Wie Holz, Gesetze und KI die Weltraumforschung retten könnten

Die Weltraumforschung ist in Gefahr. Der Grund dafür? Wir. Verblendete Teleskope, Ozonlöcher, Geoengineering der Erde und ein LEO, der so voller Trümmer ist, dass wir keinen Zugang zum Weltraum haben, sind, wie in unserem vorherigen Artikel zu sehen ist, die Schlüsselthemen bei Satelliten-Megakonstellationen.

Dennoch haben auch die vielseitigsten Herausforderungen eine Lösung und diese sind keine Ausnahme. Ob der Weltraum das nächste Eldorado der Geschäftsvorhaben ist oder nicht, sowohl der Markt als auch die daran beteiligten Akteure behandeln ihn als solches: Dies lässt wenig bis gar keinen Raum, auch nur daran zu denken, die Aktivitäten einzuschränken. Und obwohl es wahr ist, dass man eine Lawine nicht aufhalten kann, wenn sie erst einmal losgetreten ist, ist es auch wahr, dass man sogar Erdrutsche umleiten kann, solange die Arbeit präventiv erledigt wird.

Orbitales Verkehrsmanagement

Erdumlaufbahnen, ähnlich wie Straßen, sind reichlich vorhanden, aber dennoch begrenzt. Das bedeutet auch, dass wie der Verkehr auch Orbits gesteuert, überwacht und verwaltet werden können und sollten. Es ist in der Tat kein Zufall, dass nach den verschiedenen Konjunktionen (enge Annäherungen zwischen zwei Objekten im Raum, normalerweise mit sehr hoher Geschwindigkeit), die die Wissenschaft in den letzten Jahren beobachtet hat, es jetzt Versuche gibt, „Vorfahrtsregeln“ zu entwickeln[1].

Auf der diesjährigen AMOS-Konferenz (Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies) sagte Ruth Stilwell, Executive Director of Aerospace Policy Solutions, dass es unwahrscheinlich sei, dass es jemals eine Aufsichtsbehörde geben werde, um den Weltraumverkehr zu verwalten. Dies ist ein Thema, das sie auch in einem Seminar 2019 angesprochen hat[2], bei der sie erklärte, dass dies uns jedoch nicht davon abhalten sollte, Regeln zu entwickeln.

Schritte in diese Richtung wurden bereits unternommen, wobei NASA und SpaceX eine Vereinbarung[3] unterzeichnet haben, in der es heißt, dass „Starlink-Satelliten autonom oder manuell manövrieren werden, um sicherzustellen, dass die Missionen von NASA-Wissenschaftssatelliten und anderen Vermögenswerten aus der Perspektive der Kollisionsvermeidung ununterbrochen arbeiten können.“

Das Problem ist, wie man dorthin gelangt – das Manövrieren erfordert Prioritätsregeln, weil es einen Preis hat: Es beeinflusst die Lebensdauer des Satelliten durch den Verbrauch von Treibstoff und kann zu vorübergehenden Dienstausfällen führen. Diese beiden Faktoren führen oft dazu, dass Satellitenbetreiber stur bleiben und vermeiden, den Preis für das Manövrieren zu zahlen, indem sie die andere an einer Konjunktion beteiligte Partei zwingen, dies stattdessen zu tun. Das NASA-SpaceX-Abkommen ist  dennoch ein Schritt nach vorne.Und auch wenn es uns keine etablierten Standards bringen wird, die von jedem Akteur in der Raumfahrtindustrie akzeptiert werden, kann es sehr wohl auf einen zukünftigen Trend hinweisen.

