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Leben am Rande: Satelliten übernehmen leistungsstarke Computer

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Die neueste Apple Watch hat den 16-fachen Speicher des Zentralprozessors des NASA-Rover Mars 2020. Beim neuen iPhone ist das 64-fache des Speichers des Rovers in der Größe eines Autos Standard.

Jahrzehntelang lehnten die Menschen Vergleiche zwischen terrestrischen und weltraumgestützten Prozessoren ab, indem sie auf die starke Strahlung und extreme Temperaturen hinwiesen, denen weltraumgestützte Elektronik ausgesetzt ist. Nur Komponenten, die speziell für die Raumfahrt entwickelt wurden und sich nach vielen Jahren im Orbit als gut funktionierend erwiesen haben, wurden als widerstandsfähig genug für Missionen der Weltraumbehörde im Wert von mehreren Milliarden Dollar angesehen.

Während dies immer noch die beste Wahl für hochkarätige Weltraummissionen ist, verwenden Raumfahrzeuge, die näher an der Erde operieren, hochmoderne Bordprozessoren. Kommende Missionen werden eine noch größere Rechenkapazität erfordern.

Satellitensensoren produzieren „eine enorme Menge an Daten in Form von wissenschaftlicher Forschung, Erdbeobachtung, nationaler Sicherheit“, sagte Naeem Altaf, angesehener IBM-Ingenieur und Chief Technology Officer von IBM Space Tech, per E-Mail. „Um den schnellen Wert von Daten zu extrahieren, müssen wir die Datenverarbeitung näher an die Daten bringen.“

Betrachten wir die Erdbeobachtung. Traditionell wurden elektrooptische Bilder und Radardaten mit synthetischer Apertur zur Verarbeitung an den Boden gesendet. Das ist noch weitgehend der Fall, aber neue Erdbeobachtungssensoren erweitern das Datenvolumen, das im Orbit erfasst wird, immer weiter, manchmal ziemlich dramatisch. Gleichzeitig wünschen sich Kunden einen schnellen Zugriff auf Erkenntnisse aus verschiedenen Datensätzen.

Wetterbeobachtung ist ein gutes Beispiel. Numerische Wettermodelle führen riesige Datenmengen zusammen, die für Weltraum-, Luft-, Meeres- und terrestrische Sensoren gewonnen wurden. Während niemand vorschlägt, die Vorhersagealgorithmen auf Satelliten laufen zu lassen, sieht AAC Clyde Space, das schwedische Unternehmen, das die Kern-Avionik für den Arktis-Wettersatelliten der Europäischen Weltraumorganisation liefert, Verbesserungen in der Verarbeitung an Bord als eine Möglichkeit, die Bereitstellung von Wetterdaten zu beschleunigen.

„Wir sehen in der Zukunft die Möglichkeit, viel an Bord zu verarbeiten: Daten vorbereiten, Daten komprimieren und mit der Datenfusion beginnen“, sagte Luis Gomes, CEO von AAC Clyde Space. „Unser Ziel sind Echtzeit-Wetterbeobachtungen aus dem All. Dafür müssen wir die Daten effizient und effektiv verpacken, um die Downlink-Zeit zu reduzieren.“

Hyperspektralsensoren produzieren auch riesige Datensätze, die die Verarbeitung an Bord „ziemlich kritisch“ machen, sagte Gomes.

Einige der neuen Satellitencomputer werden dem Knirschen von Sensordaten gewidmet sein. Andere werden Raumfahrzeugen dabei helfen, komplexe Operationen zu choreografieren.

Zukünftige Satelliten werden wahrscheinlich in Schwärmen operieren, über Verbindungen zwischen Satelliten kommunizieren und zusammenarbeiten, um einzigartige Datensätze zu erfassen und Kommunikationsnetze zu erweitern. Letztendlich werden Konstellationen künstliche Intelligenz einsetzen, um Probleme zu lösen, indem sie beispielsweise Satelliten auf der Grundlage einer Onboard-Analyse ihres Zustands und ihrer Leistung heilen oder neu positionieren, was eine umfassende Edge-Verarbeitung erfordert, sagte Chuck Beames, Vorsitzender der SmallSat Alliance, einem Branchenverband.

KOMMERZIELLE LÖSUNGEN

Die Edge-Verarbeitung, die die Berechnung näher an die Datenquellen bringt, wird auf der Erde immer beliebter. Öl- und Gasunternehmen analysieren beispielsweise Daten in der Nähe von Sensoren, die schweres Gerät an entfernten Standorten überwachen, um Geräteprobleme schnell zu erkennen und die Kosten für Kommunikation und Datenspeicherung zu senken.

Unternehmen von IBM und Hewlett Packard Enterprise bis hin zu Start-ups auf der ganzen Welt positionieren sich, um die ihrer Meinung nach unvermeidliche Nachfrage nach verbesserter weltraumgestützter Edge-Verarbeitung zu decken, beginnend an Bord von Satelliten bis hin zu Rechenzentren in der Erd- und Mondumlaufbahn.

