Die Kommerzialisierung der Raumfahrt. Eine Chance für neue Geschäftsmodelle?

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Neue Geschäftsmodelle der Raumfahrt mit Kommerzialisierungspotenzial
2.1 Gestartete und umgesetzte Geschäftsmodelle
2.1.1 Neue Träger und Startsysteme
2.1.2 Kleinsatelliten zur Erdbeobachtung
2.2 Aufkommende Geschäftsmodelle
2.2.1 Produktion in Schwerelosigkeit
2.2.2 Energie aus dem Weltall

3 Geschäftsmodell “Energie aus dem Weltall”
3.1 Solarenergie aus dem Weltall
3.1.1 Grundlagen zur Solarenergiegewinnung im Weltall
3.1.2 Space Solar Power (SSP) als zukünftiges Geschäftsmodell
3.2 Förderung fossiler Rohstoffe auf dem Mond
3.2.1 Grundlagen der Energiegewinnung durch Förderung von Helium-3
3.2.2 Rohstoffabbau auf dem Mond als zukünftiges Geschäftsmodell

4 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Darstellung der Funktionsweise von SSP mittels des Konzepts SPS-ALPHA

Abbildung 2: Idee der Beschaffung von Helium-3 auf dem Mond

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Geschätzte Kosten für den Start der Satelliten

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Seit tausenden von Jahren sind die Menschen fasziniert davon, was es außerhalb der Erde noch alles geben könnte. Dass die USA im Jahr 1969 den ersten Menschen auf den Mond brachten, ist nach wie vor einer der größten Erfolge in der Geschichte der Luft- und Raumfahrt. In den letzten Jahrzehnten wurde daraufhin intensiv geforscht um der Antwort auf die Frage näher zu kommen, welche Möglichkeiten der kommerziellen Nutzung des Weltraums es geben könnte. Neben dem häufig genannten Vorhaben Menschen zum Mars und noch weiter entfernten Planeten zu schicken, gibt es Überlegungen verschiedener Weltraumorganisationen, alternative Wege für die Energieversorgung des Planeten zu ergründen. Dabei geht es zum einen um die Gewinnung von Solarenergie außerhalb der Erdatmosphäre und zum anderen um die Förderung von fossilen Rohstoffen auf dem Mond.

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt gelten die Vereinigten Staaten als klarer Vorreiter. Infolgedessen wird in der Ausarbeitung der Fokus auf US-amerikanische Unternehmen und Start-Ups gelegt.

Nach der Einleitung werden im zweiten Kapitel dieser Ausarbeitung neue Geschäftsmodelle der Raumfahrt aufgezeigt, die Kommerzialisierungspotential besitzen. Dabei werden zunächst gestartete und umgesetzte Projekte, wie neue Trägersysteme und Kleinsatelliten, beispielhaft erläutert. Anschließend erfolgt die Analyse aufkommender Geschäftsmodelle mit den ausgewählten Zukunftstechnologien der Produktion in Schwerelosigkeit sowie der Gewinnung von Energie und Rohstoffen aus dem Weltall.

Danach folgt mit dem dritten Kapitel der Hauptteil, in dem genauer auf die Thematik der Energie aus dem Weltall in Bezug auf mögliche Geschäftsmodelle eingegangen wird. Im ersten von zwei Geschäftsmodellen wird die Idee der Solarenergiegewinnung im Weltall analysiert und auf Grundlage dessen die potenzielle Kommerzialisierungsfähigkeit aufgezeigt. Das zweite Geschäftsmodell befasst sich mit der Förderung von Rohstoffen auf dem Mond und der damit verbundenen Erzeugung von Energie durch Kernfusionstechnologie. Auch hier werden zunächst wesentliche Grundlagen erläutert und die Konzeptionen im Anschluss kritisch betrachtet.

Im abschließenden Fazit erfolgen eine zusammenfassende Gegenüberstellung der Erkenntnisse aus dem dritten Kapitel sowie eine Stellungnahme zu der Frage ob die Kommerzialisierung der Raumfahrt eine Chance für neue Geschäftsmodelle bietet.

