{"id":17220,"date":"2023-12-18T17:56:30","date_gmt":"2023-12-18T16:56:30","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=17220"},"modified":"2023-12-18T17:56:30","modified_gmt":"2023-12-18T16:56:30","slug":"space-power","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2023\/12\/18\/space-power\/","title":{"rendered":"Space-Power"},"content":{"rendered":"<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p id=\"pvc_stats_17220\" class=\"pvc_stats all  \" data-element-id=\"17220\" style=\"\"><i class=\"pvc-stats-icon medium\" aria-hidden=\"true\"><svg aria-hidden=\"true\" focusable=\"false\" data-prefix=\"far\" data-icon=\"chart-bar\" role=\"img\" xmlns=\"http:\/\/www.w3.org\/2000\/svg\" viewBox=\"0 0 512 512\" class=\"svg-inline--fa fa-chart-bar fa-w-16 fa-2x\"><path fill=\"currentColor\" d=\"M396.8 352h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V108.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v230.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm-192 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V140.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v198.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm96 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V204.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v134.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zM496 400H48V80c0-8.84-7.16-16-16-16H16C7.16 64 0 71.16 0 80v336c0 17.67 14.33 32 32 32h464c8.84 0 16-7.16 16-16v-16c0-8.84-7.16-16-16-16zm-387.2-48h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8v-70.4c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v70.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8z\" class=\"\"><\/path><\/svg><\/i> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"16\" height=\"16\" alt=\"Loading\" src=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-content\/plugins\/page-views-count\/ajax-loader-2x.gif\" border=0 \/><\/p>\n<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p>Derzeit hat SpaceX einige schlechte Nachrichten zu verkraften. Die FCC hat Subventionen f&uuml;r Firmen vergeben, die in schlecht versorgten Gebieten der USA schnelle Internetzug&auml;nge zur Verf&uuml;gung stellen. Bis zur Deadline schaffte SpaceX es nicht mit Starlink die Mindestanforderung von 100 Mbit\/s im Download im Durchschnitt zu erbringen. Im letzten Quartal waren es 64,54 Mbit\/s im Durchschnitt. Auch wenn sich nun der Abstieg der Datenrate, den Starlink seit Beginn hatte, stabilisiert hat (sprich es nun genauso viele neue User in den USA wie neue Satelliten gibt) ist das eben deutlich unter den Mindestanforderungen. So werden 886 Millionen Dollar an Subventionen zur&uuml;ckbehalten. SpaceX Trost: es ist nicht die einzige Firma, die keine Gelder bekommt, LTD Broadband muss sogar auf 1,3 Milliarden Dollar verzichten. Noch etwas schlechter steht Starlink bei den Uploads da: mit 9,72 Mbit\/s erreichen sie nicht mal die H&auml;lfte der Forderung von 20 Mbit\/s. Immerhin: Das Tief von 53 MBit Downloadgeschwindigkeit, das 2022 erreicht wurde, hat es mittlerweile hinter sich gelassen.