Rettung für die Solarzellenindustrie

Am 25. April 1954 stellten die Bell Laboratories im Rahmen einer Pressekonferenz „das erste erfolgreiche Gerät zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbaren Strom“ vor. Die sogenannte „Bell-Solarbatterie“ bestand aus rechteckigen „Siliziumstreifen, die aus ganz normalem Sand gewonnen wurden, einem der meistverfügbaren Materialien auf der ganzen Welt.“

In der New York Times erschien die Nachricht von Bells Durchbruch auf der Titelseite. Der Artikel beschrieb, wie die Erfindung von Bell den Anfang einer neuen Ära bedeuten könnte und eines Tages möglicherweise zur Umsetzung eines der größten Träume der Menschheit führen könnte – der Nutzung der fast grenzenlosen Sonnenenergie für Zivilisationszwecke.

Die Nachricht aus den Bell Laboratories weckte die Aufmerksamkeit von Generalmajor James O’Connell, dem Befehlshaber des amerikanischen Signal Corps, also der Fernmeldeeinheit. Die Mission dieses Corps war die Bereitstellung und Wartung eines zuverlässigen militärischen Kommunikationssystems, für das natürlich eine Stromversorgung benötigt wurde.

Das Militär zeigte Interesse

Die Siliziumstreifen waren leicht, benötigten keinen Treibstoff und konnten als erste Direktkonverter Sonnenlicht in Strom umwandeln. Aus diesem Grund waren sie hochinteressant für O’Connell und seine Mitarbeiter, die stets die Augen nach neuen, für das Signal Corps interessanten Entwicklungen offen hielten. O’Connell arrangierte deshalb umgehend einen Besuch von Hans Ziegler, seinem leitenden Wissenschaftler für elektrische Bauelemente, der bei den Bell Laboratories so viel wie möglich über die neue Erfindung in Erfahrung bringen sollte. Was Ziegler bei den Bell Laboratories gehört und gesehen hat, muss ihn schwer beeindruckt haben, denn nach seiner Rückkehr berichtete er seinen Kollegen vom technischen Labor des Signal Corps, dass „zukünftige Entwicklungen (die Solarbatterie) sehr wahrscheinlich zu einer wichtigen Stromquelle machen könnten.“ Eine Woche später ging er noch weiter und mutmaßte, dass die Errichtung einer „nationalen Solarbatterie“ ganz Amerika mit Strom versorgen könnte. Trotz dieser großen Erwartungen konnte das Signal Corps unter der Führung von Ziegler zum damaligen Zeitpunkt nur ein klares Anwendungsgebiet für die Solarbatterie identifizieren – Satelliten in der Erdumlaufbahn.

Erstanwendung Satellit

Ziegler und das Signal Corps waren nicht die Ersten, die diese Idee vorschlugen. Fred Singer entwickelte den ersten amerikanischen Prototypen eines unbemannten Orbitalsatelliten und regte an, einen solchen Satelliten anlässlich des Internationalen Geophysikalischen Jahrs – einer für 1957 und 1958 geplanten weltweiten Initiative zur Erforschung der Erde und des Weltraums – zu starten. Sein Modellsatellit sah eine Solarstromversorgung vor. Singer stellte den solarbetriebenen Satelliten erstmals im Rahmen einer Präsentation auf dem dritten Raumfahrtsymposium vor, das am 4. Mai 1954 im renommierten Hayden-Planetarium stattfand. „Wir schlagen für den Satelliten eine Umlaufbahn vor, auf der er stets der Sonne zugewandt ist, wodurch die Möglichkeiten für eine solare Stromversorgung äußerst viel versprechend erscheinen“, sagte Singer vor versammeltem Publikum. „Ein ungefähr 30 Quadratzentimeter großes Modell der neu entwickelten Bell-Solarbatterie könnte wahrscheinlich die gesamte Stromversorgung übernehmen.“ Singer entschied sich für die Solarenergie, da eine Stromversorgung, die „ein paar Monate im Weltraum überdauern soll, mit Batterien zu schaffen nicht möglich ist.“