Eine künstlerische Darstellung der japanischen Asteroidenmission Hayabusa-2, die an der Erde vorbeizieht. Das israelische Start-up Ramon.Space lieferte Computertechnologie für die Mission der japanischen Weltraumbehörde. Bildnachweis: JAXA

Exodus Orbitals, ein kanadisches Startup, das Satellitendienste an Entwickler von Softwareanwendungen vermietet, gründete im November die Edge Computing in Space Alliance. Die Organisation zog schnell fast zwei Dutzend Mitglieder an.

Eines der Mitglieder, Ramon.Space, wirbt für „weltraumresistente Supercomputing-Systeme“. Sie haben zwar wenig Ähnlichkeit mit terrestrischen Supercomputern, unterscheiden sich aber stark von Raumfahrtcomputern mit geringer Kapazität und „sind viel näher an der Art von Rechenleistung, die wir auf der Erde haben“, sagte Lisa Kuo, Vice President of Strategic Sales bei Ramon.Space. ein 2004 gegründetes israelisches Unternehmen, das international expandiert. „Wir gehen Weltraum-Computersysteme mit einem sehr feinen Kamm durch und wenden die optimale Strahlungshärtungstechnik für jede Komponente an.“

Im Gegensatz zum maßgeschneiderten Ansatz bietet das Startup Exo-Space aus Pasadena, Kalifornien, FeatherEdge, eine Plattform, die künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen auf Erdbeobachtungsdaten anwendet, um schnell wertvolle Informationen zu extrahieren.

Langfristig plant Exo-Space, „die Technologie an allgemeinere Anwendungsfälle wie Konstellationsmanagement oder vorausschauende Wartung anzupassen“, sagte CEO Jeremy Allam.

Das in Sydney ansässige Unternehmen Spiral Blue wendet mit seinem Space Edge-Computer auch künstliche Intelligenz auf Erdbilder an.

„Satelliten können viel mehr Daten erfassen, als sie tatsächlich herunterbringen können“, sagte Taofiq Huq, Gründer und CEO von Spiral Blue. Mit verbesserter Verarbeitung an Bord können Satelliten die wichtigsten Informationen hervorheben und nach unten verlinken, wie Schiffsstandorte für die Verfolgung von Seeschiffen, fügte er hinzu.

VERPACKEN SIE ES

Andere Firmen spezialisieren sich auf die Verpackung von terrestrischen Computern für die Raumfahrt. OrbitsEdge arbeitet beispielsweise mit Kunden wie HPE zusammen, um Strahlungsabschirmungs- und Wärmemanagementsysteme bereitzustellen, die es Computern ermöglichen, die für terrestrische Anwendungen entwickelt wurden, im Orbit zu funktionieren.

„Indem wir uns auf die Hochleistungs-Berechnungspipeline verlassen, haben wir die Gewissheit, dass alles, was wir fliegen, das Modernste ist“, sagte Rick Ward, Chief Technology Officer und Gründer von OrbitsEdge mit Sitz in Titusville, Florida. „Wenn wir zum Quantencomputing übergehen, und wir haben bereits Gespräche mit einigen der Quantencomputing-Unternehmen geführt, können wir das auch tun.“

Cosmic Shielding Corp. verfolgt einen ähnlichen Ansatz, aber anstatt sich auf den Schutz von Prozessoren zu konzentrieren, hat das Startup aus Atlanta ein 3D-gedrucktes Polymer entwickelt, um Menschen und Elektronik im Orbit zu schützen.

„Man kann aus diesem Material einen Satellitenbus bauen, und es wird erhebliche Verbesserungen bringen“, sagte Yanni Barghouty, Gründer und CEO von Cosmic Shielding. „Im Moment sehen wir eine Reduzierung der Strahlendosis um etwa 60 bis 70 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Materialien.“

KANTE VERLÄNGERN

Neben der Verbesserung der Verarbeitung an Bord installieren Unternehmen Edge-Prozessoren in Bodenstationen und planen die Einführung von Konstellationen für die Datenverarbeitung.

„Edge Computing kann in verschiedenen Segmenten durchgeführt werden, abhängig vom Anwendungsfall und der Kritikalität der Daten“, sagte Altaf von IBM. „Wir können dedizierte Rechensatelliten haben, die die Aufgabe haben, die schweren Nutzlasten im Orbit zu übernehmen und Rechendienste für andere Satelliten durchzuführen.“

Wenn die Geschichte ein Anhaltspunkt ist, wird die Nachfrage nach Datenverarbeitung im Orbit weiter steigen. Aufeinanderfolgende Generationen von terrestrischen Anwendungen erfordern ausnahmslos zusätzlichen Speicher und zusätzliche Verarbeitungsgeschwindigkeit.

Im Weltraum, wie am Boden, „will man es schneller, man will eine bessere Vernetzung und man will mehr Leistung“, sagte Mark Fernandez, HPE Principal Investigator für den Spaceborne Computer-2 auf der Internationalen Raumstation.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Januar-Ausgabe 2022 des Magazins SpaceNews.

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