<br \/>\n<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/vg06.met.vgwort.de\/na\/aeb353252ed34d259526d0dbdb5f27f9\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><br \/>\nImmerhin, sie haben nun <a href=\"https:\/\/www.pcmag.com\/news\/spacex-starlink-now-has-13-million-customers-in-the-us\">2,2 Millionen Nutzer weltweit<\/a>, 1,3 Millionen davon in den USA. Allerdings sollten es nach Projektvorgaben schon <a href=\"https:\/\/arstechnica.com\/tech-policy\/2023\/09\/spacex-projected-20-million-starlink-users-by-2022-it-ended-up-with-1-million\/\">letztes Jahr<\/a> 20 Millionen sein. Von Bedeutung ist das f&uuml;r das Starship, denn nach den Pl&auml;nen f&uuml;r Investoren um Geld einzutreiben von 2015 sollte Starlink 2022 einen Umsatz von 12 Milliarden Dollar und einen Gewinn von 7 Milliarden Dollar einbringen. Mit dem Gewinn w&auml;re dann die Entwicklung des Starships, die alleine dieses Jahr mehrere Milliarden verschlingt, finanzierbar. Nun waren es 2022 aber gerade mal 1,4 Milliarden Dollar Umsatz bei Starlink und den allerersten Gewinn nach f&uuml;nf Jahren gab es erst im ersten Quartal 2023. Da ist der Wegfall von fast 900 Millionen Dollar dann schon ein R&uuml;ckschlag. Zudem sinken mit der Datenrate auch die Preise \u2013 bei uns startete Starlink mit 1.000 Euro f&uuml;r die Hardware und 100 Euro monatlich, derzeit kostet es noch 300 Euro f&uuml;r die Hardware und 50 Euro pro Monat. F&uuml;r die Nutzer angenehm, aber der Gewinn sinkt so eben auch ab.<!--more--><\/p>\n<p>Aber SpaceX hat auch eine andere Finanzspritze bekommen, wenn auch nur 7,4 Millionen Dollar, von dem US-Energiemisterium f&uuml;r die Demonstration der &Uuml;bertragung von Energie&uuml;bertragung aus dem Orbit. Was streckt dahinter?<\/p>\n<p>Inzwischen scheint Elon Musk sein Marsprojekt ernsthaft zu durchdenken. Da gibt es ja einige Grundsatzentscheidungen zu treffen und erst mal viel Grundlagenforschung zu treiben. Denn die Maussiedlung muss ja autonom sein. Die ISS braucht f&uuml;r 7 Astronauten rund 30 t Versorgungsg&uuml;ter pro Jahr, die Marssiedlung muss nicht nur ihre eigene Nahrung anbauen, sondenr auch alles andere was sie ben&ouml;tigen \u2013 Kleidung, nat&uuml;rlich die Geb&auml;ude, aber auch so kleine Teile wie Chips f&uuml;r die Elektronik. Und sie braucht Energie f&uuml;r all das. Da hat Musk pers&ouml;nlich sich daf&uuml;r eingesetzt, dass SpaceX angereichertes Uzran f&uuml;r Kernreaktoren von den USA bekommt. Das hat nicht nur nicht geklappt, man hat ihm verstehen gegeben, dass es angereichertes Uran \u2013 auch nicht waffenf&auml;higes \u2013 f&uuml;r keine Firma und Privatperson in den Uta gibt, au&szlig;er diese fertigt f&uuml;r oder durch Genehmigung der USA Kernreaktoren. Mehr noch, sollte Musk das spaltbare Material woanders besorgen, w&uuml;rde das das Aus aller Auftr&auml;ge durch Regierungsorganisationen bedeuten. Das wird er wohl kaum bedeuten, denn die generieren drei Viertel seiner Einnahmen.<\/p>\n<p>Die Auswahl an alternativen Energieformen ist aber beim Mars beschr&auml;nkt: Die Atmosph&auml;re ist zu d&uuml;nn f&uuml;r Windr&auml;der, Wasser f&uuml;r Wasserkraft gibt es nicht und die Siedler d&uuml;rften froh sein, wenn sie gen&uuml;gend Biomasse f&uuml;r ihre Nahrungsversorgung anbauen k&ouml;nnen und nicht noch welche f&uuml;r die Stromgewinnung &uuml;brig haben.<\/p>\n<p>Das Einzige, was bleibt ist Solarenergie. Auf der einen Seite ist sie auf dem Mars zuverl&auml;ssiger als auf der Erde \u2013 selbst bei einem globalen Staubsturm sinkt die Helligkeit nicht so stark ab wie bei bew&ouml;lktem Himmel auf der Erde, das zeigen Messungen der Raumsonden die auf dem Mars landeten. Aber es gibt andere Probleme. Die Paneele verstauben. So kam das Ende der Raumsonde Phoenix, als die Solarpaneele durch zu viel Staub zu wenig Leistung lieferten. Man kann sie s&auml;ubern, aber das wird bei richtig gro&szlig;en Solarfarmen doch aufwendig und unabh&auml;ngig davon verkratzt der Staub die Paneele \u2013 sie verlieren an Leistung. Das Sch&uuml;tzen mit Glas hilft auch nicht \u2013 dann wird eben das Glas tr&uuml;be, mit demselben Effekt.