Quelle: DLR / Pressemitteilungen, 9. Dezember 2025

Die Tests der zweiten ESA Space Resources Challenge sind vorbei. Team BREMEN (Benefication of REgolith and Mobile Excavation) gewinnt das Preisgeld in Höhe von 500.000 Euro. Vereint im Team BREMEN haben das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) Technologien für die Aufbereitung von Mondstaub (Regolith) entwickelt.

Acht Teams waren bei der ESA Space Resources Challenge 2025 gegeneinander in der LUNA-Halle in Köln angetreten. In der LUNA-Halle können künftige astronautische und robotische Mondmissionen vorbereitet werden. Die Anlage ist ein gemeinsames Projekt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Weltraumorganisation ESA am DLR-Standort Köln.

Die Aufgabe der aktuellen ESA Space Resources Challenge war es, Technologien für die Aufbereitung von Mondstaub, in der Fachsprache Regolith genannt, zu entwickeln. Aus Regolith können zum Beispiel Sauerstoff und Baumaterialien direkt vor Ort auf dem Mond gewonnen werden. Ziel ist es, künftig eine nachhaltige und unabhängige Versorgung künftiger Astronautinnen und Astronauten sicherzustellen.

Mobiler Rover zur Gewinnung von Ressourcen aus Mondstaub

Das Ausgangszenario: Wir schreiben die 2040er Jahre. Auf dem Mond sind dauerhaft Menschen stationiert. Mondrohstoffe werden direkt vor Ort abgebaut und genutzt. Um Ressourcen wie Sauerstoff oder Metalle effizient zu gewinnen, müssen die Astronautinnen und Astronauten Regolithpartikel zuvor nach Größen sortieren.

Für dieses Zukunftsszenario vereint Team BREMEN schon heute zwei starke Partner: das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme mit seiner Expertise im Bereich Sammlung und Verarbeitung von Materialien auf Himmelskörpern wie Asteroiden oder dem Mond sowie das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), das eng mit der Universität Bremen kooperiert. Das DFKI hat eine weltweit anerkannten Kompetenz in der Weltraumrobotik. Gemeinsam entwickeln sie ein modulares System bestehend aus dem mobilen Rover „Coyote III“, der das Regolith sammelt und dann zu einer stationären Aufbereitungseinheit bringt, wo es nach Größe sortiert und für die weitere Verarbeitung vorbereitet wird.

„Unser Ziel ist es, Technologien zu entwickeln, die einen nachhaltigen Aufenthalt auf dem Mond ermöglichen. Dafür braucht es Lösungen, die sich direkt vor Ort bewähren – und genau das testen wir in diesem Wettbewerb. Unser System hat sehr gut funktioniert und wir sind sehr zufrieden mit den Ergebnissen“, sagt Dr. Paul Zabel, Projektleiter am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme.

„Robotik ist der Schlüssel, um Menschen im All zu entlasten. Mit unserem Rover ‚Coyote III‘ konnten wir demonstrieren, wie ein mechanisch robuster, geländegängiger und modular erweiterbarer Roboter zuverlässig Daten sammelt, auswertet und sich sicher und effizient auf mondähnlichem Terrain bewegen kann“, ergänzt Dr. Mehmed Yüksel, Leiter der Abteilung Space Robotics am DFKI.

Team BREMEN im internationalen Wettbewerb

Neben Team BREMEN aus Deutschland sind Teams aus Polen, Kanada, Dänemark und Großbritannien beim Wettbewerb dabei. Jedes Team bringt seine Expertise in Robotik, Materialwissenschaft und Weltraumtechnik ein.

Bremen gilt als „City of Space“ und profitiert von seiner einzigartigen Forschungs- und Industrieinfrastruktur. Neben dem DLR und DFKI sind zahlreiche Unternehmen und Hochschulen in Bremen angesiedelt, die im Bereich Raumfahrt, Robotik und Hightech forschen.

Weiterführende Links

• ESA Space Rescources Challenge
• Team BREMEN bei der ESA Space Resources Challenge
• DLR-Standorte Bremen und Köln
• DLR-Institut für Raumfahrtsysteme
• Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz

Über die ESA Space Rescources Challenge

ESA Space Resources Challenge ist eine 2021 von ESA und und dem European Space Resources Innovation Centre (ESRIC) ins Leben gerufene Initiative zur Förderung von Innovationen. Sie soll dazu anregen, innovative Lösungen für das europäische Raumfahrtprogramm zu entwickeln. Der Wettbewerb ermutigt Industrie und Forschungseinrichtungen, sich um einen Preis zu bewerben. Die ESA Space Resources Challenge soll dazu beitragen, Innovation zu fördern, indem sie die internationale Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und Forschungsorganisationen zur Weiterentwicklung von Weltraumressourcen anregt. Der Wettbewerb läuft noch bis November 2025. Dann werden die Gewinner-Teams bekanntgegeben. Das insgesamt beste Team erhält Preisgeld der ESA im Wert von 500.000 Euro für weitere Forschungsarbeiten. Das beste Team in der Kategorie „Sortierung des Regoliths“ erhält von der Luxembourg Space Agency (LSA) und ESRIC bis zu 250.000 Euro.

Über LUNA

Die LUNA Analog Facility in Köln ist eine weltweit einzigartige Anlage zur Vorbereitung künftiger astronautischer und robotischer Mondmissionen. In der LUNA-Halle befindet sich unter anderem eine 700 Quadratmeter große simulierte Mondoberfläche. Sie ist gefüllt mit „Mondstaub“, der dem echten Regolith täuschend ähnlich ist. Steine und Felsen sind der Mondgeologie nachempfunden und ein Sonnensimulator erzeugt Lichtverhältnisse wie auf dem Mond. Ein um drei Meter abgesenkter Bereich erlaubt etwa das Testen von Bohrtechniken. Auf einer verstellbaren Rampe können künftig Versuche mit einer schrägen Ebene durchgeführt werden.

Das „Gravity Offloading System“ wird demnächst die Schwerkraft des Monds nachbilden: Dazu werden an der Decke Laufwagen und Seilsysteme installiert, sodass sich Astronautinnen und Astronauten oder Rover wie auf dem Mond mit einem Sechstel ihres eigenen Gewichts bewegen. Seit einigen Monaten steht das FLEXhab, ein Wohnbereich für astronautische Missionen, bereit. Als weiteres externes Modul wird das Forschungsgewächshaus EDEN LUNA angebunden. LUNA ist am 25. September 2024 offiziell eröffnet worden. Das Land NRW fördert das Gemeinschaftsprojekt von DLR und ESA mit 25 Millionen Euro.