Wissenschaftler, die die US-Regierung zum Thema Satelliten und deren Instrumentierung berieten, sprachen sich genauso entschieden für die Solarenergie aus wie Singer. Sie erklärten: „Ein Solarbatteriesystem an Bord ist von größter Bedeutung.“ In einem geheimen, vom amerikanischen Verteidigungsministerium angeforderten Bericht über das entstehende Weltraumprogramm stimmte das von Ziegler geleitete Signal Corps der Meinung Singers und der anderen Akademiker zu, dass „für den längeren Betrieb und bei gegebenen Gewichtseinschränkungen Stromsysteme gewählt werden müssen, die ihre Energie aus in der Satellitenumgebung verfügbaren Quellen gewinnen.“ Die Sonne sei eine solche Quelle, vermerkte das Signal Corps.

Noch während das Signal Corps seinen Bericht fertig stellte, erklärte Amerika öffentlich seine Absicht, einen Erdsatelliten ins Weltall schicken zu wollen. Diese Nachricht sorgte in fast allen amerikanischen Zeitungen für Schlagzeilen.

Schon 1955 glaubten Singer, Ziegler und die meisten Wissenschaftler, dass Amerikas erster Satellit mit Solarenergie betrieben werden würde. Singer sagte: „Es schien beschlossene Sache.“ Im Herbst 1955 jedoch übergab die amerikanische Regierung der US-Marine – nicht der Armee, deren Satellitenpläne vom Signal Corps entwickelt wurden und Solarenergie vorsahen – die Leitung für den Start des ersten zukünftigen amerikanischen Satelliten, dem Vanguard. Diese Entscheidung machte jede Hoffnung für den Einsatz von Solarzellen zunichte, weil das Forschungslabor der Marine, das jetzt an der Spitze des amerikanischen Satellitenprogramms stand, dieses Bauteil aufgrund seiner „unerwiesenen Zuverlässigkeit“ ablehnte. Hans Ziegler sprach mit den Verantwortlichen für das Vanguard-Projekt bei der Marine und kam zu dem Schluss: „Die Aussichten für die Einführung von Solarstrom schienen recht trübe.“ Aus diesem Grund begann er Unruhe zu stiften, „um der Menschheit“, so erinnert er sich, „die Vorteile der Bell-Solarbatterie so schnell wie möglich zur Verfügung zu stellen.“

Solarer Kreuzzug

Ziegler feuerte seine erste Salve im Januar 1965 auf einem Treffen anlässlich des zehnjährigen Jubiläums des Upper-Air-Rocket-Forschungsgremiums, das sich mit den „wissenschaftlichen Einsatzzwecken für Erdsatelliten“ beschäftigte. Auf diesem Forum, an dem alle führenden Weltraumwissenschaftler jener Zeit beteiligt waren, warb er für die nötige Unterstützung für die weiterführende Forschung und Entwicklung von Solarzellen für den Weltraum. Ziegler sprach als Erstes das Hauptthema an, das alle damals anwesenden Zuhörer beschäftigte – den Gesamterfolg des wissenschaftlichen Satellitenprogramms. Dieser, so Ziegler, hinge „in großem Maße von der Wahl der geeignetsten Stromquelle für den Instrumentenbetrieb“ ab. „Es besteht wenig Zweifel daran, dass die hochinstrumentierten und langlebigen Satelliten der Zukunft mit Solar- oder Atomstrom betrieben werden müssen. Wir sollten deshalb so bald wie möglich ernsthaft mit der Arbeit auf diesem Gebiet beginnen.“

Die Solarrevolte kam in Fahrt, als Ziegler und seine Mitarbeiter am 8. Februar 1956 ein Treffen mit Mitgliedern der Forschungs- und Entwicklungsgruppe der Armee einberiefen. Ziel des Treffens war die Besprechung eines beim Gesamtleiter für die Forschung und Entwicklung einzureichenden Vorschlags zur Befürwortung der „baldigen Nutzung von Solarstromquellen für den Satellitenbetrieb.“ Alle Anwesenden wurden sich darüber einig, dass Batterien „für zukünftige Satelliten mit praktischem Verwendungszweck“, die leicht genug für einen Raketenstart wären, nicht leistungsfähig genug sein würden. Atomstrom lehnten die Wissenschaftler ab, weil „leichtgewichtige Stromquellen sich noch im frühen Entwicklungsstadium befinden.“ Übrig blieb die Photovoltaik, und die Gruppe kam zu dem Schluss, dass man sich „zuerst mit Solarbauteilen beschäftigen“ solle.