<\/p>\n<p>Eine L&ouml;sung, an der SpaceX schon forscht, ist die Gewinnung von Strom aus dem Orbit. Das Prinzip ist relativ einfach: Man positioniert in einer Umlaufbahn einen Satelliten mit einem riesigen Solarzellenarray und einer ebenso riesigen Antenne. Die sendet die gewonnene Leistung als Mikrowellen zur Oberfl&auml;che. Dort wird sie von \u201eAntennen\u201c aufgefangen. Ich schreibe das in Anf&uuml;hrungszeichen, weil es keine Antenne in dem Sinne ist, wie man sie sich vorstellt. Es ist vielmehr ein Gitter aus Dr&auml;hten mit riesigen Dimensionen \u2013 einige Quadratkilometer gro&szlig;. Dieses Gitter k&ouml;nne weit &uuml;ber der Vegetation z.B. einem landwirtschaftliche genutzten Feld aufgespannt werden. Einen &Uuml;berblick liefert folgendes <a href=\"https:\/\/www.researchgate.net\/publication\/3168409_Space_Applications_of_High-Power_Microwaves\">Dokument<\/a>. Schon in den Siebzigern untersuchte die NASA dies und kam zu dem Schluss, das man so Strom f&uuml;r 10 ct pro kWh (Preisbasis 1981) erzeugen kann. Seitdem ist der Zugang viel preiswerter geworden, so kostete in diesem Jahr (1981) der Space Shuttle 24 Millionen Dollar pro Flug, das Starship wird ein Vielfaches der Nutzlast f&uuml;r nur 10 Millionen Dollar pro Flug transportieren.<\/p>\n<p>Der Vorteil der Anlage im Weltall vor allem eine viel h&ouml;here Energieausbeute. Bei uns generiert eine PV Anlage mit einem Kilowatt Peakleistung (kWp) im Jahr bei optimalen Bedingungen etwa 1.200 kWh. Wir haben rund 2.000 Sonnenstunden im Jahr, dieses Jahr z. B. bis jetzt 1.930. Im Weltall gibt es pro Jahr 365 x 24 Stunden Sonne, 8.760 Stunden pro Jahr. Und die Atmosph&auml;re, die auch bei wolkenlosem Himmel etwa ein Drittel der Sonnenstrahlung absorbiert, f&auml;llt auch weg. In der Summe wird eine Anlage im Weltall etwa f&uuml;nfmal so viel Leistung gewinnen wie dieselbe Anlage bei uns. In bestimmten Gegenden auf der Erde wie &auml;quatornahen W&uuml;sten sieht es besser aus, aber selbst dann reden wir von einem Faktor 3 bis 4.<\/p>\n<p>Gegen&uuml;ber damals \/als die NASA das untersuchte) hat sich auch die Technologie weiter entwickelt. Damals waren Solarzellen extrem teuer, heute sind sie billig. Und es gibt neue Technologien. F&uuml;r eine Weltraummission z&auml;hlt vor allem das Gewicht und beim Starship auch das Volumen. Heute kann man Solarzellen so d&uuml;nn fertigen, dass sie biegsam sind und sich leicht auf eine Tr&auml;gerschicht aus Kunststoff aufziehen lassen. So kann man entrollbare Paneele herstellen. Ein solches wird schon bei der<a href=\"https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Roll_Out_Solar_Array\"> ISS eingesetzt<\/a> und erg&auml;nzt die alten Solarzelle die mittlerweile teilweise 20 Jahre alt sind. Das ROSA Array schafft eine Leistung von 100 bis 120 Watt pro Kilogramm Masse. Bei einer \u2013 leider gestrichenen \u2013 Technologiemission wollte man D&uuml;nnschichtsolarzellen mit einer Leistung von 300 W\/kg erproben. Ein Starship, das 50 t ins All bringt k&ouml;nnte so mit einem Start ein 15 MW Kraftwerk bef&ouml;rdern.