Caltechs SSPD-1 ist eine neue Idee für Weltraum-Solarenergie

Die Idee, die Zivilisation mit gigantischen Solarkraftwerken im Orbit anzutreiben, ist älter als jedes Raumfahrtprogramm, aber trotz sieben Jahrzehnten Raketenwissenschaft besteht das Konzept darin, Sonnenlicht fast ständig Zehntausende Kilometer über dem Äquator einzufangen und zur Erde zu übertragen in Form von Mikrowellen. und deren Umwandlung in Elektrizität – bleibt eine verlockende Aussicht am Horizont. Mehrere kürzlich veröffentlichte detaillierte Analysen im Auftrag der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation haben die Hoffnungen gedämpft, dass Weltraum-Solarenergie in naher Zukunft kostengünstig viele Gigawatt sauberer Energie erzeugen könnte. Und doch geht der Traum weiter.

Der Traum erlebte im Januar 2023 eine Art Startschuss. Damals explodierte SSPD-1, ein Weltraum-Solarenergie-Demonstrationssatellit mit einer Vielzahl neuer Technologien, die am California Institute of Technology entwickelt wurden, für ein Jahr in eine niedrige Erdumlaufbahn. Abtretung. Das Caltech-Team war sich der Bedenken hinsichtlich der technischen Machbarkeit der robotergestützten Montage von Satelliten im Weltraum bewusst, von denen jeder eine Größenordnung größer als die Internationale Raumstation ist, und untersuchte sehr unterschiedliche Ansätze zur solaren Energiegewinnung im Weltraum.

Für ein Update über die Erfolge der SSPD-1-Mission und wie sie zukünftige solarbetriebene Weltraumsatellitenkonzepte prägen wird, IEEE-Spektrum sprach mit IEEE Fellow Ali Hajimiri, Professor für Elektrotechnik am Caltech und Co-Direktor des Weltraum-Solarenergieprojekts der Schule. Das Interview wurde gekürzt und bearbeitet, um Länge und Klarheit zu gewährleisten.

Der SSPD-1 ist mit mehreren verschiedenen Prüfständen geflogen. Beginnen wir mit dem MAPLE-Teststand (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) für die drahtlose Energieübertragung: Als Sie und Ihr Team im Mai 2023 auf das Dach Ihres Gebäudes auf dem Campus kletterten und Ihre Antennen auf die Stelle richteten, an der der Satellit vorbeiflog, haben Ihre Geräte dann die tatsächlich übertragene Leistung empfangen oder nur ein Diagnosesignal?

Ali Hajimiri: Ich würde das Erkennung nennen. Das Hauptziel des MAPLE-Experiments bestand darin, die drahtlose Energieübertragung im Weltraum mithilfe flexibler, leichter Strukturen und integrierter Standard-CMOS-Schaltkreise zu demonstrieren. Auf der einen Seite befinden sich die Antennen, die die Energie übertragen, und auf der anderen Seite unsere maßgeschneiderten CMOS-Chips, die Teil der Energieübertragungselektronik sind. Das Ziel dieser Dinge ist es, sehr leicht zu sein, die Kosten für den Start in den Weltraum zu senken und sehr flexibel bei Lagerung und Einsatz zu sein, weil wir sie wie ein Segel ein- und auspacken wollen.

Ali Hajimiri ist Co-Direktor des Space Solar Energy Project des Caltech.Caltech

Ich verstehe: Wickeln Sie sie so ein, dass sie in eine Rakete passen, wickeln Sie sie dann aus und strecken Sie sie flach aus, sobald sie in die Umlaufbahn gebracht werden.

Hajimiri: Das Hauptziel von MAPLE bestand darin, zu zeigen, dass diese fragilen Arrays und integrierten CMOS-Schaltkreise im Weltraum funktionieren können. Und nicht nur das, sie können auch die drahtlose Energieübertragung zu verschiedenen Zielen im Weltraum und zu verschiedenen Empfängern leiten. Und mit Energieübertragung meine ich die Nettoleistung auf der Empfängerseite. Wir haben die Kraftübertragung im Weltraum demonstriert und zahlreiche Messungen durchgeführt. Wir erarbeiten derzeit die Details und werden diese Ergebnisse veröffentlichen.