Ideen für die Astronomie

Die unglückliche Wahrheit ist, dass der einzige Weg, keine Auswirkungen auf astronomische Beobachtungen zu erhalten, darin besteht, den Start neuer Satelliten in den LEO zu stoppen. Aber wir sind bereits weit über diesen Punkt hinaus. Gleichzeitig bedeutet dies jedoch nicht, dass wir keine Optionen mehr haben[4]: Mögliche Maßnahmen beinhalten die Verdunkelung von Satelliten durch Absenken ihrer Lichtrückstreuung, die Abschattung des reflektierten Sonnenlichts oder die Kontrolle der Höhe des Satelliten, sodass er weniger Sonnenlicht zur Erde reflektiert. Weitere Lösungsansätze könnten das Entfernen oder Maskieren von Satellitenspuren in Bildern oder durch die vollständige Vermeidung während der Beobachtung mit der Verwendung genauer Ephemeriden (Datensätze, die die zugewiesenen Orte eines Himmelskörpers für regelmäßige Intervalle bereitstellen) sein.

Laut der American Astronomical Society könnte Software ein effektiver Weg sein, dem Problem zu begegnen. Dies könnte beispielsweise durch eine Anwendung erfolgen, die in der Lage ist, Satellitenspuren in Bildern auf der Grundlage von vom Benutzer bereitgestellten Parametern zu identifizieren, zu modellieren, zu subtrahieren und zu maskieren. Alternativ könnte eine Lösung durch Software kommen, die die Zeit und Projektion von Satellitentransits durch ein Bild, gegebene Himmelsposition, Nachtzeit, Belichtungsdauer und Sichtfeld, basierend auf der öffentlichen Datenbank der Ephemeriden[4] vorhersagt.

Was auch immer die Lösung ist, sie erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Satellitenbetreibern, Observatorien und höchstwahrscheinlich Softwareentwicklern.

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Der WISA Woodsat (Quelle: Arctic Astronautic’s Flickr)

Die Herausforderung des Entfernens aus dem Orbit

Die Zahlen, die wir im vorherigen Artikel vorgestellt haben, sind nicht nur relevant, wenn es darum geht, dass Umlaufbahnen überfüllt sind – ein hohes Kollisionsrisiko ist auch mit dem Entfernen aus dem Orbit verbunden. SpaceX zum Beispiel wird seine Satelliten am Ende ihrer 5-6-jährigen Betriebsdauer aktiv aus dem Orbit nehmen. Dieser Prozess dauert sechs Monate, so dass jederzeit etwa 10 %  aus dem Orbit entfernt werden. Wenn andere Unternehmen dasselbe tun, werden Tausende von ausgedienten Satelliten langsam durch den gleichen überlasteten Raum ziehen und Kollisionsrisiken darstellen[5]. Es ist notwendig, Satelliten zu verfolgen, die gerade entfernt werden, damit operationelle Satelliten manövrieren können, aber wir haben gesehen, dass dies etwas alles andere als Offensichtliches erfordert: Zusammenarbeit und Kommunikation zwischen den Betreibern. Dies könnte jedoch immer noch die beste Lösung sein, wenn man bedenkt, dass Kollisionsvermeidungsmanöver laut SpaceX-Unterlagen tatsächlich den kollisionsfreien Betrieb aufrechterhalten können[5].

Selbst wenn SpaceX Führungsabsichten zeigt, wenn es um die Erhaltung des Weltraums geht, ist es so gut wie selbstverständlich, dass andere Player ähnliche selbstregulierende Regeln entwickeln oder sich zumindest an die von anderen festgelegten Regeln halten werden. Dies lässt jedoch ein weiteres Problem ungelöst, das wir bereits erwähnt haben: Aluminiumoxid, seine atmosphärischen Auswirkungen und die Gefahr, die von dem Teil des Satellitenmaterials ausgeht, der beim Wiedereintritt nicht zerfällt.

