Forscher übertragen Raum

Jan 25, 2024

Weltraum-Solarenergie bietet eine Möglichkeit, das praktisch unbegrenzte Angebot an Sonnenenergie im Weltraum zu nutzen. Sonnenenergie aus dem Weltraum ist kontinuierlich verfügbar und unterliegt nicht den Zyklen von Tag und Nacht, Jahreszeiten und Wolkendecke. Sie kann bis zu achtmal mehr Energie liefern als Sonnenkollektoren irgendwo auf der Erdoberfläche.

Allerdings ist es immer noch eine Herausforderung, Weltraum-Sonnenenergie zu speichern, sie zur Erde zu übertragen und zu nutzen.

Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher am California Institute of Technology (Caltech) ein Mikrowellenarray für das Power-Transfer Low-Orbit Experiment (MAPLE) entwickelt, das darauf abzielt, Sonnenenergie zu erzeugen und vom Weltraum zur Erdoberfläche zu übertragen.

Der im Januar in die Umlaufbahn gebrachte Weltraum-Solarenergie-Prototyp ist jetzt betriebsbereit. Es hat zum ersten Mal seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, Energie drahtlos im Weltraum zu übertragen und nachweisbare Energie zur Erde zu übertragen.

Es wird vom Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) getestet und ist der erste weltraumgestützte Prototyp des Space Solar Power Project (SSPP) von Caltech, dessen Ziel es ist, Sonnenenergie im Weltraum zu gewinnen und an die Erdoberfläche zu übertragen.

MAPLE besteht aus flexiblen, leichten Mikrowellen-Leistungssendern, die von maßgeschneiderten elektronischen Chips angetrieben werden, die mit kostengünstiger Siliziumtechnologie hergestellt werden. Es verwendet eine Reihe von Sendern, um die Energie an gewünschte Orte zu strahlen.

Damit SSPP realisierbar ist, müssen Energieübertragungsarrays leicht sein, um die Treibstoffmenge zu minimieren, die für den Transport in den Weltraum benötigt wird, flexibel genug, um zu einem Paket gefaltet zu werden, das in einer Rakete transportiert werden kann, und insgesamt eine kostengünstige Technologie aufweisen.

Durch konstruktive und destruktive Interferenz zwischen Sendern kann eine Reihe von Leistungssendern den Fokus und die Richtung der von ihnen ausgesendeten Energie ändern, ohne dass bewegliche Teile erforderlich sind. Ein Senderarray verwendet ein präzise getaktetes Steuerelement, um die Leistung mithilfe einer kohärenten Kombination elektromagnetischer Wellen dynamisch auf einen gewünschten Ort zu fokussieren. Dadurch wird der Großteil der Energie an den gewünschten Ort übertragen.

Um die Energie zu empfangen, verfügt MAPLE über zwei separate Empfängerarrays, die etwa einen Fuß vom Sender entfernt sind. Anschließend wandelt es die Energie in Gleichstrom (DC) um und bringt damit ein Paar LEDs zum Leuchten, um den gesamten Ablauf der drahtlosen Energieübertragung aus einiger Entfernung im Weltraum anzuzeigen. MAPLE testete dies, indem es jede LED einzeln im Raum beleuchtete und sich zwischen ihnen hin und her bewegte. Das Experiment ist nicht versiegelt und daher den rauen Bedingungen des Weltraums ausgesetzt, einschließlich der großen Temperaturschwankungen und der Sonneneinstrahlung, denen große SSPP-Anlagen eines Tages ausgesetzt sein werden.

MAPLE verfügt außerdem über ein kleines Fenster, durch das das Array die Energie übertragen kann. Diese übertragene Energie wurde dann von einem Empfänger auf dem Dach des Gordon and Betty Moore Laboratory of Engineering auf dem Caltech-Campus in Pasadena erfasst.

Den Forschern zufolge erschien das empfangene Signal zum erwarteten Zeitpunkt und mit der erwarteten Frequenz und wies die richtige Frequenzverschiebung auf, wie aufgrund seiner Reise aus der Umlaufbahn vorhergesagt.

Durch die bisher durchgeführten Experimente erhielten die Forscher die Bestätigung, dass MAPLE erfolgreich Energie an Empfänger im Weltraum übertragen kann. Forscher konnten das Array auch so programmieren, dass es seine Energie auf die Erde richtet, was sie am Caltech entdeckten.

„Nach unserem besten Wissen hat noch nie jemand die drahtlose Energieübertragung im Weltraum demonstriert, selbst mit teuren starren Strukturen. Wir machen das mit flexiblen, leichten Strukturen und mit unseren eigenen integrierten Schaltkreisen. Das ist eine Premiere“, sagt Ali Hajimiri , Bren Professor für Elektrotechnik und Medizintechnik und Co-Direktor von SSPP.

„So wie das Internet den Zugang zu Informationen demokratisiert hat, hoffen wir, dass die drahtlose Energieübertragung den Zugang zu Energie demokratisiert“, sagt Hajimiri. „Um diesen Strom zu empfangen, ist keine Energieübertragungsinfrastruktur vor Ort erforderlich. Das bedeutet, dass wir Energie in abgelegene Regionen und Gebiete senden können, die durch Krieg oder Naturkatastrophen zerstört wurden.“

Forscher haben MAPLE auf der Erde getestet und haben den Beweis erbracht, dass die Energiesender auch den Start und den Weltraumflug überstehen und immer noch funktionieren könnten. Darüber hinaus hat das Experiment den SSPP-Ingenieuren nützliches Feedback geliefert. Energieübertragungsantennen werden in Gruppen von 16 zusammengestellt, wobei jede Gruppe von einem vollständig kundenspezifischen flexiblen integrierten Schaltkreischip angetrieben wird.

Das Forschungsteam bewertet nun die Leistung einzelner Komponenten im System, indem es Interventionsmuster in kleinen Gruppen bewertet und Unterschiede zwischen verschiedenen Kombinationen misst.

Der Prozess könnte sechs Monate dauern und wird es dem Team ermöglichen, Unregelmäßigkeiten zu beseitigen und sie auf einzelne Einheiten zurückzuführen, um Erkenntnisse für die nächste Generation des Systems zu gewinnen.

Nach gründlicher Untersuchung dieses Systems wird das SSPP eine Konstellation modularer Raumfahrzeuge einsetzen. Diese Raumschiffe sammeln Sonnenlicht, wandeln es in Elektrizität um und wandeln es dann in Mikrowellen um, die drahtlos über große Entfernungen dorthin übertragen werden, wo es benötigt wird, auch an Orte, die derzeit keinen Zugang zu zuverlässiger Energie haben.

„So wie das Internet den Zugang zu Informationen demokratisiert hat, hoffen wir, dass die drahtlose Energieübertragung den Zugang zu Energie demokratisiert“, sagt Hajimiri. „Um diesen Strom zu empfangen, ist keine Energieübertragungsinfrastruktur vor Ort erforderlich. Das bedeutet, dass wir Energie in abgelegene Regionen und Gebiete senden können, die durch Krieg oder Naturkatastrophen zerstört wurden.“