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• DLR
• ESA – LUNA Simulationsanlage in Köln

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Quelle: DFKI 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Feinmotorische Aufgaben unter Weltraumbedingungen stellen eine besondere Herausforderung dar und müssen zuvor auf der Erde trainiert werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) untersuchen, ob sich ein robotisches Exoskelett, das Schwerelosigkeit simulieren kann, für astronautisches Training eignet. Das Team hatte nun die Möglichkeit, an der 42. Parabelflugkampagne des DLR in Bordeaux, Frankreich, teilzunehmen, um die Auswirkungen der simulierten Schwerelosigkeit mit denen der realen Schwerelosigkeit zu vergleichen.

Bei Weltraummissionen werden Astronautinnen und Astronauten häufig mit feinmotorischen Aufgaben wie der Durchführung von Reparaturen oder Experimenten konfrontiert, die durch die Schwerelosigkeit im All erschwert werden. Das gezielte Training dieser Fähigkeiten ist besonders wichtig, um nicht nur die Effizienz der Missionen zu erhöhen, sondern auch die Sicherheit der Astronautinnen und Astronauten zu gewährleisten. Bislang können solche Einsätze auf der Erde nur bei Parabelflügen oder in Raumanzügen unter Wasser trainiert werden.

Innovatives Raumfahrttraining mit Exoskelett
An einer alternativen und kostengünstigeren Trainingsmethode arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DFKI Robotics Innovation Center in Bremen und des Fachgebiets Systeme der Medizintechnik der Universität Duisburg-Essen (UDE). Im Projekt NoGravEx, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des INNOSpace-Netzwerks Space2Health – einer Initiative der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR – gefördert wurde, haben sie einen innovativen Ansatz weiterentwickelt, um mit Hilfe eines robotischen Exoskeletts Mikrogravitation zu simulieren. Die Technologie ist in der Lage, das Gewicht der Arme einer Person zu erkennen und zu kompensieren, so dass sich die Arme schwerelos oder beispielsweise so schwer wie auf dem Mond anfühlen.

Teilnahme an DLR-Parabelflugkampagne
Die Effekte der simulierten Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper im Vergleich zur echten Schwerelosigkeit untersuchen die Forschenden derzeit im Projekt GraviMoKo, das ebenfalls vom BMWK im Rahmen der Initiative Space2Health gefördert wird. Mit der Teilnahme an der 42. DLR-Parabelflugkampagne vom 27. Mai bis 6. Juni 2024 im französischen Bordeaux haben sie einen wichtigen Meilenstein in dem Vorhaben erreicht.

Bei Parabelflügen wird durch spezielle Auf- und Abstiegsmanöver 31 Mal für jeweils rund 22 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugt. Diese Zeit steht den wissenschaftlichen Teams für ihre Experimente zur Verfügung. Statt der geplanten drei Flüge an drei Tagen startete der Airbus A310 Zero G der Firma Novespace insgesamt viermal, da der erste Flug nach nur 16 Parabeln wegen technischer Probleme abgebrochen werden musste. Die restlichen Parabeln wurden am zweiten Tag nachgeholt.

Versuchsaufbau und -durchführung
Das Exoskelett-Experiment war eines von elf ausgewählten Experimenten an Bord des Flugzeugs und sah die Teilnahme von sechs Testpersonen vor. Um den Ausfall einzelner Probandinnen und Probanden kompensieren zu können, hatten sich im Vorfeld jedoch mehr Personen auf den Einsatz vorbereitet. Die Aufgabe der Testpersonen bestand darin, in der Schwerelosigkeit mit dem Zeigefinger des rechten Arms die Mitte einer Zielschiebe auf einem Touchscreen zu treffen. Dabei war der Arm durch einen Umhang verdeckt, um visuelle Bewegungskorrekturen zu vermeiden. Während des Versuchs wurden die Muskelaktivität des Armes, die Gehirnaktivität und die Herzratenvariabilität der Testpersonen sowie deren Bewegungstrajektorien aufgezeichnet.

Die Hälfte der Probandinnen und Probanden hatte diese Aufgabe bereits im Labor mit einem aktiven Exoskelett in simulierter Schwerelosigkeit trainiert, die anderen waren untrainiert bzw. nur mit dem Versuchsaufbau vertraut. Im Gegensatz zu den Tests auf der Erde wurden bei den Parabelflügen passive Systeme eingesetzt. Dabei ermöglichten zwei identische Versuchsaufbauten den gleichzeitigen Einsatz von zwei Testpersonen pro Flug. Eine mit allen Sensoren ausgestattete Ersatzperson stand bereit, um bei Unwohlsein einzuspringen und fungierte ansonsten als Operator und Unterstützung der eingesetzten Probandinnen oder Probanden.

Die Experimente verliefen weitgehend planmäßig, nur einmal musste wegen Übelkeit eine Testperson ausgetauscht werden. Am Ende der zehntägigen Kampagne zeigten sich die Forschenden sehr zufrieden mit dem Verlauf.

Projektleiterin Prof. Dr. Elsa Kirchner, Universität Duisburg-Essen/DFKI: „Wir haben unsere erste Parabelflugkampagne exzellent gemeistert und alle geplanten Daten erhoben. Das Team hat trotz aller Anstrengung und wenig Schlaf hervorragend zusammengearbeitet. Jetzt geht es an die Auswertung der sehr umfangreichen Daten.“

Datenauswertung und Anwendungspotenziale
Durch die Analyse der Daten erhoffen sich die Forschenden Erkenntnisse darüber, ob das Training mit dem Exoskelett in simulierter Schwerelosigkeit eine Übertragung des Gelernten in die reale Schwerelosigkeit und somit eine Leistungssteigerung ermöglicht. Dies könnte dazu beitragen, Astronautinnen und Astronauten künftig besser auf die Herausforderungen von Raumfahrtmissionen vorzubereiten und ihre Leistungsfähigkeit unter den extremen Bedingungen des Weltalls zu optimieren.

Nicht nur die Raumfahrt, sondern auch irdische Anwendungsbereiche wie die Rehabilitation können von der neuen Technologie profitieren. Das in den Projekten NoGravEx und GraviMoKo eingesetzte und weiterentwickelte Exoskelett wurde am DFKI ursprünglich für die Rehabilitationstherapie entwickelt. Durch die Möglichkeit der personenspezifischen Gewichtskompensation kann das System körperlich eingeschränkte Menschen, beispielsweise nach einem Schlaganfall, noch individueller unterstützen.

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• Parabelflüge

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Quelle: WFB Wirtschaftsförderung Bremen GmbH 6. Oktober 2023.