Umfangreiches Testprogramm

Um seine Absicht zu untermauern, die Nutzung von Solarquellen in der Raumfahrt – ungeachtet der Meinung seitens der Marine – zu fördern, wies Ziegler seine Mitarbeiter am 13. März 1956 an, mit einem umfangreichen Testprogramm „zur Datenerhebung für die Fertigentwicklung einer geeigneten (solaren) Stromversorgung“ zu beginnen. Ziel des Zweijahresprogramms war es unter anderem, die noch bestehende Ungewissheit über die Leistung von Solarzellen im Weltraum unter Einfluss von Hochenergiestrahlung, Mikrometeoriten und Extremtemperaturen zu beseitigen.

Auch James Van Allen, nach dem der Van-Allen-Strahlungsgürtel benannt wurde, machte sich an die Arbeit. Als Mitglied des technischen Gremiums der National Academy of Sciences für das Erdsatellitenprogramm erforschte Van Allen die Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit von Solarzellen auf Siliziumbasis. Er besuchte die Bell Laboratories und die Firma National Fabricated Products, die zu jener Zeit der einzige industrielle Hersteller von Siliziumsolarzellen weltweit war. Van Allen notierte, dass Morton Prince, der bei den Bell Laboratories an den Solarzellen gearbeitet hatte, von Bell zu National Fabricated Products gewechselt war. Dies gab Grund zu der Erwartung, „dass der Wirkungsgrad der Zellen (dieser Firma) sich zunehmend verbessern wird.“

Im Sommer 1956 lenkte die Marine ein und sagte ihre volle Unterstützung für das vom Signal Corps eingeleitete Solarprogramm zu. Dazu gehörte, dass sie Solarzellen auf ihren Raketen in große Höhen transportierte und dem Signal Corps die Nutzung von „speziell auf die Satellitenumgebung abgestimmten“ Testgeräten genehmigte. Die Entscheidung der Marine, die vom Signal Corps angeregte Verwendung von Solarenergie in den Satelliten des Vanguard-Projekts zu unterstützen, beschleunigte die Sache.

Zunächst befassten sich die Ingenieure des Signal Corps mit der Robustheit der Zellgruppen hinsichtlich der im Weltraum herrschenden Umstände. Hielten sie extreme Temperaturen aus? Tests mit Versuchstemperaturen zwischen fast 100 und minus 70 Grad überstanden sie unbeschadet. Hinsichtlich der Strahlungseinwirkung wurden die Zellen schadlos beträchtlicher Röntgen- und Gammastrahlung sowie Protonenbestrahlung und Alphabeschuss ausgesetzt.

Zellen unter der Raketenhaut

Für den Raketentest schloss Zieglers leitender Ingenieur acht Solarzellen mit einer Oberfläche von je 0,5 mal 2 Zentimeter in Serie zusammen und montierte sie unter Pyrex-Glas. Danach wurde die Zellgruppe an eine Aluminiumplatte anzementiert, die formgenau in eine rechteckige Vertiefung in der Raketenspitze eingepasst wurde. Dadurch waren die Zellen unter Glas bündig mit der Außenhaut der Rakete.

Dann kam der Augenblick der Wahrheit. Im Frühling 1957 wurden zwei Raketen, die in ihrer Spitze die Solarzellen trugen, in den Weltraum geschossen. Die Höhenbedingungen reichten dafür aus, die Zellen allen möglichen Widrigkeiten einer Umlaufbahn im Weltraum auszusetzen. Nach der Datenerhebung der beiden Flüge berichtete Ziegler jubelnd, dass „die Solarzellen auf beiden Flügen perfekt funktionierten“. Laut eines Presseberichts des Signal Corps wurden die Zellen nicht „durch die an der Oberfläche auftretenden Reibungstemperaturen beeinträchtigt, die bei Geschwindigkeiten von über einer Meile pro Sekunde während des Flugs der Raketen durch die Atmosphäre auftreten.“ Am wichtigsten war, dass „der von den Solarzellen erzeugte Strom für die Satelliteninstrumente ausreichte“.