Ein Lösungsvorschlag, der seit seiner Entwicklung ebenfalls einen langen Weg gegangen zu sein scheint, ist der Holzsatellit. Das Hauptbeispiel dafür ist derzeit der WISA Woodsat der Firma Arctic Astronautics, der gemeinsam mit der ESA entwickelt wurde. Wir haben uns in Bezug auf das Thema Aluminiumoxid und ihre Mission als Unternehmen an die ESA gewendet:

Darüber hinaus blockiert Holz weder die elektromagnetischen Wellen noch das Magnetfeld der Erde. Geräte wie Antennen und Höhenkontrolle werden in einem Holzsatelliten platziert, was einfachere Strukturen ermöglicht. Wenn ein Holzsatellit die Umlaufbahn verlässt, verbrennt er zudem vollständig, ohne dass schädliche Substanzen in die Atmosphäre freigesetzt werden oder Trümmer auf den Boden regnen. [6]

Auch mit Arctic Astronautics sind wir tiefer in dieses Thema eingetaucht: Wir wollten wissen, welche Auswirkungen ein Holzsatellit auf die Branche hat und wie er zur Lösung des Problems Weltraummüll beitragen könnte.

In der Tat ist ein weiteres interessantes Thema auch die Zeit, die der Satellit im Orbit verbringen wird. Wir werden einen sehr leichten Satelliten haben – dank Sperrholz – mit einem Gewicht von weniger als einem Kilo. Das bedeutet, dass er früher herunterkommen wird, nur etwa 3 Jahre nach dem Start. Das hilft beim Weltraummüllproblem: Es wird kein Langzeitproblem mehr sein!

Der WISA Woodsat[7]ist eine Sperrholzentwicklung der finnischen Firma Arctic Astronautics. Das Unternehmen  untersucht  das Verhalten von Sperrholz unter Weltraumbedingungen und wie es die Herstellung eines Satelliten besser, billiger und umweltfreundlicher macht. Der Woodsat soll Ende 2021 im Rahmen eines Rocket Lab-Startes eingesetzt werden. Bereits 2020 wurde in Japan ein Holzsatellit entwickelt [8].

Mit KI dem Kessler-Syndrom begegnen

Holzbasierte Satelliten sind eine mögliche Lösung für das facettenreiche Problem des Weltraummülls. Wir können jedoch Technologie einsetzen, um zu vermeiden, dass noch mehr Schrott entsteht. Und genau hier kommt  künstliche Intelligenz ins Gespräch – genauer gesagt Machine Learning.
Im Jahr 2019 entwickelte die ESA ein Kollisionsvermeidungssystem, um das Risiko und die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen im Weltraum automatisch zu bewerten[9]. Es soll auch ddie Entscheidung erleichtern, ob ein Manöver erforderlich ist. Trotz der finanziellen Sorgen der Mitspieler lassen sich Kollisionsvermeidungsmanöver gut in den Standard-Satellitenbetrieb integrieren. Sie sind in der Regel sehr klein und können in den meisten Fällen so durchgeführt werden, dass keine Treibstoffressourcen verschwendet werden[10].

Die Umlaufbahnvorhersage ist die Grundlage der Kollisionsvermeidungslösung und wird in physikbasierten Modellen generiert. Dazu wird der aktuelle Zustand des Weltraumobjekts mit einem bestimmten dynamischen Modell auf die gewünschte zukünftige Epoche übertragen. Fehler bei der Vorhersage der Umlaufbahn sind in der Regel unvermeidlich, da sich das dynamische Modell der realen Physik nähert und der geschätzte Zustand sowohl aufgrund der Messungen als auch des Schätzalgorithmus Fehler aufweist[11].

Im Gegensatz dazu können auf Machine Learning basierende Systeme  ohne genaue Modellierung der Weltraumumgebung oder der Objekte Vorhersagen treffen – durch das Lernen von großen Mengen historischer Daten, ähnlich wie bei der menschlichen Kognition beim Lernen aus Erfahrung, um zukünftige Ereignisse vorherzusagen. Der ML-Ansatz kann so erstellt werden, dass nur die inkrementellen Korrekturen der physikbasierten Vorhersage gefunden werden sollen, was die Dimensionalität der Aufgabe reduziert.