Der zweite Teil dieses Experiments – eigentlich ein ehrgeiziges Ziel – bestand darin, die Fähigkeit zu demonstrieren, den Strahl auf die richtige Stelle auf der Erde zu richten und zu sehen, ob wir die erwarteten Leistungsniveaus erreichen. Je größer das Übertragungsnetz im Weltraum ist, desto größer ist die Fähigkeit, Energie auf einen kleineren Punkt auf der Erde zu konzentrieren.

Ja, denn die Strahlbeugung begrenzt die Punktgröße, abhängig von der Größe des Emitters und der Frequenz der Mikrowellen.

Hajimiri: Ja. Das Netzwerk, das wir für MAPLE im Weltraum hatten, war sehr klein. Dadurch verteilt der Sender die Leistung über eine sehr große Fläche. Wir haben also einen sehr kleinen Teil der Energie eingefangen – deshalb nenne ich es Erkennung; es war keine positive Nettoleistung. Aber wir haben es gemessen. Wir wollten sehen: Erhalten wir das, was wir aus unseren Berechnungen vorhersagen? Und wir stellten fest, dass es im richtigen Leistungsbereich lag, den wir von einem solchen Erlebnis erwartet hatten.

Daher ist die Leistung vergleichbar mit den Signalen, die während des normalen Kommunikationssatellitenbetriebs übertragen werden.

Hajimiri: Aber die Verwendung dieses flexiblen und leichten Systems macht es noch besser. Sie können sich vorstellen, die nächste Generation von Kommunikationssatelliten oder daraus gebaute Weltraumsensoren zu entwickeln, um das System deutlich billiger, leichter und einfacher einsetzbar zu machen. Die derzeit für Starlink und Kuiper verwendeten Satelliten funktionieren sehr gut, sind aber sperrig und schwer. Mit dieser Technologie der nächsten Generation könnten Sie Hunderte mit einer sehr kleinen Einführung und viel kostengünstiger bereitstellen. Dies könnte zu einem viel effizienteren Internet am Himmel führen.

Erzählen Sie mir von ALBA, dem Missionsexperiment, bei dem 32 verschiedene und neue Arten von Photovoltaik-Solarzellen getestet wurden, um zu sehen, wie sie sich im Weltraum verhalten. Was waren die wichtigsten Erkenntnisse?

Hajimiri: Mein Kollege am Caltech, Harry Atwater, leitete dieses Experiment. Was auf der Erde am besten funktioniert, ist nicht unbedingt das, was im Weltraum am besten funktioniert. Im Weltraum sind die durch Strahlung verursachten Schäden zahlreich und es gelang ihnen, die Abbauraten über mehrere Monate hinweg zu messen. Andererseits gibt es im Weltraum keinen Wasserdampf und keine Oxidation in der Luft, was gut für Materialien wie Perowskite ist, die damit Probleme haben. Deshalb erforschen Harry und sein Team die Kompromisse und entwickeln viele neue Zellen, die viel billiger und leichter sind: Zellen, die aus dünnen Schichten aus Perowskiten oder Halbleitern wie Galliumarsenid hergestellt werden, Zellen, die Quantenpunkte oder Wellenleiter oder andere Optiken verwenden. um das Licht zu bündeln. Viele dieser Zellen sind vielversprechend. Insbesondere sehr dünne Schichten aus Galliumarsenid scheinen für die Herstellung leichter, aber sehr effizienter Zellen sehr förderlich zu sein und sind deutlich kostengünstiger, da sie nur sehr wenig Halbleitermaterial benötigen.

Viele Entwurfskonzepte für solarbetriebene Satelliten, darunter eines, das Ihre Gruppe in einem Vorabdruck von 2022 veröffentlicht hat, beinhalten Konzentratoren, um die benötigte Photovoltaikoberfläche und -masse zu reduzieren.