6. Oktober 2023. Mit spannenden Vorträgen in lockerer Atmosphäre vermittelt die Reihe „Science goes public“ bereits seit 18 Jahren auf unterhaltsame Weise neueste Erkenntnisse aus der Wissenschaft – der Clou: Die Treffen finden in der Kneipe statt. Von Weltraumrobotik über die Frage, warum manche Menschen als „fremd“ wahrgenommen werden, bis zum ultimativen Wetter-Pub-Quiz sind die Themen abwechslungsreich, leicht verständlich aufbereitet und zuweilen auch sehr humorvoll aufbereitet.

An sechs Abenden vom 12. Oktober bis 16. November gibt es jeden Donnerstag in Bremen und Bremerhaven insgesamt 18 Vorträge, die den Gästen in 30 Minuten die Welt der Wissenschaft näherbringen. Im Anschluss besteht noch die Möglichkeit eines Austausches zwischen dem Publikum und den Wissenschaftler:innen.

In Bremen gibt es pro Donnerstag zwei Vorträge in verschiedenen Kneipen.
Am 12. Oktober startet das Programm mit zwei englischen Programmpunkten. Amrita Suresh und Manuel Meder von der Uni Bremen berichten im „Eichkater“ am Hulsberg über robotergestützte Besiedelung des Mars und Dr. Jessica Hargreaves vom MARUM spricht in der Kneipe „Helga“ darüber, wie man an Korallenriffen die Temperaturschwankungen der letzten 400 Jahre ablesen kann.
In der darauffolgenden Woche erklärt Dr. Wilken Seemann von der Uni Bremen, warum Halbleiter nicht schwitzen können und damit das Überhitzen von Computerchips verhindern, während Dr. Margrit Kaufmann und Schirin Al-Madani von ihrem kooperativen Studienforschungsprojekt der Universität Bremen mit dem Bremer Rat für Integration erzählen, und wie und weshalb Menschen als „fremd“ wahrgenommen werden.
Am 26. Oktober geht es im Vortrag von Marion Jespersen vom Max-Planck-Institut um uralte Mikroben, die zum Überleben energieeffiziente Wege beschreiten. Zeitgleich berichten Wiebke Brinkmann und Isabelle Kein vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) an der Uni Bremen über künstliche Intelligenz im All.
Am folgenden Donnerstag geht es beim Vortrag von Peter Steiglechner vom Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung darum, wie sich Meinungen, beispielsweise zur Klimadebatte bilden, und Dr. Cyprien Verseux vom MAPEX Center for Materials and Processes erklärt auf Englisch, was grüne Mikroben für den roten Planeten Mars bedeuten.
An weiteren Abenden berichten Forscherinnen und Forscher aus Bremen beispielsweise darüber, was es mit dem Begriff „indiqueer“ auf sich hat, wie Anziehung im Güterverkehr funktioniert, ob Bewegung Schmerzen verstärkt oder verringert oder warum wir neue Ansätze für das Verständnis der Motivation junger Nachwuchskräfte benötigen.

Der Eintritt zu allen Veranstaltungen jeweils donnerstags um 20.30 Uhr ist frei. Nähere Informationen zum Programm gibt es unter www.sciencegoespublic.de. In den sozialen Netzwerken ist die Reihe unter #ScienceGoesPublic zu finden. Veranstalter von „Science goes public“ sind die Erlebnis Bremerhaven GmbH im Auftrag der „Pier der Wissenschaft“ und die WFB Wirtschaftsförderung Bremen GmbH für die Hansestadt Bremen.

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Quelle: DFKI 8. März 2023.

Bremen, 8. März 2023 – Bei abschließenden Feldtests auf Lanzarote gelang es den Projektpartnern, die Machbarkeit ihres wegweisenden Explorationskonzepts unter Beweis zu stellen. Erfolgreich demonstrierten sie, wie ein Team aus drei autonomen Rovern den Eingang einer Lavahöhle erkundet und durch Abseilen eines Roboters in das Innere vordringt.

Eine feste Station auf dem Mond, die als Ausgangspunkt für die weitere Erkundung unseres Sonnensystems dienen kann, ist ein entscheidendes Ziel der internationalen Raumfahrt. Optimale Bedingungen dafür könnten vor allem schwer erreichbare Umgebungen wie Krater oder Lavahöhlen bieten, die nicht nur Schutz vor Strahlung, Meteoriten und Temperaturschwanken gewähren. Auch wichtige Ressourcen wie gefrorenes Wasser werden im lunaren Untergrund vermutet. Bevor sich jedoch Menschen in die Tiefen des Erdtrabanten wagen, sollen diese vielversprechenden Orte durch autonome Roboter untersucht werden. Doch wie gelangen die Roboter in die Höhlen hinein?

Während die heutige Rahmfahrt noch auf ferngesteuerte Einzelgänger setzt, gehört die Zukunft der autonomen kollaborativen Robotik. In dem vom DFKI Robotics Innovation Center koordinierten Projekt CoRob-X (Cooperative Robots for Extreme Environments) untersuchten neun europäische Partner seit März 2021 ein ambitioniertes Explorationskonzept, das auf der Zusammenarbeit heterogener Robotersysteme basiert. Das Projekt war eines der Abschlussvorhaben des Strategic Research Clusters (SRC) „Space Robotics Technologies“, das mehrere Forschungsprojekte umfasst, die im Rahmen des Horizon 2020-Programms der Europäischen Kommission finanziert und von der PERASPERA Programme Support Activity betreut wurden. Innerhalb der Projekte, den sogenannten Operational Grants, wurden grundlegende, für die robotische Exploration benötige Technologien entwickelt, die in zukünftigen Raumfahrtmissionen zum Einsatz kommen sollen – dazu gehören u.a. ein adaptives Autonomiesystem für einzelne und kollaborative Roboter, ein allgemeines Software-Framework zur Sensordatenfusion sowie Umweltsensoren für die Lokalisierung und 3D-Kartenerstellung. Eine elektromechanische Schnittstelle ermöglicht zudem die Kupplung von Robotern mit anderen Systemen oder Werkzeugen bei gleichzeitiger Übertragung von elektrischer Energie, Daten und Wärme.

Im Mittelpunkt von CoRob-X stand der Test und die Validierung der im SRC entwickelten Technologien, um den Robotern die Teamarbeit im Lavahöhlenszenario zu ermöglichen. Das Szenario sieht vor, dass drei autonome Rover – zum Einsatz kamen die DFKI-Roboter „SherpaTT“ und „Coyote III“ sowie der Rover „LUVMI-X“ des belgischen Unternehmens Space Applications Services NV/SA – gemeinsam den Eingang einer Lavahöhle, das sogenannte Skylight, untersuchen. Mithilfe eines Sensorwürfels, den LUVMI-X in das Skylight schießt, erhält das Team erste Informationen aus dem Inneren der Höhle. Auf Basis dieser Daten ermitteln die Systeme eine geeignete Stelle, an welcher der robuste SherpaTT den kompakten Coyote III mithilfe eines Seilzugs hinablassen kann. Am Boden angekommen, entkoppelt sich der wendige Rover vom Seil- und Dockingmechanismus und erkundet die Höhle.

