Caltech-Team gelingt drahtlose Energieübertragung im Weltraum

Mar 27, 2023

Bildnachweis: Caltech

Von der E&T-Redaktion

Veröffentlicht am Montag, 5. Juni 2023

Der Weltraum-Solarenergie-Demonstrator von Caltech hat zum ersten Mal seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, Energie drahtlos im Weltraum zu übertragen und nachweisbare Energie zur Erde zu übertragen.

Die Errungenschaft wurde von MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) erzielt, einer Reihe flexibler, leichter Mikrowellen-Leistungssender mit präziser Zeitsteuerung.

MAPLE ist eines der drei Experimente, die das California Institute of Technology (Caltech) im Rahmen seines Space Solar Power Project (SSPP) durchführt, einem ehrgeizigen Plan zur Bereitstellung einer Konstellation von Weltraum-Solarmodulen, die Sonnenenergie im Weltraum gewinnen und abstrahlen könnten die Energie zurück zur Erde.

„Durch die Experimente, die wir bisher durchgeführt haben, haben wir die Bestätigung erhalten, dass MAPLE Strom erfolgreich an Empfänger im Weltraum übertragen kann“, sagte Ali Hajimiri, Bren-Professor für Elektrotechnik und Medizintechnik und Co-Direktor von SSPP.

„Wir konnten das Array auch so programmieren, dass es seine Energie auf die Erde richtet, was wir hier am Caltech entdeckt haben. Wir hatten es natürlich auf der Erde getestet, aber jetzt wissen wir, dass es die Reise ins All überleben und dort funktionieren kann.“ ."

Foto aus dem Weltraum des Innenraums von MAPLE, mit dem Sendearray rechts und den Empfängern links. / SSPP

Bildnachweis: SSPP

MAPLE nutzt konstruktive und destruktive Interferenz zwischen einzelnen Sendern, um den Fokus und die Richtung der von ihm ausgesendeten Energie zu verschieben – ohne bewegliche Teile. Außerdem sind präzise Zeitsteuerungselemente erforderlich, damit der Großteil der Energie an den gewünschten Ort und nirgendwo anders übertragen werden kann.

MAPLE verfügt über zwei separate Empfängerarrays, die etwa 30 cm vom Sender entfernt sind. Diese Arrays empfangen die Energie, wandeln sie in Gleichstrom (DC) um und leuchten damit ein Paar LEDs auf, um den gesamten Ablauf der drahtlosen Energieübertragung aus der Ferne im Weltraum zu demonstrieren.

Die Forscher testeten diese Technologie im Weltraum, indem sie jede LED einzeln aufleuchteten und zwischen ihnen hin und her wechselten.

Die von MAPLE übertragene Energie wurde 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 mit der erwarteten Frequenz und wies die richtige Frequenzverschiebung auf, wie aufgrund seiner Reise aus der Umlaufbahn vorhergesagt.

„Nach unserem besten Wissen hat noch nie jemand die drahtlose Energieübertragung im Weltraum demonstriert, selbst mit teuren starren Strukturen. Wir machen das mit flexiblen Leichtbaustrukturen und mit unseren eigenen integrierten Schaltkreisen. Das ist eine Premiere“, sagte Hajimiri.

Satelliten im geosynchronen Orbit empfangen zu mehr als 99 Prozent der Zeit Sonnenlicht – da sie nicht den Tageszyklen und Wetterveränderungen ausgesetzt sind – und das in einer viel größeren Intensität als Sonnenkollektoren auf der Erde, was sie wesentlich effizienter macht Energiequelle.

Aus diesem Grund könnte die Weltraum-Solarenergie es Wissenschaftlern ermöglichen, eine praktisch unbegrenzte Versorgung mit Sonnenenergie zu erschließen.