Die Anerkennung für die von den Solarzellen produzierte Strommenge ging an die Firma Hoffman Electronics, die National Fabricated Products aufgekauft hatte. Wie Van Allen vorhergesagt hatte, wurden unter der Leitung von Prince im Frühling 1957 kommerziell Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von zehn Prozent hergestellt. Eine Neuentwicklung des Ingenieurs Eugene Ralph, der mit Prince arbeitete, steigerte auch die Ausgangsleistung. Ralph schaffte es, die Zellspannung durch eine „schindelartige“ Überlappung der Siliziumstreifen zu erhöhen.

Im Frühling 1957 schien alles für den Einsatz von Solarzellen im Weltraum bereit. Deshalb war es im Juni jenes Jahres eine große Überraschung, als die Marine in einem maßgeblichen Bericht eine Kehrtwende vollzog und sich ausschließlich auf die Verwendung von Batterien für den Satellitenbetrieb konzentrierte. Der Bericht schalt das Signal Corps für die Annahme, dass „sich die Zellen für den zukünftigen Antrieb von Satelliten eignen“, nur weil die Weltraumflüge erfolgreich gewesen waren.

Da der Start des Vanguard bevorstand, schien es, als ob die gesamte Arbeit Zieglers und seiner Mitarbeiter in Zusammenarbeit mit der Marine umsonst gewesen wäre. Dann jedoch fand fast über Nacht eine erneute Kehrtwende statt. Beamte im Verteidigungsministerium wiesen die Marine an, ihre Pläne für den Start eines größeren Satelliten voll experimenteller Ausrüstung zugunsten einer Reihe kleinerer Satelliten von Grapefruit-Größe zu streichen. Der abgespeckte Vanguard mit nur einem Sender und einer Batterie hatte noch Nutzlast verfügbar. Die Mitarbeiter des Signal Corps schlugen dem Verteidigungsministerium vor: Warum nicht einen – wie bereits von der Marine geplant – weiteren Sender mit Solarzellen hinzufügen?

Ein aufgeregter Ziegler erinnert sich: „Hier ergab sich eine perfekte Gelegenheit, diesen Satelliten mit Solarstrom auszustatten.“ Nach umfangreichen Diskussionen sah sich die Marine genötigt, ein System mit doppelter Stromversorgung zu starten – mit einem batteriebetriebenen Sender und einem weiteren Sender mit Solarzellen. Endlich war die Stunde der Solarenergie im Weltraum gekommen. John Hagen, der Leiter des Vanguard-Projekts, kündigte an, dass „die Solarbatterien es ermöglichen, die kleine Kugel über Jahre hinweg zu verfolgen, falls (der Satellit) zufällig eine passende Umlaufbahn findet.“

Am 17. März 1958 wurde der weltweit erste solarbetriebene Satellit gestartet. Sechs Solareinheiten wurden so auf der Oberfläche des Vanguard angebracht, dass auf dem Taumelkurs des Satelliten durch das All immer eine von ihnen der Sonne zugewandt war. Neunzehn Tage später meldete die Marine: „Der batteriebetriebene Sender des Vanguard ist außer Betrieb … aufgrund von Erschöpfung“, während der mit fünf Milliwatt Solarstrom betriebene Sender „noch gut funktioniert.“

Am 16. Juli 1957 sendeten von den vier gestarteten Satelliten nur noch der Vanguard mit Solarstrom und der Sputnik 111 (der nach dem Vanguard gestartet wurde und ebenfalls Solarzellen an Bord hatte). Drei Monate später prahlte der Direktor des Forschungslabors der US-Marine: „Der solarbetriebene Sender hat seit dem 17. März durchgehend bei Sonnenlicht gesendet, und der Satellit hat über 75 Millionen Meilen zurückgelegt.“ Nach einer Betriebsdauer von sieben Jahren meinte Ziegler zuversichtlich, dass „die Solarzellen des Vanguard selbst die skeptischsten Gegner durch ihre zuverlässige Leistung überzeugt haben.“