2 Neue Geschäftsmodelle der Raumfahrt mit Kommerzialisierungspotenzial

Die Besonderheit der Vereinigten Staaten im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist die steigende Anzahl privater, oftmals durch Venture Capital geförderten, Anbieter, die die US-Westküste prägen und als Taktgeber der kommerziellen Raumfahrt fungieren. Allein in den letzten sechs Jahren wurden zwei bis drei Milliarden US-Dollar von Venture Capitalists (Risikokapitalgebern) und US-Regierungsbehörden in Firmen und Projekte wie SpaceX, SkyBox und Spire investiert. Mithilfe dieser Förderungen haben die USA die Kommerzialisierung von Geschäftsideen im NewSpace stark vorangetrieben.^[1]

Der Begriff „NewSpace“ spielt auf den Unterschied zur traditionellen Raumfahrt an und beschreibt in erster Linie „[d]ie Gründung neuer Unternehmen mit hohem privatem Kapitaleinsatz, die Nutzung neuer Technologien und Herangehensweisen, und die Konvergenz mit dem Informationstechnologie-Sektor“.^[2] Das „New Space“ wird durch Entrepreneure wie Elon Musk und Jeff Bezos geprägt, die sich mit eigens geschaffenen Firmen mit Luft- und Raumfahrt-Giganten (NASA, ESA, etc.) messen und versuchen neue Geschäftsmodelle durch das Erschließen des Weltalls zu errichten.^[3] Dazu entwickeln sie nicht nur Dienste und Anwendungen, sondern auch disruptive Technologien und Produkte, die das Potential bieten, bestehende Technologien vollständig zu verdrängen. ^[4]

Andere markante Unterschiede von NewSpace-Unternehmen gegenüber traditionellen Raumfahrt-Organisationen sind die meist flachen, flexiblen Strukturen und das verbraucherorientierte, innovative, risikoreiche Handeln mit dem Fokus auf technologischen Lösungen. Dahingegen sind traditionelle Luftfahrt-Unternehmen eher hierarchisch geprägt mit dem Fokus auf etablierte Geschäftsfelder in Sektoren mit hohem Wert, niedriger Absatzmenge und langsamem Wachstum.^[5]

Das hohe Kommerzialisierungspotenzial im „NewSpace“ geht in erster Linie aus dem aktuellen Stand der Informationstechnologie und der Dynamik des sogenannten Informations- und Kommunikationstechnologie-Sektors (IKT-Sektor) hervor, der mittlerweile sogar den Fortschritt der Raumfahrt bestimmt und demzufolge enorm an Bedeutung gewonnen hat. Diese anhaltende Veränderung kam bzw. kommt durch verschiedene Faktoren zustande. Zum einen sind das die sehr kurzen Generationszyklen in der IT von zwei bis drei Jahren, zum anderen der enorme Wettbewerbs- und Innovationsdruck auf den Massenmärkten sowie die fortschreitende Digitalisierung der internationalen Wirtschaft und Privathaushalte.^[6]

Weitere Chancen ergeben sich aus den oftmals bereits sehr erfahrenen Gründern der NewSpace-Firmen, die durch vorangegangene Gründungen nicht nur das Knowhow, sondern auch die finanziellen Mittel zur Verfügung haben. Zusätzlich erhalten sie in vielen Fällen staatliche Förderungen in Form von Exportkrediten staatlicher Banken, Abnahmegarantien, F&E-Fördermodellen, Berechtigung zur Nutzung staatlicher Infrastrukturen, Steuererleichterungen u. v. m. Unternehmen des NewSpace fokussieren sich in erster Linie auf innovative Anwendungen mit größtmöglichem Markterfolg, welcher nur durch bedarfsgerechte Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen, Hinterfragen des Status Quo und strenge Kostenorientierung möglich ist. Die Einsparung von Kosten wird zunehmend durch den Umstieg von maßgeschneiderten, teuren Einzelanfertigungen hin zu kommerziell erhältlichen Komponenten möglich.^[7]

Positiv werden diese Firmen auch durch die Konvergenz der Raumfahrt mit dem IT-Sektor beeinflusst. Speziell heißt das, dass durch den aktuellen Stand der IKT eine große Nachfrage an globalen Systemen besteht, die mithilfe von Satelliten bzw. Unterstützung der Raumfahrt verwirklicht werden kann. Gleichzeitig ermöglicht die Dynamik des IKT-Sektors das Übertragen von Geschäftsmodellen, Diensten und Herangehensweisen auf die Raumfahrt. Auch der Standort vieler amerikanischer NewSpace-Firmen im Silicon Valley, der Hochburg für Informationstechnologie, ist ein entscheidender Vorteil gegenüber traditionellen Unternehmen, da dieser hochqualifizierte Arbeitnehmer aus aller Welt lockt und somit deren Innovativität fördert. Letztendlich spielt die amerikanische Regierung eine genauso entscheidende Rolle beim Fortschritt des NewSpace, da sie nicht nur durch finanzielle Förderung, sondern auch mithilfe von begünstigenden, rechtlichen Rahmenbedingungen wie dem Space Act 2015 die Kommerzialisierung der neuen Geschäftsmodelle vorantreibt. ^[8]