Nach seiner Fertigstellung könnte SSPP eine Konstellation modularer Raumfahrzeuge einsetzen, die Sonnenlicht sammeln, in Elektrizität umwandeln und es dann in Mikrowellen umwandeln, die drahtlos über große Entfernungen dorthin übertragen werden, wo sie benötigt werden – auch an Standorte, die derzeit keinen Zugang zu zuverlässiger Energie haben .

„Die flexiblen Stromübertragungsanordnungen sind für das aktuelle Design von Caltechs Vision einer Konstellation segelartiger Solarpaneele, die sich entfalten, sobald sie die Umlaufbahn erreichen, von wesentlicher Bedeutung“, sagte Sergio Pellegrino, Joyce- und Kent Kresa-Professor für Luft- und Raumfahrt und Bauingenieurwesen 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“, sagte 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.“

Erkennung von Strom aus MAPLE auf dem Dach des Moore Laboratory. / Ali Hajimiri

Bildnachweis: Ali Hajimiri

Der Weltraum-Solarstrom-Prototyp, bekannt als Space Solar Power Demonstrator (SSPD), wurde im Rahmen der Transporter-6-Mission, die am Dienstag, dem 3. Januar 2023, von Cape Canaveral aus startete, in die Umlaufbahn gebracht.

Neben MAPLE besteht SSPC aus zwei weiteren Experimenten, deren Ergebnisse in den kommenden Monaten erwartet werden.

Das erste ist als DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment) bekannt. Es handelt sich um eine 1,8 Quadratmeter große Struktur, die die Architektur, das Verpackungsschema und die Einsatzmechanismen der modularen Weltraum-Solarmodule demonstriert.

Das zweite Experiment trägt den Namen ALBA und ist darauf ausgelegt, 32 verschiedene Arten von Photovoltaikzellen (PV) zu sammeln, um eine Bewertung der Zelltypen zu ermöglichen, die in der harten Umgebung des Weltraums am effektivsten sind.

Die Ursprünge von SSPP reichen bis ins Jahr 2011 zurück, als der Philanthrop Donald Bren in einem Artikel in der Zeitschrift Popular Science vom Potenzial der weltraumgestützten Herstellung von Solarenergie erfuhr.

Bren war fasziniert vom Potenzial der Weltraum-Solarenergie und wandte sich an den damaligen Caltech-Präsidenten Jean-Lou Chameau, um die Schaffung eines weltraumgestützten Solarenergie-Forschungsprojekts zu besprechen. Im Jahr 2013 einigten sich Bren und seine Frau Brigitte Bren, eine Caltech-Treuhänderin, auf eine Spende zur Finanzierung des Projekts.

„Die harte Arbeit und das Engagement der brillanten Wissenschaftler am Caltech haben unseren Traum vorangebracht, die Welt zum Wohle der gesamten Menschheit mit reichlich vorhandener, zuverlässiger und erschwinglicher Energie zu versorgen“, sagte Bren.

Thomas F. Rosenbaum, Präsident von Caltech, fügte hinzu: „Der Übergang zu erneuerbaren Energien, der für die Zukunft der Welt von entscheidender Bedeutung ist, wird heute durch Herausforderungen bei der Energiespeicherung und -übertragung begrenzt. Die Übertragung von Solarenergie aus dem Weltraum ist eine elegante Lösung, die der Verwirklichung aufgrund der … einen Schritt näher gekommen ist.“ Großzügigkeit und Weitsicht der Brens.

„Donald Bren hat eine gewaltige technische Herausforderung gestellt, die einen bemerkenswerten Gewinn für die Menschheit verspricht: eine Welt, die mit unterbrechungsfreier erneuerbarer Energie betrieben wird.“

Im vergangenen Sommer gab China bekannt, dass der erste Start zum Bau seines Solarenergieprojekts im Weltraum für 2028 geplant sei – zwei Jahre früher als ursprünglich geplant –, wenn ein Testsatellit in einer Entfernung von rund 400 km die für die Übertragung verwendete Technologie testen wird Energie vom Kraftwerk zur Erde.

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