Sonnenspiegel im Weltraum aus der Perspektive der Solartechnik

Ausarbeitung für das GW-Fach Solartechnik an der FH Hamburg WS 98/99.
Von Michael Rohde und Klaas Voth, 22. 2. 1999.

1. Einführung
2. Beschreibung des Experiments Znamya 2.5 und seiner Vorgeschichte
3. Kritik am Experiment
4. Mögliche Weiterentwicklung in der Zukunft und Abwägung der ökologischen und ökonomischen Auswirkungen
5. Fazit

1. Einführung

Ressourcenknappheit und Umweltverschmutzung durch die Verbrennungsprodukte fossiler Energieträger zwingen die Menschen, nach sauberen, erneuerbaren Energien zu suchen. Diese umfassen: diverse Sonnenenergien, Windenergie, Laufwasserkraft, Erdwärme, Wasserkraft aus Stauseen und Pumpspeichern, Biomasse, Energie aus Kraft-Wärme- Kopplung und Brennstoffzellen-Kraftwerke. Im Rahmen der Solarenergie nutzt man: Wärme, Thermoelektrik, Photovoltaik, Solarchemie.

Einen neuen Ansatz gibt es, der auf den ersten Blick eher nach Science Fiction aussieht, sich aber bei näherem Hinsehen durchaus als angewandte Solartechnik verstehen läßt. Es handelt sich um eine Anwendung, die noch Zukunftsmusik ist, und deshalb bislang in der Solarszene kaum Beachtung gefunden hat, und die unter verschiedenen Gesichtspunkten allerdings auch stark kritisiert wird. Sie soll Gegenstand dieser Ausarbeitung sein.

Es handelt sich um Spiegel im Weltall, die Sonnenlicht zur Erdoberfläche lenken. Rußland hat seit einigen Jahren sporadisch mehr oder weniger erfolgreiche Experimente in dieser Richtung durchgeführt und hat weitere, umfangreichere Experimente bereits in der Planung.

Die Spiegel, die gebaut bzw. in Planung sind, sind von der Erde aus gesehen etwa 10 bis 100 mal so hell wie der Vollmond, erscheinen auch etwa so groß wie die Mondscheibe und werfen einen Lichtkegel von mehreren Kilometern Durchmesser auf die Erdoberfläche.

Als mögliche Anwendungen sind sind im Gespräch: Beleuchtung von polnahen Gebieten, die bislang im Winterhalbjahr keine Sonneneinstrahlung erhalten, um den Menschen dort ein angenehmeres Leben und Arbeiten zu ermöglichen; außerdem die nächtliche Beleuchtung ganzer Großstädte, in der Intensität vergleichbar mit der existierenden Straßenbeleuchtung, was eine beachtliche Stromeinsparung nach sich zöge, wenn die elektrische Straßenbeleuchtung überflüssig würde. Eine völlig andere Anwendung ist die Benutzung derselben Spiegel als Sonnenwind-Segel für Weltraumfahrzeug-Antriebe, um Treibstoff zu sparen (dies war der eigentliche Grund für den Beginn der Experimente, siehe Kapitel 2).

Wissenschaftler halten es für möglich, daß die Weltraumspiegel eingesetzt werden könnten, um kältere Regionen der Erde, z.B. Gebiete jenseits des nördlichen Polarkreises, wie Sibirien, Alaska, oder Grönland, in denen kaum die Sonne scheint, nicht nur mit zusätzlichem Sonnenlicht, sondern auch mit Wärme zu versorgen.

Rußland gibt an, mit den Spiegeln auch Katastrophengebiete oder Großbaustellen mit Licht versorgen zu wollen. Außerdem seien durch zusätzliches Licht bessere Ernten möglich. [Z]

Eine weitere denkbare Anwendung für die fernere Zukunft wäre, bereits heute existierende Solarkraftwerke mit starker Intensität aus dem Weltraum zu beleuchten, so daß sie auch nachts Strom liefern können.