Eine andere Lösung könnte darin bestehen, dem Problem durch die Implementierung eines Kollisionsvermeidungssystems unter Verwendung neuronaler Netze und relevanter Techniken des maschinellen Lernens zu begegnen. Diese Möglichkeit wurde von Kabir et al. [12] untersucht, die einen ESA-Datensatz von Risikobewertungsereignissen verwendeten, um zwei Modelle zu untersuchen: ein primäres, das auf General Regression Neural Networks (GRNN) und sekundären Modellen auf Grundlage von Neuronalen Netzen, Random Forrests und Support Vector Regressionstechniken basiert: Dieses System sagt den Kollisionsrisikoprozentsatz zwischen Zielobjekten (ein Satellit von Interesse) und Chaser-Objekten (Weltraumschrott oder ein anderer Satellit) voraus. Das vorhergesagte Risiko ermöglicht es dem Ziel, entsprechend zu manövrieren und letztendlich eine Kollision mit dem Chaser-Objekt zu vermeiden. Laut den Autoren[12] sagt das Modell das Kollisionsrisiko mit einer Genauigkeit von 89 % voraus, und diese 89 % können den betroffenen Verantwortlichen genügend Vertrauen geben, um notwendige Ausweichmanöver durchzuführen.

In Anbetracht aller angesprochenen Bereiche lässt sich sicher annehmen, dass Software in ihren verschiedenen technologiegestützten Iterationen ein Schlüsselfaktor für die Rettung der Weltraumforschung sein wird. Und doch gibt es bei all dem einen Bereich, der zu fehlen scheint – die Regulierung.
In Bezug auf KI und Weltraumschrott haben wir Spacety gefragt, wie wichtig die Rolle ist, die KI bei der Entwicklung effektiver Kollisionsvermeidungssoftware spielen wird.

Ein wilder, wilder Westen

1967 wurde der Weltraumvertrag[13] zum Eckpfeiler des internationalen Zieles, den Weltraum zu schützen, indem er ihn frei von nationalen Aneignungsansprüchen und offen für nichtdiskriminierende wissenschaftliche Erforschung erklärte.
Und dennoch, egal wie visionär, hatten die Gesetzgeber damals keine Möglichkeit, die zukünftige Entwicklung der Branche vorherzusagen. Noch wichtiger ist, dass das Völkerrecht trotz der besten Absichten der Verträge per Definition nicht bindend ist: Es gibt keine Aufsicht über Verträge und selten eine tatsächliche Durchsetzung ihrer Bestimmungen. Darüber hinaus besteht, wie wir schon gesehen haben, bereits Konsens darüber, dass es in Weltraumangelegenheiten keine Aufsichtsmacht geben wird.

Dies lässt uns zum Beispiel mit Ländern zurück, die Strategieschlupflöcher für militärische Anwendungen des Weltraums finden (falls Sie es verpasst haben, die  USA haben jetzt eine Space Force und China hat Anti-Satelliten-Waffen). Aber es hat auch Auswirkungen auf die Privatwirtschaft: Die Folge ist eine vorherrschende, branchenweite Knappheitsmentalität, die dem Kolonialisierungsrausch unserer dunkelsten Jahrhunderte besorgniserregend ähnelt. Da der Weltraum immer mehr zum Terrain der Millionäre wird, wird es notwendig sein, sowohl das internationale Weltraumrecht als auch die nationale Raumfahrtpolitik zu modernisieren. Gleichzeitig gilt es, die kooperative und universalistische menschliche Sicht des Weltraums aufrechtzuerhalten, die im Weltraumvertrag zu finden ist.

Trotz dieser Prämissen sind wir noch lange nicht verloren. Gesetzgeber und nationale Führer haben noch Zeit, auf eine gemeinsame Anstrengung hinzuarbeiten, Weltraumangelegenheiten mit der gleichen Dringlichkeit zu behandeln wie Umweltthemen. Es wird auch wichtig sein, die Zusammenarbeit aufzunehmen (und die Zusammenarbeit des Privatsektors zu fordern), wenn wir diese kollektive Anstrengung verwirklichen wollen. Vor allem jetzt, da die Zeiten, in denen der Zugang zum Weltraum ein staatliches Vorrecht war, längst vorbei sind.