Hajimiri: Eine Herausforderung bei diesem Design ist der recht enge Öffnungswinkel: Die Dinge müssen perfekt ausgerichtet sein, damit das fokussierte Sonnenlicht richtig auf die Zelle trifft. Dies ist einer der Gründe, warum wir von diesem Ansatz abgekommen sind und uns für ein flaches Design entschieden haben.

Ein Blick aus dem Inneren von MAPLE: Auf der rechten Seite ist die Anordnung der flexiblen Mikrowellen-Leistungssender zu sehen, und auf der linken Seite sind die Empfänger zu sehen, an die sie diese Leistung übertragen.Caltech

Es gibt weitere große Unterschiede zwischen dem Design des Caltech-Energiesatelliten und anderen bestehenden Konzepten. Die anderen Modelle, die ich gesehen habe, würden beispielsweise Mikrowellen im WLAN-Bereich zwischen 2 und 6 Gigahertz verwenden, weil für diese Frequenzen kostengünstige Komponenten verfügbar sind. Aber deiner ist bei 10 GHz?

Hajimiri: Genau, und das ist ein großer Vorteil, denn wenn man die Frequenz verdoppelt, wird die Größe der Systeme im Weltraum und am Boden durch vier geteilt. Wir können dies vor allem deshalb tun, weil wir unsere eigenen Mikrochips bauen und über umfassende Fähigkeiten im Design von Millimeterwellenschaltungen verfügen. Wir haben tatsächlich einige dieser flexiblen Panels vorgestellt, die mit 28 GHz arbeiten.

Und Ihr Design vermeidet die Notwendigkeit, dass Roboter größere Komponenten im Weltraum zusammenbauen müssen?

Hajimiri: Unsere Idee ist es, eine Flotte dieser segelähnlichen Strukturen einzusetzen, die dann alle in enger Formation fliegen. Sie sind nicht miteinander verbunden. Dies führt zu einer deutlichen Kostenreduzierung. Jedes verfügt über kleine Triebwerke an den Rändern und enthält interne Sensoren, die es ihm ermöglichen, während des Flugs seine eigene Form zu messen und dann die Phase seiner Übertragung entsprechend zu korrigieren. Jeder würde auch seine eigene Position relativ zu seinen Nachbarn und seinen Winkel relativ zur Sonne verfolgen.

Was sind aus Ihrer Sicht als Elektroingenieur die wirklich schwierigen Probleme, die noch gelöst werden müssen?

Hajimiri: Die Zeitsynchronisation zwischen allen Teilen des Sendernetzes ist von entscheidender Bedeutung und stellt eine der interessantesten Herausforderungen für die Zukunft dar.

Da es sich bei dem Sender um einen Phased-Array-Sender handelt, muss jede der Millionen kleiner Antennen im Array genau mit der Phase ihrer Nachbarn synchronisiert werden, um den Strahl zur Empfangsstation am Boden zu richten.

Hajimiri: RECHTS. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, welchen Grad an Timing-Präzision wir in einem Netzwerk wie diesem benötigen: Wir müssen Phasenrauschen und Timing-Jitter über den gesamten Sender mit einer Breite von einem Kilometer auf nur wenige Pikosekunden reduzieren. Im Labor tun wir dies mit Drähten präziser Länge oder optischen Fasern, die CMOS-Chips mit integrierten Fotodioden versorgen. Wir haben einige Ideen, wie wir dies drahtlos erreichen können, machen uns aber keine Illusionen: Es ist ein langer Weg.

Welche weiteren Herausforderungen erwarten uns?

Hajimiri: Das enorme Ausmaß des Systems und die neue Fertigungsinfrastruktur, die dafür erforderlich ist, unterscheiden sich erheblich von allem, was die Menschheit jemals gebaut hat. Wenn ich die Herausforderungen einordnen müsste, würde ich den Willen, die Ressourcen und den Geist, der hinter einem Projekt dieser Größenordnung steckt, priorisieren.