Kritische Stimmen gibt es viele: Astronomen befürchten Streulicht, das teure Observatorien nutzlos macht, Biologen und Soziologen befürchten, daß die "innere Uhr" von Mensch, Tier und Pflanzen durcheinander gerät, und Klimaforscher befürchten einen Anstieg des Meeresspiegels durch zusätzliche Erwärmung der Erde.


2. Beschreibung des Experiments Znamya 2.5 und seiner Vorgeschichte

Die Idee, das Sonnenlicht auf die dunklen Gegenden der Erde mit großen Spiegeln um zu leiten, ist schon einige Jahrzehnte alt. Als erster hat sie der russische Raketenpionier Friedrich Zander geäußert und 1923 wurde sie in dem Buch "Die Rakete zu den Planetenräumen" von Hermann Oberth beschrieben. 1988 machten die Vereinigten Staaten Pläne für eine internationale "Segelregatta" zum Mars im Kolumbusjahr 1992. Moskau sagte zu.

Es wurde damit begonnen, ein Segel zu entwickeln, so daß ein Raumschiff den Sonnenwind zur Fortbewegung ausnutzen könne. Die geplante Regatta wurde wegen Geldmangel nicht durchgeführt.

Im wesentlichen gleicht das Prinzip dem Segeln auf irdischen Meeren, nur daß der Sonnenwind wesentlich weniger kräftig ist als der Wind auf der Erde. Dies soll durch ein wesentlich größeres Segel ausgeglichen werden. Da im Weltraum die Schwerkraft keine Rolle spielt, ist es möglich, das Segel hauchdünn (wenige Mikrometer) zu machen und Größen von 600 m2 sind so kein Problem.



Aus dieser Idee entwickelte das "Space Regatta Consortium" von RSC Energia in der Moskauer Vorstadt Kaliningrad das Projekt "Znamya" (russisch für "Banner").

Als erster Schritt wurde am 4. Februar 1993 das Experiment "Znamya 2" durchgeführt. Ein Solarsegel mit 20 m Durchmesser wurde mit dem unbemannten Raumfrachter "Progress M-15" über Westeuropa getestet. Das Experiment war nicht ganz so erfolgreich, wie es sich die russischen Wissenschaftler erhofft hatten. Das Solarsegel erreichte nur in etwa die Leuchtkraft des irdischen Vollmonds, da es sich nicht vollständig entrollte und der Himmel größtenteils bewölkt war. An manchen Stellen mit geringerer Wolkendichte reichte es aber zur Erhellung eines ca. 5 Kilometer breiten Gebietes.

In den letzten fünf Jahren wurden weitere Testmodelle mit dem Ziel entwickelt, den Durchmesser des Solarsegels auf 70 (Znamya 3) bis 200 oder mehr Meter zu steigern. Um diverse Modelle und Steuerungsmethoden zu testen wurde am 25. Oktober 1998 das Experiment "Znamya 2.5" mit dem Raumfrachter "Progress M-40" zur Raumstation "MIR" geschickt. Dort wurde das Testmodell mit nun 25 m Durchmesser nochmals durchgecheckt und dann am 4. Februar 1999 gestartet.

"Znamya 2.5" sollte 5-10 mal so hell sein wie der irdische Vollmond und im Gegensatz zu seinen Vorgängern über eine Fernsteuerung bedienbar sein. Diese sollte es ermöglichen, den Lichtkegel auf eine bestimmte Stelle auf der Erde auszurichten. Des weiteren wurde die überabeitete Spiegelfolie und das System zur orbitalen Höhenregelung und das System als ganzes getestet. Innerhalb von 16 Erdumkreisungen sollte "Znamya 2.5" in sicherer Entfernung zur Raumstation "MIR" einige Flugmanöver absolvieren und danach die Höhe von 360 km über der Erde erreichen, sich dann in Eigendrehung versetzen, um so das Solarsegel durch die Fliehkraft zu entfalten. Anschließend war geplant, das Solarsegel auf verschiedene Städte auf allen Kontinenten zu richten. Der Lichtkegel wäre dabei 5-7 Kilometer im Durchmesser. Leider hat sich letztendlich das Solarsegel nicht entfaltet.