Um die Machbarkeit dieser komplexen Mission zu beweisen, reisten rund 25 Projektmitarbeitende vom 21. Januar bis 11. Februar 2023 nach Lanzarote. Nach knapp zwei Jahren intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit sowie mehrwöchigen Integrationsarbeiten im vergangenen September am DFKI in Bremen galt es nun, die Funktionsfähigkeit der Technologien in umfassenden Feldtests zu erproben. Dafür bot die vulkanisch geprägte Kanareninsel mit ihren ausgedehnten Lavatunneln ideale Bedingungen. Auf einem zuvor ausgewählten Testareal errichteten die Projektpartner ihre Zelte direkt neben einem Skylight, einem etwa fünf Meter breiten Loch im vulkanischen Boden, das den Zugang in eine etwa vier Meter tiefe Lavahöhle gewährt. Ziel des Teams war es, in dieser realitätsnahen Umgebung sowohl die Komponenten und Systeme auf den Prüfstand zu stellen als auch die einzelnen Missionsphasen intensiv zu testen. In den kommenden Wochen sahen sich die Beteiligten nicht nur mit äußerst wechselhaften Wetterbedingungen konfrontiert, sondern mussten auch immer wieder wissenschaftliche und technische Herausforderungen bewältigen, die ihnen mitunter Arbeitsstunden bis spät in die Nacht abverlangten.

Den Abschluss der dreiwöchigen Tests bildete die finale Demonstration der Gesamtmission vor den Augen externer Besucherinnen und Besucher, zu denen u.a. Vertreterinnen und Vertreter der Europäischen Kommission, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), des spanischen Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) und des französischen Centre national d’études spatiales (CNES) gehörten. Die erste Missionsphase verlief reibungslos: Das Roboter-Team näherte sich dem Höhleneingang, während es die Umgebung scannte und eine Karte davon erstellte. In der zweiten Phase beförderte LUVMI-X den Sensorwürfel durch das Skylight ins Höhleninnere. Um die Fallgeschwindigkeiten auf dem Mond zu simulieren, wurden zum Hinablassen des Würfels eine elektrische Seilwinde mit Kabel verwendet. Die während dieses Vorgangs aufgenommen Daten lieferten eine präzise 3D-Karte des Höhleneingangs. Ziel der dritten Missionsphase war das Erreichen des Höhleninneren durch Hinablassen von Coyote III. Dafür dockte der Rover über eine Schnittstelle an ein von SherpaTT bereitgestelltes Abseil- und Dockingsystem an. Ein daran befestigtes Kabel ermöglichte es ihm, sich langsam durch das Skylight hindurch abzuseilen und anschließend sicher am Höhlenboden zu landen. Unten angekommen startete die vierte und letzte Phase der Mission: Coyote III erkundete das unbekannte Terrain und erstellte erfolgreich eine Karte des Höhlenumgebung.

Insgesamt zeigten sich die externen Gäste in höchstem Maße beeindruckt von der Leistung des gesamten CoRob-X-Teams. Sie werteten die Feldtests als großen Erfolg und Meilenstein für zukünftige Langzeitmissionen auf dem Mond. Dr. Thomas Vögele vom DFKI, der das Projekt koordinierte, bezeichnete die Analogmission in Lanzarote als “eine wahre Herausforderung für Mensch und Material. Die Erforschung einer Lavahöhle mit drei autonomen Rovern ist vor CoRob-X in dieser Form noch nicht demonstriert worden. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist und sind damit hoffentlich einer echten Mondmission ein Stück nähergekommen.”

Bereits im vergangenen Jahr führten das spanische Unternehmen GMV Aerospace and Defence SA und die Stiftung Santa Bárbara Feldtests in einem Bergwerk in Nordspanien durch. Ziel war es, die Funktionalität der SRC-Technologien in einem terrestrischen Szenario zu beweisen. Für die Inspektion von Bergbautunneln wurden ein Rover und eine Drohne von GMV zur eingesetzt. Gemeinsam gelang es den Systemen, einen Schacht nach einer Sprengung zu untersuchen, um mögliche Gefahren für den Menschen auszuschließen.

Das Projekt CoRoB-X wurde vom 1. März 2021 bis 28. Februar 2023 im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union unter dem Förderkennzeichen 101004130 gefördert. Zu den Projektpartnern gehörten:

• Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI), Robotics Innovation Center
• Space Applications Services NV/SA
• GMV Aerospace and Defence SA
• Magellium SAS
• Laboratoire ATMosphères et Observations Spatiales (LATMOS)
• Stiftung Santa Bárbara
• Universität Malaga
• Sintef AS
• Airbus Defence and Space GmbH

Weitere Informationen zum Projekt: https://www.corob-x.eu/

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• Neue Mond-Rover Konzepte

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Quelle: DFKI 25. Oktober 2022.

Wie kann Künstliche Intelligenz dem Agrarsektor helfen?
In unserer heutigen Zeit kristallisieren sich ökologische Herausforderungen auf globaler Ebene heraus, die durch die Ernährungskrise, Kriege und den Folgen des Klimawandels Gestalt annehmen. Mehr Transparenz und Hilfestellungen für die Landwirtschaft sind erforderlich, um aktiv auf Veränderungen reagieren und Krisenmanagement im Agrarsektor erfolgreich durchführen zu können. Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) möchte mit seiner Forschung einen wichtigen Teil zur Problemlösung beitragen und hat in Kooperation mit der European Space Agency (ESA) das Projekt Yield Consortium ins Leben gerufen. Das Konsortium ist Bestandteil der Forschungskooperation AI4EO Solution Factory, die von der ESA im Rahmen des „ESA InCubed Programme“ gefördert wird und praxisorientiert an neuen Lösungen auf Basis von Satellitendaten für Wirtschaft und Industrie arbeitet.

Perspektivwechsel ermöglicht zuverlässige Ertragsvorhersagen
Das Potenzial des Yield Consortium Projekts liegt darin, auf Veränderungen von landwirtschaftlichen Erträgen proaktiv reagieren zu können. Es werden Satellitendaten genutzt, um zuverlässig und frühzeitig Erträge vorherzusagen. Dieser Modellierungsprozess wird von den Industriepartnern begleitet und durch ihre komplementierende Expertise in den Bereichen Finance, Agronomie und Erntetechnologie unterstützt.