Auch das internationale Weltraumrecht stellt in keiner Weise eine Barriere dar. Der von 102 Staaten unterzeichnete Weltraumvertrag aus dem Jahr 1967 besagt zwar, dass ein Hoheitsrecht an Teilen des Weltraums ausgeschlossen, das All jedoch für Forschungen und wirtschaftliche Nutzung weitestgehend frei ist. Die Beschränkung hierbei ist lediglich, dass ein Nutzen für die gesamte Menschheit daraus hervorgehen muss. Der Sinn dahinter war die Vermeidung eines Wettrüstens im All vor dem Hintergrund des damaligen Kalten Krieges .^[9]

Im Jahr 1979 kam eine weitere wichtige Vereinbarung mit dem Mondvertrag hinzu. Dieser regelt die Nutzung des Mondes und Ausbeutung seiner Naturschätze.^[10] Das Abkommen wurde jedoch lediglich von 15 Staaten unterzeichnet und ratifiziert, zu denen weder die Raumfahrernationen USA, Russland noch China und auch nicht Deutschland gehören.^[11]

Diese Bedingungen haben in erster Linie zahlreiche amerikanische NewSpace-Firmen mit innovativen Geschäftsmodellen hervorgebracht, die zum Teil bereits gestartet sind oder sogar schon umgesetzt wurden. Trotzdem gibt es weiterhin neue Ideen in der Branche, bei denen das Kommerzialisierungspotenzial vorerst noch ungeklärt ist.

2.1 Gestartete und umgesetzte Geschäftsmodelle

Um beispielhaft auf gestartete oder auch umgesetzte unternehmerische Konzepte einzugehen, werden im nachfolgenden Abschnitt zwei Vorhaben detaillierter betrachtet – zum einen die Entwicklung neuer Träger und Startsysteme, zum anderen Kleinsatelliten zur Erdbeobachtung.

2.1.1 Neue Träger und Startsysteme

Mehrere Unternehmen befassen sich derzeitig mit der Problematik Trägerraketen kostengünstiger zu nutzen. Die einmalige Verwendung eines solch hochtechnologischen Geräts ist vergleichbar mit dem Wegwerfen eines Flugzeugs nach dem allerersten Flug – es ist in keiner Weise ein rentables Erfolgskonzept. Ein Unternehmen, was in diesem Bereich grundlegende Fortschritte gemacht hat, ist SpaceX. Die 2002 gegründete Firma des weltbekannten Unternehmers Elon Musk entwirft, fertigt und startet moderne Raketen bzw. Raumfahrzeuge. Ziel des NewSpace-Unternehmens ist es, die Raumfahrttechnik zu revolutionieren und letztendlich dem Menschen das Leben auf anderen Planeten zu ermöglichen. Diesem Ziel ist Musk bereits ein Stück nähergekommen, als er und sein Team es im Dezember 2010 schafften, eine Rakete aus dem erdnahen Orbit, auch Low Earth Orbit (kurz: LEO) genannt, sicher zurück auf die Erde zu bringen. Im Mai 2012 sorgte die Firma mit dem Transport von Fracht zur und von der internationalen Raumstation per Rakete für weitere Aufmerksamkeit. Dies war vorher nur Regierungen bzw. staatlichen Organisationen wie der NASA gelungen, welche mittlerweile sogar auf die Unterstützung des privaten Anbieters zurückgreift und regelmäßig Frachtaufträge an SpaceX vergibt. Der größte Meilenstein wurde jedoch 2017 erreicht, als SpaceX eine Lösung zur Kosteneinsparung für den Bau von Raketen erarbeitete, indem das Unternehmen einen Reflight durchführte, also die Wiederverwendung einer bereits eingesetzten Rakete. Auf einen Schlag wurden die Fertigungskosten nahezu halbiert und sämtliche Raumfahrt-Geschäftsmodelle deutlich wirtschaftlicher. Behörden und Satellitenbetreiber sehen klares Kommerzialisierungspotential und unterstützen das Unternehmen beim Erreichen weiterer bedeutender Fortschritte.^[12]

SpaceX ist aber längst nicht mehr allein. Auch Amazon-Gründer und wahrscheinlich stärkster Konkurrent von Elon Musk, Jeff Bezos versucht mit seinem Unternehmen „Blue Origin“ von der möglichen Wiederverwendung von Raketen zu profitieren. Bezos Geschäftsidee ist das Anbieten von Flügen ins All für die breite Masse. Pro Rakete haben sechs Leute Platz, die für einige Minuten die Schwerelosigkeit spüren und sich somit ein einzigartiges Erlebnis bescheren können.