3. Kritik am Experiment

Parallel zum Znamya-Projekt wurde einiges an Kritik vorgebracht, was hier zusammengetragen ist:

Astronomen sind aufgebracht über die "Verschmutzung" der Atmosphäre mit Streulicht und prophezeien bereits das Ende der erdgebundenen Sternbeobachtung. In der Tat leiden die Sternforscher, Amateure wie Profis, schon heute unter zunehmendem Streulicht durch Ballungsgebiete, die die ganze Nacht hindurch beleuchtet sind. Wenn nun noch Weltraumspiegel in großer Zahl die Erde umkreisen, so befürchten die Astronomen, daß vernünftige Beobachtung kaum noch möglich ist.

Das Problem der light pollution ist bereits seit vielen Jahrzehnten akut. Lichter von Städten und Fabriken sind so stark, daß sie vom Weltraum aus deutlich sichtbar sind (siehe Abbildung). Sie werden von Atmosphäre, Dunst und Wolken gestreut und erschweren die Sternbeobachtung ungeheuer. Die Astronomen haben sich mit ihren großen Sternobservatorien deshalb in entlegene Gebiete zurückgezogen, wie z. B. mit der europäischen Südsternwarte in die chilenischen Anden. Es ist allerdings nicht nur Streulicht, das den Sternbeobachtern das Leben schwer macht, es ist auch die Atmosphäre selbst, die durch ihr Vibrieren das Licht nicht ungehindert passieren läßt. Luftverschmutzung durch Industrieabgase tun ein übriges. Durch die weltweite Verbreitung der Mobiltelefone und ihrer Sendestationen befürchtet man neuerdings eine Störung der Radioteleskope.

Aus allen diesen Gründen hat das Hubble-Weltraumteleskop deutliche Vorzüge gegenüber allen Sternwarten auf der Erde und hat der Astronomie eine neue Dimension eröffnet. Man denkt bereits darüber nach, Observatorien auf dem Mond zu errichten. Auf der permanent der Erde abgewandten "Rückseite" des Mondes wären allerbeste Bedingungen für die völlig ungestörte teleskopische Erkundung des Weltraums.

Die Weltraumspiegel werden, sollten sie realisiert werden, nur punktuell einige Orte anstrahlen, trotzdem wird das Störpotential immens sein, weil das Licht den Sternbeobachtern direkt entgegen scheint. Außerdem werden die Spiegel nicht geostationär installiert werden können, weil sie dann in einer Entfernung von 36000 km zu weit entfernt wären, um effektiv leuchten zu können, sondern sollen die Erde in einer Entfernung von nur 360 km umkreisen, sodaß sie sich mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit bewegen. Es wären dann mehrere Spiegel erforderlich, um einen Ort die ganze Nacht hindurch zu beleuchten. Nach Angaben von RSC sollen 12 Spiegel 5 Großstädte beleuchten können.

Die Kritik der Astronomen würde sich also erst in sehr ferner Zukunft relativieren, wenn die Sternobservatorien tatsächlich auf dem Mond stehen sollten.

Biologen befürchten "unirdische Bedingungen" für die Flora und Fauna. Fast alle Ökosysteme würden aus dem Takt geraten, wenn die "Nacht zum Tag wird", so der Meeresbiologe David Thomas von der Universität Bangor, "Alles, Fortpflanzung, Bewegung und Nahrungsaufnahme, wird von der Tageslänge gesteuert" [H].

Die Störung der inneren Uhr der Menschen sollte es heute schon geben, da in jeder Großstadt der Welt "die Nacht zum Tag gemacht wird". Doch offensichtlich schlafen die Menschen trotzdem gut. Ob die Straßenbeleuchtung aus Lampen oder vom Himmel kommt, dürfte den Stadtbewohnern egal sein, solange die Lichtstärke niedrig ist. Da die Spiegel allerdings nicht geostationär, sondern beweglich sind, ist damit zu rechnen, daß die Spiegel zwecks besserer Ausnutzung während der Nacht von einer Großstadt zur nächsten geschwenkt werden, und daß die dadurch hervorgerufenen Irrlichter eine starke Belästigung für die Bevölkerung darstellt, die nicht in den Großstädten, sondern in deren Nachbarschaft lebt. Bei Ausfall eines Spiegels kann eine ganze Großstadt im Dunkeln liegen.

