Darpa Power/Prad: 10 kW Strom per Laser über 200 km

Das ist längst nicht mehr nur Stoff für Science-Fiction.

Die US-Behörde Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) treibt einen neuen Ansatz voran, um elektrische Energie mit Hochleistungslasern und luftgestützten Relaisstationen durch den Himmel zu übertragen. Das Konzept könnte verändern, wie Streitkräfte verlegen, Drohnen versorgen und abgelegene Stützpunkte absichern – weit weg von anfälligen Treibstoffkonvois.

Wie ein Laser zur Stromleitung am Himmel wird

Das Vorhaben mit dem Namen Dauerhafter optischer drahtloser Energie-Relaisdienst (Power) soll eine Art unsichtbaren Energiekorridor über dem Gefechtsfeld schaffen. Statt Treibstoff per Lkw oder Tanker zu transportieren, soll Energie durch die Luft „gebeamt“ werden.

Darpa richtet den aktuellen Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen – Demonstration des Power-Empfänger-Arrays (Prad) – auf einen zentralen Baustein aus: den Empfänger. Dieses System steht am Boden oder befindet sich an Bord eines Fluggeräts und wandelt Laserlicht mithilfe speziell ausgelegter photovoltaischer Zellen in nutzbaren Strom um.

Ziel ist es, rund 10 kW elektrische Leistung über 200 km zu übertragen – mit Relaisplattformen, die in etwa 18.300 Meter Höhe fliegen.

Praktisch bedeutet das: Eine bodengebundene Station richtet einen Laser auf ein erstes Flugzeug, das als Relais dient. Dort wird der Strahl aufgenommen, aufbereitet und neu ausgerichtet, um ihn an das nächste Relais weiterzugeben – Schritt für Schritt, bis der finale Strahl das Empfänger-Array am Einsatzort trifft.

Warum das Militär an gebeamter Energie interessiert ist

Moderne Streitkräfte sind stark von Treibstoff abhängig. Diesel für Lkw, Kerosin für Luftfahrzeuge, Benzin für kleinere Fahrzeuge: Logistikverbände investieren enorme Arbeit, um Nachschub bis an die Front zu bringen. Diese Nachschubwege bleiben anfällig für Hinterhalte, Raketenangriffe und Drohnen.

Wenn ein Teil der Energieversorgung stattdessen über Laserstrahlen am Himmel bereitgestellt würde, könnten Führungskräfte:

• die Anzahl der Treibstoffkonvois auf Strassen reduzieren
• kleine vorgeschobene Stützpunkte unterstützen, denen schwere Infrastruktur fehlt
• Drohnen und leichte Luftfahrzeuge weit entfernt von regulären Flugplätzen weiter betreiben
• Stromnetzen in umkämpften Regionen zusätzliche Redundanz geben

10 kW reichen nicht, um einen Kampfpanzer zu bewegen – für Radaranlagen, Kommunikationsknoten, Sensortürme, Ausrüstung für elektronische Kampfführung oder zum Laden von Drohnenschwärmen und Batteriepaketen ist diese Leistung jedoch mehr als ausreichend.

Von 50 kW abgestrahlt zu 10 kW am Empfänger

Die Übertragung von Energie per Laser ist kein Selbstläufer: Unterwegs gehen Anteile verloren. Ein Teil der Photonen wird in der Atmosphäre gestreut, ein Teil verfehlt das Ziel, und ein Teil endet am Empfänger als Wärme statt als elektrische Energie.

Frühe Ansätze gehen davon aus, dass für 10 kW am Ziel ein Sender – abhängig von Distanz, Wellenlänge und Wetter – etwa 50 kW oder mehr abstrahlen müsste. Diese Differenz entsteht an jeder Stelle, an der der Wirkungsgrad sinkt: bei der Lasererzeugung, der Strahlformung, den Verlusten in der Luft und der Rückumwandlung in Gleichstrom.

Beim Energiebeamen geht es weniger um perfekte Effizienz als um strategischen Vorteil: Strom dorthin zu bringen, wo Kabel und Tanker nicht sicher hinkommen.

Die luftgestützten Relais sollen einen Teil dieser Verluste begrenzen. Indem Fluggeräte in 18.300 Metern Höhe operieren – oberhalb vieler Wolken und über einem Grossteil von Staub – wird ein erheblicher Anteil der turbulenten unteren Atmosphäre umgangen, in der Streuung besonders stark ist.

Warum Flugzeuge als Energie-Relais einsetzen?

Die Relaisebene ist der Kern der Power-Idee. Statt eines einzigen, riesigen Strahls über Hunderte Kilometer setzt Darpa auf eine Kette kürzerer Etappen zwischen fliegenden Plattformen.

Jedes Relaisflugzeug oder eine hochleistungsfähige Drohne würde:

• einen Laserstrahl vom Boden oder von einem weiteren Relais aufnehmen
• den Strahl mithilfe adaptiver Optik bündeln und konditionieren
• einen sauberen, eng ausgerichteten Strahl an den nächsten Knoten senden
• Ausrichtung und Sicherheit in Echtzeit überwachen

Mit drei luftgestützten Knoten – wie in Darpas Skizze beschrieben – entsteht ein Netz über einem grossen Gebiet. Wird eine Route durch Wetter oder operative Einschränkungen blockiert, kann eine andere übernehmen. Dieselben Plattformen könnten zudem Sensorik oder Kommunikationstechnik tragen und so zu Mehrzweckressourcen werden.

Zentrale Hürden beim Energiebeamen

Leistungsübertragung per Laser ist seit Jahrzehnten in Laborversuchen bekannt – der Schritt in eine reale militärische Einsatzumgebung bringt jedoch handfeste technische Probleme mit sich.