Finanziell ist Blue Origin gut aufgestellt. Bezos, der seit letztem Jahr als reichster Mann der Welt gelistet wird, plant die Sicherstellung der Finanzierung mithilfe jährlicher Aktienverkäufe von Amazon im Wert von einer Milliarde Dollar. Somit kann er den vermeintlichen Vorsprung von Musk möglicherweise noch aufholen.^{[13] [14]}

Weitere Konkurrenten für Billigraketen sind amerikanische Firmen wie Firefly Space Systems und Virgin Galactic. Besonders innovativ ist das Rocket Lab aus Neuseeland, das Raketenantriebe im 3D-Drucker fertigt.^[15]

2.1.2 Kleinsatelliten zur Erdbeobachtung

Analog zu den Geschäftsmodellen rund um den Raketenfortschritt haben sich auch kommerzielle Ideen durch den Einsatz von Satelliten zur Erdbeobachtung (engl. Earth Observation) entwickelt. Daten, die auf diese Weise generiert werden, werden auch Geoinformationen genannt und sind besonders geeignet in den Bereichen Kartografie, Landwirtschaft, bei Notfallmaßnahmen, Transport, Waldüberwachung, geologischer Exploration, Landnutzungsklassifikation, Stadtplanung, Schadensbewertung und Infrastruktur-Monitoring.^[16]

Ein beispielhaftes Start-Up ist das schottische Unternehmen „Spire“, welches Satelliten in 500 Kilometern Höhe über den Meeren besitzt. Besonders hilfreich ist das z.B. für die Aufklärung von Piraterie. Mithilfe von winzigen Antennen an den Satelliten können Funksignale der Schiffe und somit deren Position registriert werden. Per Überwachung der Satelliten-Aufnahmen in der Firmenzentrale können dann die rund 150.000 Schiffe auf See weltweit beobachtet werden, sodass bei verdächtigem Verhalten, wie dem Fahren von Schleifen oder dem Abschalten des Peilsenders, direkt die Küstenwache informiert werden und eingreifen kann.^[17]

Die aktuelle Anzahl von Satelliten im All beläuft sich noch auf 1419 Stück, doch in 2025 könnten sie sich laut Prognosen der Beraterfirma „Euroconsult“ um 9000 Stück erhöhen. „Die Satellitenproduktion steht vor einer massiven Industrialisierung“^[18], meint Pacôme Révillion, CEO von Euroconsult. Der Gründer des Start-Ups „Spaceknow“ bestätigt mit seiner Aussage, dass die Welt bereits in zwei bis drei Jahren quantifiziert sei durch eine Software, die mit künstlicher Intelligenz angereichert, eine Inventur des Erdballs erstelle, diese These.^[19] Parallel dazu würden auch die Umsatzerlöse für den Verkauf von Erdbeobachtungsdaten und Mehrwertdiensten von kommerziellen Betreibern von 2,0 Milliarden Euro in 2012 um das 2,5-fache in 2020 steigen, auf voraussichtlich 5,3 Milliarden Euro.^[20] Ein Grund dafür sind die sinkenden Kosten für den Satelliten-Bau durch die Entwicklung der Cubesats, eine Art Baukasten für Satelliten in Form eines Zehn-Zentimeter-Würfels mit einem Maximalgewicht von 1,33 kg. Dieser macht das Einklinken von Bauteilen wie Bordcomputer oder Sensoren völlig unkompliziert. Aufgrund des aktuellen Stands der Technik kosten solche Einzelteile heutzutage nur noch einen Bruchteil von ihrem ursprünglichen Preis. Lagen die Kosten bei den ersten Satelliten noch bei rund 100 Mio. Euro für Bau und weiteren 100 Mio. Euro für den Flug, sind es heute hingegen nur noch 100.000 Euro für den Bau und knapp 50.000 Euro für den Flug. Das ist eine Preissenkung um 99,9 % und eine enorme Chance für die Branche und sämtliche Geschäftsmodelle im Weltall.^[21]

Die Kosten stehen dem Fortschritt der Technologie zwar nicht mehr in dem einstigen Umfang im Weg, jedoch werden die Privatsphäre und der Datenschutz zunehmend ein Problem. Trotz der Entfernung der Satelliten von bis zu 2000 km können sie Millimeterunterschiede erkennen. Obwohl noch keine Gesichtserkennung möglich ist, scheint es, als würde ein globaler Überwachungsapparat im All entstehen, der die Erde zu einem transparenten Ort macht und die positiven Seiten der Überwachung in den Schatten stellt. Ein Positivbeispiel aus 2015, das für die Erdbeobachtung spricht, war das Aufspüren eines Fischerboots mit Sklaven in Papua-Neuguinea, welches die US-Nachrichtenreporterin Martha Mendoza auf Bildern des Anbieters DigitalGlobe entdeckte. Ihr Eingreifen führte letztendlich zu 2000 freigelassenen Gefangenen.^[22]

2.2 Aufkommende Geschäftsmodelle

Nachfolgend werden zwei potenzielle Geschäftsideen mit bisher noch ungewissem Kommerzialisierungspotenzial beleuchtet - die Produktion in Schwerelosigkeit, und die Energiegewinnung aus dem Weltall.