Klimaforscher befürchten eine Erwärmung der Erde und damit verbundene Klimaänderungen, insbesondere ein (beschleunigtes) Abschmelzen des Eises an den Polkappen und damit einen Anstieg des Meeresspiegels.

Wie stark sich eine dauerhafte zusätzliche Einstrahlung auf den Energiehaushalt der Erde auswirkt, ist schwer abzuschätzen. Es ist zu bedenken, daß die Lichtkegel nur einige Kilometer Durchmesser haben. Wenn einzelne Gegenden nachts in das fahle Licht der Weltraumspiegel getaucht sind, wird sich dies auf den Wärmehaushalt der Erde wahrscheinlich nicht auswirken.


4. Mögliche Weiterentwicklung in der Zukunft und Abwägung der ökologischen und ökonomischen Auswirkungen

In Zukunft soll die Größe des Spiegels auf 70 m bzw. 200 m Durchmesser erhöht werden, dieser soll dann die 10- bis 100-fache Helligkeit des Mondes erreichen. Es sollen insgesamt 200 solcher Spiegel im Orbit (in ca. 154-463 km Höhe) installiert werden, um die Arktis und Ballungszentren rund um die Uhr mit Licht zu versorgen. Ein Cluster soll 12 Spiegel enthalten und bis zu fünf Großstädte nachts erhellen. Wenn es gelingt, ein solches Projekt in die Tat umzusetzen, wäre die Ersparnis an Stromkosten auf die ganze Welt hochgerechnet immens.

Zur Zeit sind die Kosten für die Raketenstarts aber noch dermaßen hoch, daß nicht fest steht, ob dieses Ziel in naher Zukunft erreicht werden kann. So ist auch die Idee, Solarkraftwerke auf der Erde auch nachts zu beleuchten und so den doppelten Ertrag zu bekommen, verlockend, aber bei dem derzeitigen Wirkungsgrad von Solarzellen fast unmöglich. Außer wir schaffen es, mit den Solarspiegeln annähernd die Helligkeit der Sonne zu erreichen.

Was uns zu der Frage bringt, wie wohl wir Menschen und vor allem die Tier- und Pflanzenwelt auf so eine gravierende Störung des Tag- und Nachtrhythmus reagieren werden. Bei den Pflanzen wäre es denkbar, daß 24 Stunden Helligkeit zu einer vermehrten Photosynthese und somit zu mehr Abbau von CO2 und Bildung von Sauerstoff führen könnte. Was sicherlich zu einer Verbesserung der irdischen Luftqualität beitragen könnte. Unsicher ist es allerdings, ob Pflanzen während der regulären Nacht wie die meisten anderen Lebewesen eine Ruhepause zur Regeneration benötigen.

Die Tierwelt hat sich auch schon heute an die nächtliche Störung durch das Licht der großen Ballungszentren "gewöhnt". Zum einen verschwinden einige Tierarten, die mit der Situation nicht zurecht kommen, andere ziehen sich in ruhigere Gebiete zurück, und einige wenige gewöhnen sich an die neue Situation. Auf jeden Fall wäre die Erhellung der Erde durch Solarspiegel ein großer Eingriff in die Tier- und Pflanzenwelt der Erde, welcher noch nicht abzusehende Folgen mit sich brächte.

Wir Menschen gewöhnen uns im Gegensatz dazu recht schnell an neue Umgebungen und haben die technischen Möglichkeiten, uns eine künstliche Nacht, z.B. mit dicken Rolläden, zu schaffen.

Die Nutzung des Solarsegels als Antrieb wäre nur für die langsame Raumfahrt von Nutzen, könnte hier aber große Mengen an Treibstoff und somit fossilen Brennstoffen einsparen helfen. Wir könnten so sogar doppelt sparen: Zum einen benötigt ein mit einem Solarsegel ausgestattetes Raumfahrzeug nur sehr wenig Treibstoff zum Manövrieren und zum anderen wird schon beim Transport ins All, aufgrund der Gewichtseinsparung weniger Treibstoff benötigt; bzw. es können mehr Raumfahrzeuge bei gleicher Nutzlast der heutigen Raketen ins All befördert werden. Aufklärungsmissionen innerhalb unseres Sonnensystems wären damit möglich.