Dunkler Himmel und leuchtende Sterne

Viele würden argumentieren, dass Wahrnehmung Realität ist. Schwer zu beweisen, dass sie falsch liegen, wenn man bedenkt, wie einfach es ist, die Zukunft in den Farben einer düsteren Dystopie zu malen.

Trotz aller diskutierten Punkte scheint es sicher zu sein, dass wir weit davon entfernt sind, verloren zu sein.Es genügt ein Blick auf die Quellen dieses Artikels, um zu erkennen, dass diese Themen  innerhalb der Branche ausführlich behandelt und diskutiert werden.

Software wird in ihren verschiedenen technologiegestützten Iterationen ein Schlüsselfaktor für die Zukunft der Weltraumforschung sein. Ebenso werden es private Initiativen sein, die Satellitenkonstellationen nachhaltiger machen, und noch wirkungsvoller werden die zukünftigen, internationalen und branchenübergreifenden Vorschriften sein, die wir in den kommenden Jahren sehen werden.

Im vorangegangenen Teil dieser Serie haben wir bereits festgestellt, dass  Parallelen zwischen Weltraum und Klima ohne Zweifel existent sind. Fakt ist, wir können uns nicht selbst belügen – die Bedrohungen sind reel und unmittelbar bevorstehend. Doch die Lösungen   sind bereits in der Mache, und wir sind davon überzeugt, dass wir durch technologiegestützte Kooperationen die Menschheit aus einer weiteren (potenziellen) Krise herausholen werden.

Schließlich sehen wir am Himmel der dunkelsten Nächte die hellsten Sterne.

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Quellen:

[1] Space community ponders right-of-way rules for space traffic – https://spacenews.com/space-community-ponders-right-of-way-rules-for-space-traffic/

[2] STM Webinar | There are no Good Actors without Good Rules –  https://www.youtube.com/watch?v=PUnyDdHhalg

[3] NASA, SpaceX Sign Joint Space Safety Agreement – https://www.nasa.gov/press-release/nasa-spacex-sign-joint-spaceflight-safety-agreement

[4] American Astronomical Society, “Impact of Satellite Constellations” – https://aas.org/sites/default/files/2020-08/SATCON1-Report.pdf

[5] Satellite mega-constellations create risks in Low Earth Orbit –  https://www.nature.com/articles/s41598-021-89909-7#Sec1

[6] World’s first wooden satellite to be launched by Japan in 2023 – https://asia.nikkei.com/Business/Science/World-s-first-wooden-satellite-to-be-launched-by-Japan-in-2023

[7] ESA flying payloads on wooden satellite – https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/ESA_flying_payloads_on_wooden_satellite

[8] Japan developing wooden satellites to cut space junk – https://www.bbc.com/news/business-55463366

[9] Automating Collision Avoidance –  https://www.esa.int/Safety_Security/Space_Debris/Automating_collision_avoidance

[10] Collision avoidance – https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/collision-avoidance

[11] Machine Learning Approach to Improve Satellite Orbit Prediction Accuracy Using Publicly Available – https://www.researchgate.net/profile/Xiaoli-Bai-2/publication/333100021_Machine_Learning_Approach_to_Improve_Satellite_Orbit_Prediction_Accuracy_Using_Publicly_Available_Data/links/6074c5fe299bf1f56d51be86/Machine-Learning-Approach-to-Improve-Satellite-Orbit-Prediction-Accuracy-Using-Publicly-Available-Data.pdf

[12] A satellite collision avoidance system based on General Regression Neural Network – https://ieeexplore.ieee.org/document/9302538

[13] Outer Space Treaty – https://www.unoosa.org/oosa/en/ourwork/spacelaw/treaties/outerspacetreaty.html

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