Die Ertragsvorhersagen ermöglichen perspektivisch neue Versicherungslösungen und können Verlustschätzungen besser kalkulieren, hinsichtlich Bewässerung, Pflanzenschutz, Düngung und wirtschaftlicher Planung. Vorteilhaft sind diese Vorhersagen nicht nur für Politik und Industrie, sondern auch für Landwirte selbst. Sie können ihnen dabei helfen, ihre Anbaumethoden zu optimieren und den Pflanzenschutz zu verbessern.

Vom KI-Prototypen zum praktischen Tool für dir Landwirtschaft
In kurzer Zeit ist es dem interdisziplinären Team gelungen, nach den Anforderungen der Industriepartner ein erstes End-to-End Modell zu entwickeln, welches bereits erfolgreich in der Praxis getestet wurde. Zurzeit können Ertragsvorhersagen in Deutschland für Weizen und Raps und in Südamerika, Argentinien und Uruguay für Sojabohnen bestimmt werden. Dies geschieht auf Basis von Satellitendaten. Wetterdaten, Daten zur Bodenbeschaffenheit, agronomische Informationen zu Pflanzenwachstumsphasen und digitale Höhenmodelle sind indessen im Modell integriert.

Die Ertragsvorhersagen werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen. Zum einen können Erträge bis 120 Tage vor der Ernte bestimmt werden. Zum anderen werden landwirtschaftliche Ertragsprognosen zum Zeitpunkt der Ernte gegeben. Je dichter der Zeitpunkt der Ernte ist, desto genauer kann auch die Vorhersage getroffen werden. Elementare Fragestellungen im Bereich Erntelogistik und Getreidevermarktung können leichter beantwortet werden wie: Welcher Ort ist geeignet für die individuelle Anbaupflanze? Was für Erträge erwarten wir in der Saison? Wie viel Dünger und Pflanzenschutzmittel sollten eingesetzt werden? All das sind Fragen, deren Antworten einen erheblichen Einfluss auf die Maximierung von Erträgen haben.

„Ein Modell soll konzipiert werden, das global für alle wichtigen Anbaupflanzen Vorhersagen treffen kann“
„Unser Ziel ist es, Erträge in der Landwirtschaft möglichst präzise vorherzusagen. Sie sollen Landwirten bei ihrer alltäglichen Arbeit helfen. Die Modelle möchten wir schrittweise auf weitere Länder ausdehnen, weitere Anbaupflanzen berücksichtigen und bestehende Modelle verbessern. Anschließend soll ein Modell konzipiert werden, das global für alle wichtigen Anbaupflanzen Vorhersagen treffen kann“, so Dr. Marlon Nuske von der AI4EO Solution Factory.

Die Perspektive aus dem Weltraum ermöglicht eine nachhaltige Ernte
DFKI-Forscherin Dr. Michaela Vollmer gibt einen Einblick in die Praxis: „Der Mähdrescher erntet ein Feld und misst hochauflösend und fortlaufend den Ertrag in Tonnen pro Hektar, der einem Ursprungsort im Feld zugeordnet werden kann. Anhand von gemessenen Erntepunkten, den ‚Geo Locations‘, können wir auf Sub-Feld-Ebene sehen, wie hoch der Ertrag auf einem Feld punktuell ist. Mit diesen hochauflösenden Daten können wir Satellitenbilder aus dem Weltraum mit einer 10 x 10 Meter-Pixel-Auflösung abgleichen. Das hat zum Vorteil, dass unser Machine Learning Modell optimal trainiert werden kann. So können individuelle Maßnahmen auf dem Feld von Landwirten eingeleitet werden.“

„Wir sind nach wie vor auf der Suche nach weiteren Kooperationspartnern, die hochwertige Ertragskarten bereitstellen können“
Um das Modell weiterzuentwickeln, liegt es im Interesse des Teams, zusätzliche Ertragsdaten zu akquirieren: „Für den Erwerb von Ertragsdaten haben wir bereits erfolgreiche Kooperationen mit den landwirtschaftsbezogenen Unternehmen Smartway und Manexa etabliert. Wir sind aber nach wie vor auf der Suche nach weiteren Kooperationspartnern, die hochwertige Ertragskarten bereitstellen können.“, so Dr. Marlon Nuske.

„Der Erfolg des Yield Consortium wird uns helfen, weitere Industriepartner aus anderen Themenfeldern für unsere Forschung, Implementierung und erfolgreiche Modellentwicklung begeistern zu können“
Prof. Dr. Andreas Dengel, Geschäftsführender Direktor des DFKI in Kaiserslautern und Leiter des Forschungsbereichs Smarte Daten & Wissensdienste: „Der Erfolg des Yield Consortium wird uns helfen, weitere Industriepartner aus anderen Themenfeldern für unsere Forschung, Implementierung und erfolgreiche Modellentwicklung begeistern zu können. Die Kombination aus dem Wissen über KI und Earth Observation geht im Projekt über die Grundlagenforschung hinaus. Durch den fortwährenden Austausch mit den Industriepartnern gelingt es uns am DFKI in den sogenannten TransferLabs das Wissen auf verschiedene Anwendungsbereiche zu übertragen. Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit mit weiteren Partnern aus anderen industriellen Bereichen.“

Good to know / Der Einfluss des Klimawandels auf die Landwirtschaft
Der Agrarsektor und die globale Ernährungssicherheit stehen heute vor weltweiten Herausforderungen. Kaum ein anderer Sektor ist von klimatischen Faktoren so abhängig und von den Auswirkungen des Klimawandels direkt betroffen: Flächenversiegelungen, sich ändernde Temperaturen, Wetterereignisse wie Starkregen, Hitzewellen oder Waldbrände im Zuge des globalen Klimawandels sind nur einige der ernstzunehmenden Phänomene. Zwar hat es extreme Wetterereignisse schon immer gegeben. Seit den letzten Jahren häufen sich die Folgen des Klimawandels allerdings im rasanten Tempo. Die kontinuierlich freigesetzten Treibhausgase beeinflussen beispielsweise schon jetzt den Anbau von Mais, Weizen und Reis. Traditionell können Landwirte durch ihre langjährige Erfahrung im Bereich des Ackerbaus Prognosen treffen, welche Pflanze sie wo anbauen sollten. In Zukunft wird dies jedoch ohne frühzeitige Hilfestellungen durch saisonales Management und Risikominimierung nur schwer umsetzbar sein, da sich die Erträge verschieben und unkalkulierbar werden.