2.2.1 Produktion in Schwerelosigkeit

Mit der Produktion in Schwerelosigkeit, genauer gesagt im All, experimentiert die NASA schon seit 1973, als das US-Weltraumlabor Skylab seinen Betrieb aufnahm. Das Labor beinhaltete eine Kammer zur Züchtung von Kristallen, eine Elektronenkanone sowie einen elektrischen Schmelzofen. Auch heute noch finden Fertigungsexperimente im Weltraum, vor allem auf der Internationalen Raumstation ISS statt. Häufig kommen dabei 3-D-Drucker zum Einsatz. Bisher ist fragwürdig, ob dieses Geschäftsmodell einmal rentabel sein wird. Aktuell sind die Investitions- und Transportkosten noch viel zu groß, als dass ein Kommerzialisierungspotenzial bestünde. Der gewinnbringende Profit scheint für NewSpace-Firmen nicht groß genug, um sich auf dieses Gebiet zu fokussieren, trotz der wahrscheinlich bald sinkenden Transportkosten von Raketen durch Firmen wie SpaceX (siehe Kapitel 2.1.1). Ein entscheidender Grund, der für die weitere Erforschung der Produktion in Schwerelosigkeit spricht, ist das steigende Bevölkerungswachstum und die damit einhergehende Ressourcenknappheit. Somit ist die Produktion im Weltraum und Nutzung von Rohstoffen anderer Planeten, Asteroiden oder Kometen eine Chance dies zu kompensieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass wenige oder gar keine Menschen und Umweltgüter durch riskante, teilweise umweltschädliche Produktionsprozesse gefährdet werden. Letztendlich ist die uneingeschränkte Verfügbarkeit von Sonnenenergie ein weiterer positiver Aspekt, der die Produktion erleichtern würde.^[23]

2.2.2 Energie aus dem Weltall

Eines steht für Forscher fest: Die nächste Energiewende kommt aus dem All. Die Nutzung von Solarenergie ist prinzipiell nichts Neues, jedoch schon in Bezug auf den Standort, der sich, in 36.000 km Entfernung von der Erde, im All befinden soll. Prognosen zu dem Thema sagen, dass das erste Solarkraftwerk bereits 2030 im Weltall errichtet werden könnte. Die riesigen, quadratkilometergroßen Solarzellen könnten nach Umwandlung des Stroms in Mikrowellen, diese dann gut gebündelt und präzise auf Bodenstationen auf der Erde abstrahlen, welche die Mikrowellen dank ihrer Spezialantennen dann wieder in elektrischen Strom zurückumwandeln. NewSpace-Firmen versprechen sich davon die Lieferung gigantischer Energiemengen und die mögliche Lösung des Energieproblems der Menschheit. Allerdings birgt dieses Konzept auch einige Risiken. Zu ihnen zählen das Zusammenspiel der vielen Technologien, die fehlenden Wartungsmöglichkeiten, die Faltbarkeit der Einzelteile zum Transportieren ins All und das robotergesteuerte Zusammensetzen dieser. Die Raumfahrtriesen USA, Russland, China haben dafür aber bereits konkrete Pläne.^[24]

Ebenso zur Energiegewinnung aus dem All zählen die fossilen Brennstoffe. Vor allen Dingen auf dem Mond wurden Milliarden von Tonnen an Ressourcen, von Wasser über Gase bis hin zu Metallen gefunden. Entscheidend jedoch zur Energiegewinnung sind die großen Mengen des Isotops Helium-3, welches enorm effizient durch seine Kernfusionskraft ist, die deutlich mehr Energie freisetzt als Kernspaltungen. Auf der Erde ist dieses Isotop allerdings kaum vorhanden bzw. in so geringen Mengen, dass die Kernfusion hier noch nicht funktioniert und enorm gefragt ist. Allein ein Kilogramm Helium-3 ist circa 16 Mio. US-Dollar wert. Aufgrund der derzeitig noch hohen Kosten in Höhe von 25.000 US-Dollar pro Kilo Transportmasse sind NewSpace-Unternehmen definitiv auf Subventionen angewiesen.^[25]

Im nachfolgenden dritten Kapitel wird die Konzeption der beiden Energiegewinnungsansätze hinsichtlich der Kommerzialisierungsfähigkeit detaillierter erläutert.