Herausforderung	Bedeutung in der Praxis
Atmosphärische Verluste	Nebel, Staub und Luftfeuchtigkeit streuen oder absorbieren Teile des Strahls und verringern Leistung und Stabilität.
Ziel- und Ausrichtgenauigkeit	Systeme müssen einen schmalen Strahl über Dutzende oder Hunderte Kilometer auf einen beweglichen Empfänger stabil halten.
Thermisches Management	Laser und Empfänger erzeugen Wärme und brauchen robuste Kühlung ohne sperrige Infrastruktur.
Sicherheit und Entflechtung	Strahlen müssen Flugzeuge, Satelliten und unbeabsichtigte Ziele am Boden vermeiden.
Umwandlungswirkungsgrad	Spezielle Photovoltaikzellen müssen möglichst viel Licht in elektrische Energie umsetzen.

Prad zielt darauf, genau einen Teil davon voranzubringen: das Empfänger-Array. Dieses muss eine grosse aktive Fläche besitzen, auf die Laserwellenlänge abgestimmt sein und gleichzeitig robust genug, um im Gefecht oder auf einer Flugzeugzelle zu funktionieren.

Der Empfänger muss sich wie ein Solarpanel auf Steroiden verhalten: auf eine einzige Lichtfarbe abgestimmt und in der Lage, deutlich höhere Intensitäten zu verkraften.

Sicherheits-, Ziel- und Rechtsfragen

Hochenergetische Laser werfen naheliegende Fragen auf. Ein falsch ausgerichteter Strahl könnte optische Sensoren beschädigen oder Luftfahrzeuge gefährden, wenn etwas in den Strahlengang gerät. Auch ohne jede Waffenabsicht beeinflusst eine Laser-Stromverbindung einen Luftraum, der dichter wird, und trifft auf wachsende Satellitenkonstellationen.

Voraussichtlich benötigen Betreiber:

• Verfahren zur Luftraumkoordination, ähnlich wie bei Raketentests
• automatische Strahlabschaltungen, sobald Hindernisse im Pfad auftauchen
• geografische Begrenzungen, damit Strahlen niemals über bewohntes Gebiet geführt werden
• Einsatzregeln, die speziell auf Energiebeaming-Systeme zugeschnitten sind

Sobald solche Systeme aus klassifizierten Erprobungen herauskommen und breiter eingesetzt werden – selbst für nichtmilitärische Zwecke –, dürften zivile Luftfahrtbehörden und Raumfahrtagenturen mitreden.

Von Gefechtstechnik zu zivilen Ablegern

Auch wenn Darpas Kurzbeschreibung klar auf militärische Anwendungen zielt, könnte die Basistechnologie in zivile Energiesysteme ausstrahlen. Abgelegene Forschungsstationen, Katastrophengebiete und Offshore-Anlagen kämpfen mit ähnlichen Themen: Strommangel, schwierige Logistik und fragile Versorgungsketten.

Wenn Hochleistungslaser günstiger werden und Empfänger effizienter arbeiten, könnte ein kommerzieller Betreiber sich vorstellen, mehrere Zehn Kilowatt zu übertragen – etwa an:

• provisorische Notfallkliniken, die durch Überschwemmungen oder Erdbeben abgeschnitten sind
• Insel-Mikronetze, bei denen das Verlegen von Unterseekabeln zu teuer ist
• autonome Drohnen-Hubs, die Luftfahrzeuge nachladen, ohne fest verdrahtete Landeplätze ans Netz anbinden zu müssen

Das gleiche Grundprinzip passt auch zu langfristigen Visionen weltraumgestützter Solarenergie, bei der Satelliten Sonnenlicht sammeln und zur Erde übertragen. Darpa adressiert dieses Szenario nicht direkt, doch viele Problemstellungen überschneiden sich: Strahlführung, hocheffiziente Empfänger und Sicherheitsrahmen.

Energiebeamen als Baustein im künftigen Energiemix

Laserstrom wird Pipelines, Batterien oder klassische Netze nicht ersetzen. Er ergänzt ein grösseres Instrumentarium. Batterien werden jedes Jahr besser, begrenzen jedoch weiterhin die Einsatzdauer von Drohnen und Elektrofahrzeugen. Wasserstoff bringt Schwierigkeiten bei Speicherung und Sicherheit mit sich. Kabel bleiben in feindlichen Umgebungen verwundbar – besonders unterseeisch.

Vor diesem Hintergrund könnte eine flexible, bei Bedarf aktivierbare Stromverbindung am Himmel als Reserve dienen: Sie kann erneuerbare Quellen in Mikronetzen stützen, abgelegene Radarposten versorgen, wenn Solarleistung nicht ausreicht, oder kritische Netze stabil halten, wenn physische Leitungen unterbrochen werden.

Der Ansatz verlangt zugleich ein anderes Risikoverständnis. Jede Abhängigkeit von einer hochkomplexen Kette aus Flugplattformen und Lasern schafft eigene Verwundbarkeiten: Störung, Cyberangriffe auf Steuerungssysteme oder physische Angriffe auf die Relais. Militärische Planer müssen diese Risiken gegen die heutige Gefährdung von Treibstoffkonvois und festen Stromleitungen abwägen.

Für Ingenieurinnen und Ingenieure könnten die kommenden Jahre wirken wie eine riesige Simulation, die Realität wird: Wo verlaufen Strahlen, wie viel Leistung kommt an, was passiert bei Wetterwechsel oder wenn ein Fluggerät ausweicht? Jedes Szenario liefert Daten, und jeder Test bestimmt, wie weit gebeamte Energie über das ursprüngliche Ziel hinauskommt – 10 kW über 200 km.

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