Gesamtgesellschaftliche Herausforderungen werden zum jetzigen Zeitpunkt hinsichtlich der Ernährungssicherheit auch deutlich spürbarer. Die Welternährungskrise, ausgelöst durch drohende Ausfälle oder gar fehlende Getreideexporte aus Kriegsgebieten, verweist auf folgenreiche Konsequenzen für den Agrarsektor. Um diese bedrohlichen Szenarien besser beurteilen zu können, helfen fundierte Informationen über landwirtschaftliche Erträge. Das Projekt Yield Consortium möchte mit KI-Modellen jene Ertragsvorhersagen liefern und saisonales Management vereinfachen.

Die AI4EO Solution Factory
Die AI4EO Solution Factory wurde im Herbst 2021 im Rahmen des „ESA InCubed Programme“ gegründet. Die KI-Fabrik wurde eröffnet, um die Potentiale der Erdbeobachtung mittels Künstlicher Intelligenz für die Industrie nutzbar zu machen. Denn die Möglichkeiten der Erdbeobachtung sind so grenzenlos wie das Weltall selbst. So wird für jeden Kunden eine spezielle Lösung herausgearbeitet. Gleichzeitig werden die Synergien in verschiedenen Anwendungsfeldern genutzt, indem eine Basis auf der Programmseite geschaffen wird und die Programmteile in einem Transfer-Ökosystem wiederverwendet werden.

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• KI und Raumfahrt

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Quelle: DFKI 26. Juli 2022.

26. Juli 2022 – Fußballspielende, tanzende und schwimmende Roboter, ein über zwölf Tonnen schwerer Schreitbagger für den Einsatz in menschenfeindlichen Umgebungen und eine künstliche Mondkraterlandschaft, die dem Test autonomer Weltraumsysteme dient – das sind nur einige der Highlights, die Besucherinnen und Besucher am 30. September 2022 von 15 bis 20 Uhr beim Tag der offenen Tür des DFKI in Bremen erwarten. Anlässlich der feierlichen Eröffnung des neuen Erweiterungsbaus öffnet das Institut seine Pforten in der Robert-Hooke-Straße 1 und gewährt spannende Einblicke in die Forschung.

Erstmalig haben interessierte Bürgerinnen und Bürger beim Tag der offenen Tür die Gelegenheit, den neuen weitläufigen Anbau, der u.a. zusätzliche Testanlagen, Labore und Werkstätten beherbergt, zu erkunden. Er bietet den derzeit rund 190 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Bremer Forschungsbereiche Robotics Innovation Center und Cyber-Physical Systems auf einer Fläche von etwa 4.500 Quadratmetern eine einzigartige Infrastruktur, um die Erforschung von Zukunftsthemen wie Mensch-Maschine-Kooperation, Weltraumrobotik, Eingebettete Systeme und Quanten-KI voranzutreiben.

Während ihres Rundgangs durch das DFKI-Gebäude lernen die Besucherinnen und Besucher aktuelle Projekte kennen, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anhand zahlreicher eindrucksvoller Exponate und Demonstrationen erläutern. Dabei erfahren sie zum Beispiel, welchen Nutzen die Forschung des DFKI für Anwendungsbereiche wie Raumfahrt, Medizin und industrielle Produktion hat, wie sich die Sicherheit und Korrektheit elektronischer Systeme gewährleisten lässt, wofür Roboter unter Wasser, im Weltraum und in der Pflege eingesetzt werden oder wie sie beim Umweltschutz und in Katastrophengebieten behilflich sein können. Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit, das Team „B-Human“, den amtierenden Weltmeister im Roboterfußball, in Aktion zu erleben, einer Tanzeinlage des humanoiden Roboters RH5 beizuwohnen, Roboter beim Tauchen im großen Salzwasserbecken oder Erklimmen des Mondkraters zu beobachten sowie den Schreitbagger ARTER auf dem Testgelände im Außenbereich zu bestaunen.

Ein Rahmenprogramm mit interaktiven Formaten, Austausch mit Expertinnen und Experten sowie einem Kino, das spannende Filme aus der Forschung zeigt – z.B. von Experimenten und Feldtests im In- und Ausland – ergänzt das umfangreiche Angebot an diesem Tag.

Das Wichtigste in Kürze:
Was? Tag der offenen Tür am DFKI in Bremen
Wann? 30. September 2022, 15 bis 20 Uhr
Wo? Robert-Hooke-Str. 1, 28359 Bremen
Anfahrt

Die Veranstaltung ist kostenfrei. Bei Gruppen ab 15 Personen wird um Anmeldung gebeten, per E-Mail an uk-hb at dfki.de.

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Quelle: Universität Bremen Kai Uwe Bohn 5. Juli 2022.

5. Juli 2022 – Am 8. Juli 2022 startet die groß angelegte Initiative „Humans on Mars – Pathways toward a long-term sustainable exploration and settlement of Mars“ der Universität Bremen. Rund 60 Forscherinnen und Forscher aus acht Fachbereichen gehen gemeinsam der Frage nach, wie Konzepte für eine langfristige, nachhaltige Erkundung und Besiedelung des Mars durch den Menschen aussehen können.

Dabei geht es nicht um die technologische Machbarkeit – etwa die Konstruktion eines geeigneten Raumfahrzeugs für den langen Flug dorthin. Im Mittelpunkt stehen vielmehr der Mensch und die komplexen Herausforderungen, denen er sich vor Ort stellen muss. Zentral ist ebenso die Frage, welche Auswirkungen daraus resultieren – für die unberührte Umgebung des Mars und nicht zuletzt für unseren Umgang mit der Erde.

Der Stellenwert der Initiative:
„Die aktuellen Bestrebungen weltweit zielen unaufhaltbar darauf ab, Menschen in absehbarer Zukunft zum Mars zu fliegen. Wir wollen mit unserer Forschung Wege aufzeigen, wie eine dauerhafte Präsenz des Menschen auf dem Mars einen langfristigen Nutzen für die Menschheit erbringen und zugleich mit Umsicht und Rücksicht auf den roten Planeten erfolgen kann“, erklärt Professor Marc Avila, Sprecher der Initiative „Humans on Mars“ und Direktor des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen.

Die Bremer Initiative unterscheidet sich von den primären Zielsetzungen der Raumfahrtagenturen und Privatunternehmen, die ebenfalls an der Umsetzung von Marsmissionen arbeiten. Häufig liegt dort der Fokus allein auf der Technologie und dem Überleben der Astronautinnen und Astronauten auf dem Mars – was einen immensen Eingriff in die Umwelt des Planeten bedeutet. „Unerlässlich ist für uns daher der interdisziplinäre Forschungsansatz, den wir für ,Humans on Mars‘ verfolgen. Nur so können radikal neue Lösungen für die extremen Anforderungen an das Leben und Überleben auf dem Mars entwickelt werden“, erläutert Avila. „Ziel ist es, das derzeitige Paradigma der Produktivität durch eines der Nachhaltigkeit zu ersetzen“.