3 Geschäftsmodell “Energie aus dem Weltall”

Weltweit wurden im letzten Jahr mehr als 140.000 Terrawattstunden Energie benötigt.^[26] Mehr als 85 % davon kommen von Öl, Kohle und Gas – allesamt fossile Energieträger auf deren Vorkommen in der Erde die Menschheit angewiesen ist. Auch die Energie aus Atomkraftwerken wird zunehmend kritisiert und reduziert, zuletzt angefacht durch die Beschädigung des Kraftwerks von Fukushima im März 2011, welche große Umweltbelastungen zur Folge hatte. Im Dezember 2015 hat die große Mehrheit der Nationen der Erde im Zuge der Weltklimakonferenz in Paris die dringende Notwendigkeit erkannt, die drohenden Risiken des Klimawandels zu mindern und ehrgeizige Ziele für die Reduzierung der CO2-Emissionen in diesem Jahrhundert angekündigt. Gleichzeitig nimmt die weltweite Energienachfrage mit zunehmender Bevölkerungszahl und der Notwendigkeit verbesserter wirtschaftlicher Rahmenbedingungen in allen Ländern weiter zu.^[27] Nach Einschätzung vieler Experten ist es unwahrscheinlich, dass diese potenziell konfliktträchtigen Ziele alleine durch den Einsatz bereits vorhandener Technologien (z.B. Wasserkraft, Sonnen- und Windenergie) erreicht werden können. Dies motiviert die Erforschung alternativer Technologien zur Gewinnung von neuen Energiequellen. Hierbei bleiben Weltraumprojekte eine der vielversprechendsten, aber noch weitgehend unerschlossenen Optionen, um dieses Ziel zu erreichen.^[28]

Das folgende Kapitel 3 befasst sich mit den Konzeptionen zur Gewinnung von Solarenergie im Weltraum sowie dem Abbau von Rohstoffen auf dem Mond. Hierzu werden gegenwärtige Studien und Erkenntnisse zusammengefasst, ein Überblick über die jüngsten internationalen Engagements im Weltraumenergie-Sektor gegeben sowie die möglichen Auswirkungen der Ansätze als potenzielle neue Geschäftsmodelle bewertet.

3.1 Solarenergie aus dem Weltall

Die Idee, Solarenergie aus dem Weltall zu generieren beschäftigt Wissenschaft und Politik bereits länger als die derzeitig weltweit diskutierte Energiewende mit dem Wunsch nach dem Ausbau nachhaltiger Energien. Nachdem in einer Science-Fiction Geschichte in den Vierzigerjahren der Autor Isaac Asimov erstmals die Vorstellung des Transports von Sonnenenergie aus dem Weltraum auf die Erde dokumentiert, folgt Ende der Sechziger die erste wissenschaftliche Ausarbeitung zu diesem Thema. Dr. Peter Glaser, ein ehemaliger Raumfahrtingenieur und Berater, stellt im November 1968 sein Konzept zu einem „Satellite Solar-Power System“ vor, mit dem nachhaltige Sonnenenergie aus dem Weltraum auf der Erde genutzt werden soll.^[29] Darauf aufbauend folgen erste Machbarkeitsstudien in den Siebzigern, zunächst hauptsächlich durch die NASA in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium.^[30] Peter Glaser betitelt seine Erstveröffentlichung damals schon mit „It’s future“.^[31] Seitdem ist ein halbes Jahrhundert vergangen und noch senden keine Satelliten Solarenergie hinunter zur Erde. Doch weltweites Engagement auf diesem Gebiet^[32] wirft die Frage nach der Realisierbarkeit und Kommerzialisierbarkeit des Konzepts auf, die mit diesem Papier untersucht werden soll.

Das Kapitel 3.1 zur Space Solar Power (SSP) ist in zwei Teilabschnitte gegliedert. Zunächst werden die Grundlagen sowie die Funktionsweise von Konzepten zur Nutzung von Solarenergie aus dem Weltraum vorgestellt. Im zweiten Abschnitt gilt es, die derzeitigen Erkenntnisse auf dem Gebiet zu adaptieren und die Chancen und Herausforderungen eines potenziellen Geschäftsmodells aufzuzeigen.

Als Hinweis bleibt anzumerken, dass in Veröffentlichungen zu diesem Thema die Begriffe „Space Based Solar Power“ (SBSP)^[33], „Space Solar Power“ (SSP)^[34] und „Space Solar Power Systems“ (SSPS)^[35] synonym verwendet werden. Da sämtliche Begriffe dieselbe Konzeption meinen, beschränkt sich der Autor auf die Bezeichnung SSP.

3.1.1 Grundlagen zur Solarenergiegewinnung im Weltall

Im folgenden Abschnitt werden zunächst die Funktionsweise sowie verschiedene Ansätze von SSP erläutert und gegen bekannte Erkenntnisse aus der Generierung von Solarenergie auf der Erde (Terrestrial Solar Power, kurz TSP) abgegrenzt.

