Solarstrom aus dem All: Energie-Laser könnten versehentlich Satelliten rösten

Solarstrom aus dem All gilt als Verheißung für eine Energieversorgung ohne Wolken, Nacht und Jahreszeiten. Die Technik verspricht sauberen Strom rund um die Uhr. Doch während Staaten und Raumfahrtagenturen an gewaltigen Solarkraftwerken im Orbit arbeiten, gehen Forscher einer ganz praktischen Frage nach: Was passiert, wenn die Energie ihren Weg nicht exakt zur Erde findet? Eine neue Laborstudie aus China macht auf dieses lange unterschätzte Risiko im erdnahen Orbit aufmerksam, in dem sich heute ein Großteil der Satelliten und Raumfahrzeuge drängt.

Leistungsstarke Laser sollen die gesammelte Sonnenenergie drahtlos zur Erde übertragen. Diese Strahlen sind präzise geplant, doch die Technik könnte Fehler machen. Schon kleine Abweichungen würden ausreichen, um andere Raumfahrzeuge zu treffen. Das ist vor allem problematisch, weil viele Konzepte Weltraum-Solarkraftwerke in höheren, geosynchronen Umlaufbahnen vorsehen. Der Energiestrahl muss auf dem Weg zur Erde zwangsläufig den dicht belegten niedrigen Erdorbit durchqueren.

Dieses Szenario hat ein Forschungsteam des Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering untersucht, veröffentlicht im Fachjournal High Power Laser and Particle Beams.

Solarstrom, Laser und Satelliten: Ein riskantes Zusammenspiel

Konkret wollten die Forscher wissen, wie sich Energielaser auf Solarpaneele von Satelliten auswirken. Dazu simulierten sie im Labor die Bedingungen des niedrigen Erdorbits: Vakuum, dünnes Plasma und elektrisch geladene Oberflächen – typische Umweltfaktoren in Höhen bis etwa 2.000 Kilometer über der Erde.

Satelliten tragen im All oft eine leichte negative Ladung. Auf ihren Solarpaneelen treffen leitende und isolierende Schichten aufeinander. Das begünstigt Spannungsunterschiede. Trifft Laserstrahlung auf diese Oberflächen, können plötzliche elektrische Entladungen entstehen – ähnlich kleinen Blitzen mit direkten Folgen für Stromversorgung und Steuerung.

Kurze Impulse, messbare Schäden

In den Experimenten beschossen die Forscher ein Solarpanel mit extrem kurzen Laserimpulsen. Hochgeschwindigkeitskameras und Sensoren registrierten dabei Lichtblitze und abrupte Stromspitzen. Schon einzelne Impulse reichten aus, um Entladungen auszulösen. Diese dauerten zwar nur sehr kurz, erzeugten jedoch Fehlströme, die empfindliche Bordelektronik belasten oder automatische Schutzabschaltungen auslösen können.

Besonders auffällig war der Einfluss der Laserparameter. Mit steigender Energie nahm die Wahrscheinlichkeit solcher Entladungen deutlich zu. Noch kritischer wirkte die Wellenlänge des Lichts. Kurzwelliges, ultraviolettes Laserlicht senkte die Schwelle für Entladungen und führte zu stärkeren Stromspitzen. Die Autoren schreiben dazu wörtlich: „Laserenergie und Wellenlänge sind entscheidende Faktoren für das Entladungsrisiko von Solarpaneelen.“

Warum kurze Wellenlängen problematisch sind

Ultraviolettes Licht trägt mehr Energie pro Photon als sichtbares Licht. Es ionisiert Material leichter und erleichtert elektrische Durchschläge. In der Studie lösten Laser mit 266 Nanometern Wellenlänge Entladungen früher aus als grüne Laser mit 532 Nanometern. Gleichzeitig stiegen die gemessenen Spitzenströme. Für Satelliten bedeutet das ein erhöhtes Risiko für dauerhafte Schäden an Leiterbahnen oder Steuerchips im Energiemanagement und in der Lageregelung.

Die Forscher sehen darin einen klaren Auftrag für die Technikentwicklung. Energieübertragung per Laser erfordert eine sorgfältige Auswahl von Leistung und Wellenlänge. Zusätzlich braucht es widerstandsfähigere Schutzschichten auf Solarpaneelen, damit fremde Strahlen keine Kettenreaktionen auslösen – insbesondere in dicht genutzten Umlaufbahnen.

Ein voller Orbit verschärft das Risiko

Der niedrige Erdorbit ist längst kein freier Raum mehr. Tausende aktive Satelliten umkreisen die Erde, weitere Starts sind geplant. Große Konstellationen wie Starlink oder OneWeb, aber auch Erdbeobachtungs-, Navigations- und Wettersatelliten tummeln sich hier. Selbst bemannte Infrastruktur wie die Internationale Raumstation ISS bewegt sich in diesem Höhenbereich.

Störungen an einzelnen Satelliten könnten dabei spürbare Folgen für Kommunikation, Navigation oder Datenübertragung haben. Mit jedem zusätzlichen Objekt steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein fehlgeleiteter Energiestrahl ein fremdes Ziel trifft.

Wettlauf im All spitzt sich zu

Gleichzeitig nimmt der internationale Wettbewerb um Solarstrom aus dem All Fahrt auf. Die USA, Japan, China und mehrere europäische Staaten treiben entsprechende Konzepte voran. Während ein vom Caltech geleiteter Prototyp in den Vereinigten Staaten 2023 erstmals erfolgreich drahtlose Energieübertragung im Orbit demonstrierte, verfolgt China das Ziel, bei dieser Technologie die Führung zu übernehmen, so die South China Morning Post.

Fachveröffentlichungen und Aussagen führender Raumfahrtwissenschaftler nennen ein Demonstrationssystem im Megawatt-Bereich bis 2030. Langfristig zielt das Land auf eine kommerzielle Nutzung zur Mitte des Jahrhunderts. Je dichter der Orbit wird, desto größer wird damit auch die Bedeutung von Sicherheitsstandards für Laser, Satelliten und den gemeinsamen Raum über der Erde.

Kurz zusammengefasst:

• Solarstrom aus dem All soll mithilfe leistungsstarker Laser drahtlos zur Erde übertragen werden, doch fehlgeleitete Strahlen können andere Satelliten treffen.
• Eine chinesische Laborstudie zeigt, dass kurze Laserimpulse auf Solarpaneelen elektrische Entladungen auslösen, die Fehlströme, Schäden an Elektronik oder automatische Abschaltungen verursachen.
• Besonders riskant sind Laser mit hoher Energie und kurzer Wellenlänge, weshalb bei der geplanten Nutzung im dicht belegten niedrigen Erdorbit neue technische Schutz- und Sicherheitsstandards nötig sind.

Übrigens: Während Energie-Laser aus dem All Satelliten gefährden könnten, wird es oben ohnehin immer voller – mehr als 8.000 aktive Satelliten und wachsender Schrott verschärfen das Risiko zusätzlich. Forscher fordern deshalb Recycling, Reparatur und Wiederverwendung im Orbit, um Kollisionen und Ressourcenverschwendung zu bremsen – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © NASA Ames Research Center / NASA via Wikimedia unter Public Domain