Die zentrale Forschungsfragen der Initiative:
Konkret werden sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit folgenden Fragen beschäftigen: Wie können menschliche Siedlungen unter den extremen, ja sogar lebensfeindlichen Umweltbedingungen auf dem Mars autonom werden und sich autark versorgen? Wie können neue Prozesse aussehen, die auf die extreme Energie- und Ressourcenknappheit auf dem Mars ausgerichtet sind? Kann womöglich die gefährliche Weltraumstrahlung zur Energiegewinnung genutzt werden? Wie gestaltet sich die Neubildung einer Mikrogesellschaft mit künstlich intelligenten Systemen und Maschinen in ihrer Mitte und wie entwickelt sich langfristig ihr Verhältnis zu den Menschen auf der Erde?

Besonderes Augenmerk gilt dem „Umweltschutz“: Welche Kompromisse sind möglich zwischen der Besiedlung und dem Eingreifen des Menschen auf der einen Seite und der Unversehrtheit der neuen Umgebung und Marsatmosphäre auf der anderen Seite? Und nicht zuletzt: Können wir die Erkenntnisse aus dem verantwortungsvolleren Umgang mit Ressourcen, die auf dem Mars noch knapper sind als auf der Erde, auch auf unseren Planeten übertragen – also vom Mars für die Erde lernen?

Über die Initiative:
Das Land Bremen fördert die Initiative. Der Anstoß und die Federführung zu „Humans on Mars“ kommt aus dem Wissenschaftsschwerpunkt MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen. Etwa 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus acht Fachbereichen der Universität Bremen sind daran beteiligt. Eng eingebunden sind außeruniversitäre Forschungsinstitute der U Bremen Research Alliance wie das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien IWT und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI).

Zur Auftaktveranstaltung:
Zur Auftaktveranstaltung am 8. Juli 2022 im Haus der Wissenschaft in Bremen werden alle beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwartet, die ihre jeweiligen Teilprojekte im Rahmen der Initiative „Humans on Mars“ vorstellen. Eröffnet wird die Veranstaltung unter anderem mit einem Grußwort von Dr. Claudia Schilling, Senatorin für Wissenschaft und Häfen der Freien Hansestadt Bremen, sowie Professor Bernd Scholz-Reiter, Rektor der Universität Bremen.

Weitere Informationen:
https://www.uni-bremen.de/humans-on-mars-initiative

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• Marsflug, Marsbasis

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Quelle: DFKI.

2. Mai 2022 – Quantencomputer bergen ungeahntes Potenzial für zahlreiche Anwendungsfelder – auch für die Robotik. Doch noch steckt die Forschung in den Kinderschuhen. Im nun abgeschlossenen Projekt QINROS ist es Forschenden des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) und der Universität Bremen gelungen, bestärkende Lernverfahren mit Quantenalgorithmen erstmalig für die Roboternavigation im Kontext der Weltraumexploration einzusetzen. Damit schaffen sie wichtige Grundlagen zur Erforschung der Zukunftstechnologie für robotische Anwendungen. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.

Die größte Herausforderung im Bereich der autonomen Robotik ist die riesige Datenmenge, die in kürzester Zeit verarbeitet werden muss, damit Roboter selbständig agieren und schnell auf unvorhergesehene Situationen reagieren können. Quantencomputer sind in der Lage, eine Vielzahl von Lösungswegen parallel zu berechnen, weshalb sie Informationen deutlich schneller verarbeiten, und sehr viel komplexere Aufgaben bewältigen könnten als klassische digitale Computer. Doch die Erforschung quantengestützter Berechnungsverfahren in der Robotik steht noch ganz am Anfang. Diese voranzutreiben, haben sich das DFKI Robotics Innovation Center und die Arbeitsgruppe Robotik der Universität Bremen auf die Fahne geschrieben und eine Forschungsagenda definiert, um quantengestützte Konzepte und Lösungen für Anwendungsfelder in der Künstlichen Intelligenz (KI) und Robotik zu erarbeiten.

Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirchner, Leiter des DFKI Robotics Innovation Center: „Die Quantentechnologie, insbesondere das Quantenmaschinelle Lernen, hat das Potenzial bedeutende Entwicklungen im Bereich der effizienten Berechnung hoch komplexer Prozesse zu ermöglichen. Gerade in der Robotik haben wir das Problem, dass wir immer am Limit der Computer arbeiten – je mehr Rechenkraft uns zur Verfügung steht, desto besser. Allerdings gilt es hier noch sehr viel grundlegende Forschung zu betreiben und entsprechende Ausbildungsarbeit zu leisten. Dazu möchten wir mit aktuellen und zukünftigen Projekten beitragen.“

Im Mittelpunkt des im September 2020 gestarteten Projekts QINROS (Quantencomputing und quantenmaschinelles Lernen für intelligente und robotische Systeme) stand die Frage, ob und in welchem Ausmaß sich Rechenprozesse für robotische Navigationsaufgaben bereits heute auf Quantencomputer auslagern lassen. Die Verteilung von Rechenprozessen ist deshalb von besonderer Relevanz, weil die Rechenkapazität aktueller Quantencomputer noch nicht für eine vollständig quantenbasierte Verarbeitung ausreicht. Zudem wollten die Bremer Forschenden herausfinden inwiefern die quantengestützte Ausführung maschineller Lern- und Optimierungsverfahren Vorteile gegenüber klassischen Verfahren birgt. Dies untersuchten sie am Beispiel eines mobilen Turtlebot-Systems, dessen Aufgabe es ist, mithilfe von Reinforcement Learning eine unbekannte Umgebung eigenständig zu erkunden. Dabei erfasst der Roboter sowohl Sensorwerte der Umgebung als auch Informationen zu seinem internen Status, die als Datenbasis für das bestärkende Lernen dienen, das erwünschtes Roboterverhalten wie das erfolgreiche Umfahren eines Hindernisses belohnt. So lernt das System, sich nach und nach in der ihm fremden Umgebung zurechtzufinden.