Irdische Solarenergie wird einen wichtigen Beitrag zum zukünftigen Energiemix leisten. Das Gleiche gilt für andere Optionen, einschließlich Wasserkraft und Windenergie. Jede dieser traditionellen erneuerbaren Energielösungen weist jedoch erhebliche Einschränkungen auf - hauptsächlich Unterbrechungen.^[36] Die begrenzte Sonneneinstrahlung pro Tag, die zusätzlich vom Wetter und Saisoneffekten beeinflusst wird, ist der große Nachteil bei der Gewinnung von Sonnenergie. Dies führt zur teilweisen Unzuverlässigkeit von Solarenergie und zur Inkonsistenz der erzeugten Leistung. Dabei erreicht jede Stunde mehr Sonnenenergie die Erde, als die Menschheit im Jahr verbraucht.^[37] Satelliten im All können das ausnutzen und haben bei entsprechender Ausrichtung eine deutlich längere Sonneneinstrahlung, die abhängig vom gewählten Orbit ist und bis zu 24h/Tag betragen kann.^[38]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Darstellung der Funktionsweise von SSP mittels des Konzepts SPS-ALPHA^[39]

Mit Solarpanels ausgestattete, Energie übertragende Satelliten sammeln hierbei hoch intensive Sonnenstrahlung. Dies kann durch Spiegel, die die Strahlung an zentrale Solarzellen weiterleiten (vgl. Abbildung 1) oder direkt mittels großflächigen Solarpanels erfolgen. Die Strahlung wird umgewandelt und anschießend drahtlos zur Erde gestrahlt. Stationen auf der Erde empfangen die Energie und speisen diese in die Stromnetze ein.^[40] Derzeitig existieren zwei erprobte Wege die Energie zur Erde zur bringen: In Form von Laserstrahlen oder Mikrowellen. Laserstrahlen sind konzentrierter und somit leichter auffangbar, doch Mikrowellen haben den Vorteil einer ununterbrochenen Übertragung durch Wolken, Witterung oder andere atmosphärische Bedingungen.^[41] Die Mehrheit der Veröffentlichungen zum Thema SSP sieht größeres Potenzial bei der Verwendung von Mikrowellen, weshalb diese Konzeption als Grundlage für die Arbeit dient.

Zu unterscheiden sind im SSP-Kontext die niedrige Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, kurz LEO), die mittlere Erdumlaufbahn (Medium Earth Orbit, auch MEO) sowie die geosynchrone und geostationäre Umlaufbahn (GSO, bzw. GEO). Diese weisen z.T. unterschiedliche Sonnenzeiten auf.^[42] So beträgt die Sonnenzeit von GEO-Satelliten beispielsweise 24 Stunden pro Tag, außer für wenige Minuten während zwei Jahreszeitenwechseln.^[43] Satelliten auf niedriger Umlaufbahn (LEO) würden, wenn auf der sonnensynchronen Umlaufbahn (Sun-synchronous Orbit, SSO) ausgesetzt, ebenfalls nahezu ganzzeitig Sonnenstrahlen abbekommen.

Zum Vergleich: Die sonnigsten Wüstenregionen kommen im Durchschnitt auf Zehn bis Elf Sonnenstunden pro Tag.^[44] Dieser Unterschied schlägt sich auch in der Effizienz der Systeme nieder. Berechnungen zeigen, dass auf sonnigen Gebieten der Erde eine 1 km2 große Anlage von Solarzellen (mit einer Effizienz von 40 %) ca. 2 MWh/Tag erzeugen kann. Im Weltraum kann die gleiche Menge Energie auf verschiedenen Orbits mit wenigen Hundert Quadratmetern generiert werden, weniger als 1 % der irdisch benötigten Fläche^[45] und das obwohl die Effizienz der Weltraumsolarzellen mit etwa 30 % geringer ist.^[46]

Regierungen und Wissenschaftler weltweit beschäftigen sich immer intensiver mit SSP. Zwischen 2008 und 2011 führte die International Academy of Astronautics (IAA) das erste International Assessment of Space Solar Power durch, an dem verschiedene Fachexperten aus etwa zehn Ländern beteiligt waren.^[47] Auch der weltweite Berufsverband IEEE^[48] oder weitere US-Organisationen wie die NSS^[49] oder die NASA befassen sich intensiv mit der Thematik. Darüber hinaus führte die US-Regierung ab Herbst 2015 einen behördenübergreifenden Wettbewerb durch, der sogenannte "D3"-Wettbewerb^[50]. Das Ergebnis war die Auswahl des Space Solar Power Teams (unter der Leitung von Dr. Paul Jaffe vom US Naval Research Laboratory) als Siegerprojekt.^[51] Auch Japan und China sind interessiert und technologisch nicht weniger gut aufgestellt. Japan fokussiert sich mit Erfolg vor allem auf die Erforschung der drahtlosen Energieübertragung.^[52] Zudem plant die Japanische Agentur für Luft- und Raumfahrt (JAXA) in den nächsten Jahren einen experimentellen SSP-Satelliten in den Weltraum zu starten und den ersten SSP-Satelliten bis 2030 zu entwickeln.^[53] Auch Deutschland und Europa möchten in diesem Bereich partizipieren. Ein erfolgreiches Beispiel ist das mittelständische Unternehmen „AZUR SPACE“, das einer der Weltmarktführer für Solarzellen im Weltraum ist.^[54]