<\/p>\n<p>Der Hauptvorteil ist aber, dass diese Stromversorgung unabh&auml;ngig von Tageszeiten und Wetter ist. In einer sonnensynchronen Umlaufbahn kompensieren sich die Bewegung des Satelliten im dreidiemensionalen Raum und die Drehung der Erde um die Sonne, sodass eine Station dort immer von der Sonne beleuchtet wird. Die sonst n&ouml;tigen sehr teuren Energiespeicher w&auml;ren so bei der irdischen Anlage nur noch f&uuml;r Spitzenzeiten n&ouml;tig.<\/p>\n<p>&Uuml;bertragen wird der Strom durch Mikrowellen. Dabei konzentriert man sich auf niedrige Frequenzen weil diese die Atmosph&auml;re besser durchdringen als h&ouml;here \u2013 auch wenn die ausgeleuchtete Fl&auml;che auf der Erde so gr&ouml;&szlig;er ist. Daf&uuml;r ist der Abstand der Dr&auml;hte gr&ouml;&szlig;er und die Fl&auml;che darunter ist normal nutzbar. Man wird dort nicht gegrillt. Bei Verwendung des C-Bandes mit Frequenzen von 2 GHz reicht ein Drahtgeflecht mit 90 cm Maschenweite. Erwartet wird nach obigem Dokument, dass der Verlust zwischen Erzeugung und Empfang nur 0,2 bis 20 Prozent der Energie.<\/p>\n<p>&Uuml;bertragen m&uuml;ssen die Mikrowellen mit einer riesigen Antenne. Eine starre Antenne ist auf den Durchmesser des Nutzlastraumes beschr&auml;nkt, also maximal 9 m beim Starship. Alternativen gibt es aber. Derzeit am weitesten entwickelt ist die Technologie von entfaltbaren Antennen. Marktf&uuml;hrer Harris liefert welche bis zu<a href=\"https:\/\/www.l3harris.com\/all-capabilities\/unfurlable-mesh-reflector-antennas\"> 12 m Durchmesser<\/a> die nur 4,3 m hoch sind. So sollte in der 20 m langen Nutzlastsektion des Starships eine 48 m durchmessende Antenne untergebracht werden kann, die hochgerechnet etwa 6 t wiegt. Sie w&uuml;rde bei einer Frequenz von 3 GHz einen &Ouml;ffnungswinkel von 0,125 Grad haben. Das sind aus 1000 km Distanz ein Durchmesser von 2,1 km ausleuchten. Viel Arbeit w&auml;re nat&uuml;rlich in die Entwicklung einer Antenne dieser Gr&ouml;&szlig;e zu leisten<\/p>\n<p>Leichter und potenziell gr&ouml;&szlig;er w&auml;re die Entwicklung einer Antenne auf Basis der Technologie f&uuml;r Solarsegel. Diese m&uuml;ssen auch aus einem kleinen Kanister entfaltet werden und sind sehr leicht. Leider weisen sie nicht die ideale Form der Antenne auf. Dies k&ouml;nnte durch eine Rotation verbessert werden.<\/p>\n<p>Bisherige Studien konzentrierten sich auf den geostation&auml;ren Orbit f&uuml;r station&auml;re Energieplattformen. Das d&uuml;rfte f&uuml;r SpaceX nicht in Frage kommen, weil das Starship so schwer ist, dass es mehrmals aufgetankt werden muss, um den GEO-Orbit zu erreichen. Das verteuert das Unternehmen. Wahrscheinlicher ist, dass SpaceX wie bei Starlink einen erdnahen Orbit nutzt. Anbieten w&uuml;rde sich f&uuml;r mich die Zone zwischen 1.000 und 1.200 km H&ouml;he die noch wenig belegt ist. Beide Konzepte haben Vor- und Nachteile. Wie beim Internet &uuml;ber Satellit ist auch bei der Energieversorgung immer ein Kontakt zu einem Satelliten n&ouml;tig. SpaceX ben&ouml;tigt im niedrigen Orbit viele Satelliten, von mir gesch&auml;tzt etwa 60 bis 100 f&uuml;r eine dauerhafte Versorgung. Daneben ist \u2013 selbst wenn SpaceX andere Staaten als Abnehmer findet \u2013 es immer so, das zwei Drittel der Umlaufsdauer sich der Satellit &uuml;ber Ozeanen befindet und dann keinen Strom &uuml;bertragen kann. Diese Einschr&auml;nkungen gibt es bei geostation&auml;ren Satelliten nicht, daf&uuml;r m&uuml;ssen wegen der viel gr&ouml;&szlig;eren Entfernung die Antennenarrays auf der Erde wirklich riesig und damit teuer werden. Zudem sinkt die Nutzlast ab und die Energiestationen haben eine geringere Leistung. Und um eine Energiestation, welche die Nutzlastkapazit&auml;t des Starships ausnutzt, vom LEO in den GTO bef&ouml;rdern, braucht man entweder einen Space-Tug oder Ionentriebwerke mit heute unvorstellbarer Leistung.