5. Fazit

Da Experimente dieser Art bisher nur von den Russen durchgeführt werden, deren Raumfahrt bekanntermaßen unter Geldmangel leidet, werden sicher noch Jahrzehnte vergehen, bis Weltraumspiegel wirklich einsatzfähig sind. Wenn es überhaupt dazu kommt, denn unklar ist noch, wie sich Bewölkung auf den Nutzen der Spiegel als Beleuchtung auswirkt. Wenn sich eine Wolke vor den Vollmond schiebt, wird es ziemlich dunkel. Wenn sich eine Wolke vor einen Spiegel von 100-facher Leuchtkraft des Mondes schiebt, könnte das Licht eventuell noch ausreichen, aber sicher ist dies nicht. Außerdem ist die Zukunft der Raumstation MIR unsicher.

Der Energieaufwand, der erforderlich ist, um solche Spiegel herzustellen und sie in den Weltraum zu befördern, wird höher sein als der Energienutzen, den diese Spiegel während ihrer Lebensdauer erbringen, weshalb man diese Form der Energiegewinnung nicht als nachhaltig bezeichnen kann. Die Lebensdauer eines solchen Spiegels wird begrenzt sein, weil das Steuerungsaggregat mechanische Teile zur Nachführung enthalten muß. Diese sind potentiell störanfällig.

Bezüglich der kritischen Stimmen ist zu bedenken, daß historisch gesehen jede Erfindung, die die Menschheit vorangebracht hat, auch vehemente kritische Stimmen laut werden ließ. So befürchtete man nach dem Bau der ersten Eisenbahnstrecke, daß die Fahrgäste durch die "hohe" Geschwindigkeit von 35 km/h den Verstand verlieren würden. Die Geschichte hat in solchen Fällen gezeigt, daß sich im allgemeinen weder die Visionen der euphorischen Befürworter noch die der kategorischen Kritiker bewahrheiten, sondern diese Erfindungen durch ökonomische und andere Zwänge, sowie durch detailliertere Einschätzung der Vor- und Nachteile, die erst nach einer Weiterentwicklung möglich ist, ihre mehr oder weniger großen Nischen finden, in denen sie sich behaupten können.

Die neue Technik der Weltraumspiegel wird sich vermutlich nicht auf breiter Ebene durchsetzen, dazu sind die Nachteile zu groß und die Kosten zu hoch. Doch vielleicht gibt es Nischenanwendungen, für die es sich lohnt, die Nachteile in Kauf zu nehmen, wie z. B. Beleuchtung von Katastrophengebieten zur besseren Durchführbarkeit von Bergungsarbeiten oder die Beleuchtung einzelner polnaher Siedlungen.


Literatur

Hawkes, Nigel: Earth Under the Spotlight From Space. In: The Times, 4. 2. 1999

[H] Helton, David: When night becomes day. BBC Wildlife Magazine, 3. 2. 1999, http://www.bbc.co.uk/animalzone/42wnews.shtml

Nicholls, Peter: Science in Science Fiction - Sagt die SF die Zukunft voraus? 1982, Umschau Verlag

Paul, Günter: Mehr Licht bei Nacht. In: FAZ vom 4. 2. 1999

Space Frontier, www.space-frontier.org

Space Regatta Consortiums (SRC) - RSC Energia, Internetseite "Space Regatta - 2000", www.energialtd.com/znamya.htm

Ward, Mark: Blinded by the Light. In: New Scientist, 20. 6. 1998

Znamya Timetable, http://src.space.ru/inform1-e.htm

[Z] Der zweite Mond. In: Hamburger Abendblatt vom 3. 2. 1999


Abbildungen

(1) Space Regatta Consortium
(2) Daily Telegraph, 22. 7. 98
(3) The Living Earth