Viele Organisationen haben sich mit der stellaren Energietechnologie beschäftigt und sind zu dem Schluss gekommen, dass die Idee technisch auf mehreren Wegen realisierbar ist.^[55] Gegenstand der Analyse wird daher u.a. das Konzept des ehemaligen NASA-Mitarbeiters und Firmengründers John C. Mankins namens SPS-ALPHA.^[56] Dieses besteht aus einem großen Solarsatelliten und nutzt einen Spiegelkegel, um das Sonnenlicht trichterformartig auf Photovoltaikmodule im Zentrum umzuleiten (siehe Abbildung 1). Eine weitere Studie von verschiedenen Wissenschaftlern folgt einer anderen Methodik. Statt mit Spiegeln sollen die Satelliten mit großflächigen Solarflügeln ausgestattet sein.^[57] Die Frage lautet nur: Wird es auch ökonomisch realisierbar sein? Und wenn ja, wann und mit welchem Konzept?

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^[1] Vgl. SpaceTec Partners (2016) S.1.

^[2] Ebd.

^[3] Vgl. Hay et al. (2009).

^[4] Vgl. SpaceTec Partners (2016) S.4.

^[5] Vgl. Hay et al. (2009).

^[6] Vgl. SpaceTec Partners (2016) S.1.

^[7] Vgl. SpaceTec Partners (2016) S.4.

^[8] Vgl. Ebd. S.4 f.

^[9] Vgl. Menn, A. (2017).

^[10] Vgl. Ebd.

^[11] Vgl. BICC für bpb.de (2013).

^[12] Vgl. Space Exploration Technologies Corporation (kein Datum).

^[13] Vgl. Hegmann, G. (2017).

^[14] Vgl. Forbes (kein Datum).

^[15] Vgl. Menn, A. (2017).

^[16] Vgl. SpaceTec Partners (2016), S.17.

^[17] Vgl. Menn, A. (2017).

^[18] Ebd.

^[19] Vgl. Ebd.

^[20] Vgl. SpaceTec Partners (2016) S.17.

^[21] Vgl. Menn, A. (2017).

^[22] Vgl. Ebd.

^[23] Vgl. Mühlbauer, P. (2016).

^[24] Vgl. Lossau, N. (2016).

^[25] Vgl. Gass, H. (2011).

^[26] Vgl. BP Group (2017), S. 8; 1 Mtoe = 11,63 TWh.

^[27] Vgl. Mankins (2017), S. 1.

^[28] Vgl. Ebd.

^[29] Glaser (1968).

^[30] Vgl. Mankins (2017), S. 2f.

^[31] Glaser (1968), S. 857.

^[32] Siehe Kapitel 3.1.1.

^[33] Vgl. Gibbs (2015); Grad (2015), S. 32f.

^[34] Vgl. Gho & Zekavat (2015).

^[35] Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), kein Datum.

^[36] Vgl. Ebd.

^[37] Vgl. US Department of Energy (2014).

^[38] Vgl. Gho & Zekavat (2015), S. 755.

^[39] Entnommen aus Gibbs (2015).

^[40] Vgl. US Department of Energy (2014).

^[41] Vgl. Ebd.

^[42] Vgl. Gho & Zekavat (2015), S. 755.

^[43] Vgl. Ebd., S. 753.

^[44] Vgl. Current Results - Weather and Science Facts, kein Datum.

^[45] Vgl. Gho & Zekavat (2015), S. 754.

^[46] Vgl. AZUR SPACE Solar Power GmbH, kein Datum.

^[47] Vgl. Mankins (2017), S. 1.

^[48] Institute of Electrical and Electronics Engineers.

^[49] National Space Society.

^[50] D3 steht für “development, defense and diplomacy”.

^[51] Vgl. Mankins (2017), S. 1.

^[52] Vgl. Ackerman (2015).

^[53] Vgl. Ebd.

^[54] Siehe AZUR SPACE Solar Power GmbH.

^[55] Vgl. Gibbs (2015).

^[56] Vgl. Mankins (2014).

^[57] Vgl. Gho & Zekavat (2015).