<\/p>\n<p>Technisch umsetzbar ist es aber. D&uuml;nnschichtsolarzellen, die flexibel auf eine Folie aufgezogen werden k&ouml;nnen gibt es heute preiswert. Spate-Taugliche Solarzellen wird SpaceX wegen des hohen Preises kaum einsetzen. Doch selbst kommerzielle Solarzellen, die pro Jahr unter Weltraumbedingungen etwa 2 bis 3 Prozent an Leistung verlieren (auf der Erde: unter 1 Prozent) h&auml;tten nach 20 Jahren immer noch die halbe Anfangskapazit&auml;t. Es kommt wohl darauf an, wie billig der Transport wird. Wenn 80 von 100 t der Nutzlast es Starships f&uuml;r die Solarzellen entfallen und 20 t f&uuml;r die Antenne und den Satelliten, so kann eine Energiestation rund 24 MW erzeugen, von denen dann etwa 20 MW auf dem Erdboden ankommen. Wird der Strom mit 8 Euro-Cent verkauft \u2013 man kann die Empf&auml;nger ja dort bauen, wo man den Strom braucht und so Netzentgelte sparen, so h&auml;tte bei 20 Jahren Laufzeit der Strom einen Wert von &uuml;ber 200 Millionen Euro, allerdings nur, wenn man auch die komplette Zeit nutzen kann.<\/p>\n<p>Es kann allerdings auch sein, dass dies nur eine weitere M&ouml;glichkeit von SpaceX ist Geld zu verdienen, indem sie den Steuerzahler f&uuml;r etwas bezahlen lassen, was sie sowieso vorhaben, denn \u2013 das zeigt die geringe Summe schon \u2013 sie m&uuml;ssen nicht demonstrieren, dass das Prinzip funktioniert, sondern nur ein durchgerechnetes Konzept vorlegen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p id=\"pvc_stats_17220\" class=\"pvc_stats all  \" data-element-id=\"17220\" style=\"\"><i class=\"pvc-stats-icon medium\" aria-hidden=\"true\"><svg aria-hidden=\"true\" focusable=\"false\" data-prefix=\"far\" data-icon=\"chart-bar\" role=\"img\" xmlns=\"http:\/\/www.w3.org\/2000\/svg\" viewBox=\"0 0 512 512\" class=\"svg-inline--fa fa-chart-bar fa-w-16 fa-2x\"><path fill=\"currentColor\" d=\"M396.8 352h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V108.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v230.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm-192 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V140.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v198.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zm96 0h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8V204.8c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v134.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8zM496 400H48V80c0-8.84-7.16-16-16-16H16C7.16 64 0 71.16 0 80v336c0 17.67 14.33 32 32 32h464c8.84 0 16-7.16 16-16v-16c0-8.84-7.16-16-16-16zm-387.2-48h22.4c6.4 0 12.8-6.4 12.8-12.8v-70.4c0-6.4-6.4-12.8-12.8-12.8h-22.4c-6.4 0-12.8 6.4-12.8 12.8v70.4c0 6.4 6.4 12.8 12.8 12.8z\" class=\"\"><\/path><\/svg><\/i> <img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"16\" height=\"16\" alt=\"Loading\" src=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-content\/plugins\/page-views-count\/ajax-loader-2x.gif\" border=0 \/><\/p>\n<div class=\"pvc_clear\"><\/div>\n<p>Derzeit hat SpaceX einige schlechte Nachrichten zu verkraften. 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