Impuls für viele Entwicklungen

Der Erfolg des Vanguard und späterer Satelliten, die Transistoren zusammen mit Solarbatterien verwendeten, bestätigte die Vorahnung der Forscher bei Bell, die schon 1956 vorhergesagt hatten, dass ihre beiden Halbleitererfindungen „in engem Zusammenhang mit vielen zukünftigen Entwicklungen stehen werden, die sich maßgeblich auf unsere Lebensweise auswirken werden.“ Der Transistor erlaubte den Einsatz langlebiger elektronischer Miniaturbauteile, die leicht genug für geeignete Nutzlasten und zuverlässig für eine Umgebung waren, in der keine Wartung möglich war. Aufgrund seines niedrigen Strombedarfs konnten auf der Satellitenoberfläche ausreichend Solarzellen für die Erzeugung der erforderlichen Elektrizität angebracht werden, wodurch die für praktische Weltraummissionen nötige Langlebigkeit gegeben war.

Zwei Monate nach dem Start des Grapefruit-großen Satelliten begann man am Forschungslabor der US-Marine darüber nachzudenken, dass „spezielle Satelliten mit Langzeittransistoren und Solarstromversorgung die verbesserte Navigation von Schiffen und aufgetauchten U-Booten bei einer Genauigkeit von ungefähr einer Viertel Meile ermöglichen.“ Die Einführung des Solarstroms im Rahmen des Vanguard-Projekts brach sogar das Eis für den Einsatz von Sonnenenergie zur Gewährleistung des Erfolgs von Langzeitmissionen im Weltraum. Für die Verfechter der Satellitentechnologie wurde die Solarzelle zu „einem der Grundbausteine des Weltraumprogramms.“

Durch aus Sonnenlicht gewonnener Elektrizität können Satelliten für das moderne Leben unabdingbar gewordene Aufgaben übernehmen. Zu den militärischen Anwendungen mit Satelliteneinsatz gehören Aufklärung, sichere Kommunikation und intelligente Waffen. Die kommerziellen Anwendungen reichen von der Überwachung von auf der ganzen Welt verstreuten Anlagen bis zur Navigationshilfe für Schiffe und Flugzeuge, die weltweit den Großteil aller Waren transportieren. Satelliten ermöglichen auch Geldautomaten- und Kreditkartentransaktionen für das bargeldlose Shopping. Die Unterhaltungsindustrie profitiert über direkte Fernsehverbindungen und die nahtlose Berichterstattung aus der ganzen Welt. Und die Wissenschaftler haben über satellitengestützte Instrumente eine bessere Sicht auf die Erde und das Universum.

Zieglers Feststellung von 1979 hat auch heute noch Gültigkeit: Ohne Solarzellen „wären unsere vergangene und auch zukünftige Erforschung sowie die praktische kommerzielle Nutzung des Weltraums kaum möglich gewesen.“

Die unerwartete und relativ starke Nachfrage nach Solarzellen für den Weltraum erwies sich als ausschlaggebend für deren Kommerzialisierung hier auf der Erde. Joseph Loferski, ein prominenter Photovoltaik-Pionier, stellt fest, dass „(Solarzellen) allein nicht weit gekommen wären.“ Dem fügt Martin Wolff, ein weiterer maßgeblicher Solar-Pionier, hinzu: „Der Beginn des Weltraumzeitalters war die Rettung für die Solarzellenindustrie.“

Autor: John Perlin, University of California in Santa Barbara, Fachbereich Physik

Danksagung: John Perlins Archivrecherche und seine Aufzeichnung der Geschichte des Vanguard-Satelliten wurden unterstützt von Larry Kazmerski und dem National Center for Photovoltaics des amerikanischen Energieministeriums.

Sechs Solarzellgruppen auf dem Vanguard versorgten den Sender über sieben Jahre mit Strom.

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