung, Treibmittel für den Start zu verwenden, erfolgen. Vom Mond aus benötigt der GEO auch viel weniger Energie als aus der tieferen Gravitationsquelle der Erde. Der Bau aller solaren Energiesatelliten, um die gesamte benötigte Energie für den gesamten Planeten zu liefern, benötigt weniger als ein Millionstel der Masse des Mondes.
Selbst-Replikation auf dem Mond: 1980 erforschte die NASA eine selbstreplizierende Fabrik auf dem Mond. In jüngerer Zeit schlug Justin Lewis-Webber eine Methode der spezialisierten Herstellung von Kernelementen vor, die auf John Mankins SPS-Alpha Design basiert.
Asteroidale Materialien: Einige Asteroiden sollen noch weniger Delta-V haben, um Materialien zu gewinnen als der Mond, und einige besondere Materialien von Interesse, wie Metalle, können konzentrierter oder leichter zugänglich sein.
In-Space / In-Situ Manufacturing: Mit der additiven Fertigung im Weltraum können Konzepte wie SpiderFab eine Masseneinführung von Rohstoffen für die lokale Extrusion ermöglichen.

Gegenargumente

Sicherheit
Die Verwendung von Mikrowellenübertragung von Energie war das kontroverseste Thema, wenn es um ein SPS-Design ging. An der Erdoberfläche würde ein vorgeschlagener Mikrowellenstrahl in seiner Mitte eine maximale Intensität von 23 mW / cm2 (weniger als 1/4 der Sonneneinstrahlungskonstante) und eine Intensität von weniger als 1 mW / cm2 außerhalb der Rectenna-Zaunlinie haben ( der Umfang des Empfängers). Diese Werte stehen im Vergleich zu den aktuellen OSHA-Arbeitsplatzgrenzwerten für Mikrowellen, die 10 mW / cm2 betragen, – wobei das Limit selbst in freiwilligen Ausdrücken ausgedrückt und für die Durchsetzung durch die Bundesarbeitsschutzbehörde nicht durchsetzbar ist. Ein Strahl dieser Intensität ist daher in seiner Mitte, in einer Größenordnung, die den gegenwärtigen sicheren Arbeitsplatzniveaus entspricht, selbst für Langzeit- oder unbestimmte Exposition. Außerhalb des Empfängers ist es weit weniger als die langfristigen OSHA-Ebenen. Über 95% der Strahlenergie wird auf die Rectenna fallen. Die verbleibende Mikrowellenenergie wird absorbiert und gut innerhalb der Standards verteilt, die gegenwärtig Mikrowellenemissionen auf der ganzen Welt auferlegt werden. Für die Systemeffizienz ist es wichtig, dass möglichst viel der Mikrowellenstrahlung auf die Rectenna fokussiert wird. Außerhalb der Rectenna nehmen Mikrowellenintensitäten schnell ab, so dass nahe gelegene Städte oder andere menschliche Aktivitäten völlig unberührt bleiben sollten.

Die Bestrahlung mit dem Strahl kann auf andere Weise minimiert werden. Auf dem Boden ist der physische Zugang kontrollierbar (z. B. durch Umzäunung), und typische Flugzeuge, die durch den Strahl fliegen, stellen den Passagieren eine schützende Metallhülle (dh einen Faraday-Käfig) zur Verfügung, die die Mikrowellen abfängt. Andere Luftfahrzeuge (Ballons, Ultraleichtflugzeuge usw.) können eine Exposition vermeiden, indem sie Flugkontrollräume beobachten, wie dies derzeit für militärische und andere kontrollierte Lufträume der Fall ist. Die Intensität des Mikrowellenstrahls auf Bodenhöhe in der Mitte des Strahls würde entworfen und physikalisch in das System eingebaut werden; einfach wäre der Sender zu weit weg und zu klein, um selbst im Prinzip die Intensität auf unsichere Pegel erhöhen zu können.

Eine Konstruktionsbeschränkung besteht außerdem darin, dass der Mikrowellenstrahl nicht so intensiv sein darf, dass er Wildtiere, insbesondere Vögel, verletzt. Experimente mit absichtlicher Mikrowellenbestrahlung in vernünftigen Mengen haben selbst über mehrere Generationen hinweg keine negativen Auswirkungen gezeigt. Es wurden Vorschläge gemacht, um Rectennen auf hoher See zu lokalisieren, aber dies stellt ernsthafte Probleme dar, einschließlich Korrosion, mechanischer Beanspruchung und biologischer Kontamination.

Ein häufig vorgeschlagener Ansatz zum Sicherstellen einer fehlersicheren Strahlausrichtung ist die Verwendung einer retrorefektiven phasengesteuerten Gruppenantenne / Rectenna. Ein „Pilot“ -Mikrowellenstrahl, der von der Mitte der Rectenna auf dem Boden emittiert wird, bildet eine Phasenfront an der Sendeantenne. Dort vergleichen Schaltungen in jedem der Teilarrays der Antenne die Phasenfront des Pilotstrahls mit einer internen Taktphase, um die Phase des abgehenden Signals zu steuern. Dies zwingt den transmittierten Strahl, genau auf der Rectenna zentriert zu werden und einen hohen Grad an Phasengleichförmigkeit aufzuweisen;Wenn der Pilotstrahl aus irgendeinem Grund verlötet wird (wenn die Sendeantenne zum Beispiel von der Rectenna umgeleitet wird), wird der Phasensteuerwert und der Mikrowellen-Energiestrahl automatisch defokussiert. Ein solches System wäre physisch nicht in der Lage, seinen Energiestahl überall zu fokussieren, also keinen Pilotstrahlsender vorhanden zu sein. Die langfristigen Ausprägungen der Strahlkraft in der Form von Mikrowellen müssen noch nicht berücksichtigt werden, aber es sollte nicht vorher ausgeführt werden.

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