Ausgehend von diesem Szenario wurde zunächst theoretisch evaluiert, welche Anteile des Reinforcement Learning sich mithilfe von quantengestützten Verfahren berechnen lassen, und welche sinnvollerweise, aber auch notwendigerweise mit klassischen Verfahren vorverarbeitet werden müssen. Die Umsetzung erfolgte in der simulierten Umgebung mit steigender Komplexität. Hierfür entwickelten die Forschenden Algorithmen für parametrisierbare Quantenschaltkreise, die u.a. die Berechnung neuer Trajektorienziele mit Qubits ermöglichen. Dabei zeigte sich, dass sich mithilfe der Quantenschaltkreise äquivalente Ergebnisse wie mit klassischen neuronalen Netzen erzielen lassen. Darüber hinaus deuten erste Ergebnisse darauf hin, dass sich Probleme deutlich kompakter darstellen lassen: So benötigten die Wissenschaftler zur Lösung ein und desselben Problems anstatt 2000 Parameter im neuronalen Netz nur 200 Parameter im Quantenschaltkreis. Die Projektergebnisse veröffentlichten die Forschenden in dem Paper „Quantum Deep Reinforcement Learning for Robot Navigation Tasks“ (arXiv:2202.12180)

Ein weiterer wesentlicher Bestanteil von QINROS war ein zweitätiger virtueller Workshop am 17. und 18. Februar 2022, der darauf abzielte, Interessierten aus der (KI-)Software-Entwicklung, Führungskräften aus Industrie und Forschung sowie Studierenden und Promovierenden einen ersten Einblick in die komplexe Thematik zu geben. Mit insgesamt 150 Teilnehmenden, einem durchweg positiven Feedback sowie dem Wunsch nach weiteren derartigen Weiterbildungsmöglichkeiten war die Veranstaltung ein voller Erfolg.

Frank Kirchner: „Mit QINROS ist es uns erstmalig gelungen, quantenmaschinelle Lernverfahren für Roboterverhalten in einer simulierten Umgebung zu demonstrieren und so die Leistungsfähigkeit parametrisierbarer Quantenschaltkreise in einem Anwendungsfall der Weltraumrobotik darzustellen. Wir freuen uns sehr über die vielversprechenden Ergebnisse, die wir nun weiterverfolgen wollen. Die rege Teilnahme an unserem Workshop hat uns den Bedarf und das enorme Interesse an dem Thema nochmals vor Augen geführt.“

Das Projekt QINROS wurde vom 1. September 2020 bis zum 28. Februar 2022 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.

Paper:
Quantum Deep Reinforcement Learning for Robot Navigation Tasks Dirk Heimann, Hans Hohenfeld, Felix Wiebe, Frank Kirchner: https://arxiv.org/abs/2202.12180
pdf: https://arxiv.org/pdf/2202.12180

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• KI und Raumfahrt

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Quelle: DFKI.

12. Oktober 2021 – Erdbeobachtung (Earth Observation – EO) findet ein immer breiteres Anwendungsfeld, von der Vorhersage von Ernteerträgen und der Erkennung der Bodenbedeckung bis hin zu Stadtplanung und Katastrophenmanagement. Angesichts der schieren Menge der erzeugten Daten ist eine einfache manuelle Analyse kaum noch praktikabel, sodass automatische Werkzeuge wie KI oder, genauer gesagt, maschinelles Lernen (ML) erforderlich sind.

Kollaborative Umgebung für neue Geschäftsszenarien
Um solche Werkzeuge für kommerzielle Anwendungen bereitzustellen, wird am DFKI in Kaiserslautern die AI4EO Solution Factory eingerichtet. Die vom ESA-Programm InCubed kofinanzierte und zunächst auf drei Jahre angelegte Initiative wird die Marktkenntnisse der Industriepartner mit der KI-Expertise des DFKI kombinieren, um maßgeschneiderte Algorithmen für verschiedenste Anwendungen auf Basis von Satellitendaten bereitzustellen.

Der Finanzierungsvertrag wurde gestern auf der diesjährigen ESA Φ-week Veranstaltung bestätigt.

Toni Tolker-Nielsen, amtierender Direktor der ESA für Erdbeobachtungsprogramme, sagte bei der Unterzeichnung: „Ich freue mich sehr, hier beim Start dieser Initiative dabei zu sein, die die erste ihrer Art ist, die von der ESA unterstützt wird. Wir sehen ein großes Potenzial in der AI4EO Solution Factory, und ich freue mich darauf, ihre Fortschritte bei der Bereitstellung von KI-gestützten EO-Lösungen für Kunden zu verfolgen.“

„Die AI4EO Solution Factory schafft eine kollaborative Umgebung, um auf Basis der kombinierten Expertise von DFKI und ESA, neue Geschäftsszenarios im Bereich der Erdbeobachtung zu erschließen und dafür maßgeschneiderte KI-Lösungen für Partner und Anwender zu entwickeln. Unser Anfang des Jahres gegründetes Transferlab ESA_Lab@DFKI bietet den perfekten Rahmen um auch über die bereits laufenden Projekte hinaus weitere Bedarfe an Technologien in ESA-Projekten zu erforschen und die moderne Raumfahrt und sich daraus ergebende Geschäftsszenarien mit neuesten KI-Methoden mitzugestalten“, sagt Prof. Dr. Andreas Dengel, Geschäftsführender Direktor des DFKI in Kaiserslautern und Leiter des Bereichs Smart Data & Knowledge Services.

DFKI-Projektleiter Marlon Nuske erläutert den Kern der AI4EO Solution Factory: „Die zentrale Idee ist, Synergien aus der Entwicklung von KI-Lösungen für verschiedene Anwendungsfälle der Erdbeobachtung zu nutzen. Während jede Lösung in ihren Anwendungen einzigartig sein wird, können viele der zugrunde liegenden Bausteine für weitere Produkte und Projekte wiederverwendet werden.“

Nicolas Longépé, Technischer Direktor der ESA, ist die Bedeutung des Zeitpunkts nicht entgangen: „Die Unterzeichnung dieses InCubed-Vertrags während der Φ-Woche trägt dazu bei, die Hauptthemen der Veranstaltung – neuer Weltraum und Innovation – zu stärken. Die Solution Factory wird zweifellos zeigen, wie die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft die Entwicklung der kommerziellen Raumfahrt ermöglichen kann.“

„Die Unterstützung von InCubed wird der Solution Factory einen wichtigen finanziellen Impuls geben“, fügte Marlon Nuske hinzu. „Wir starten diese Woche offiziell und haben bereits mehrere führende Industrieunternehmen für die erste gemeinsame Produktentwicklung im Agrarsektor an Bord.“

Nicolas Longépé zeigte sich begeistert von den Aussichten der Solution Factory: „Dies ist die bisher größte InCubed-Initiative mit einem deutschen Partner, und wir sind sicher, dass die Solution Factory in den nächsten drei Jahren wichtige Fortschritte bei KI-gesteuerten EO-Anwendungen bringen wird. Die Entstehung der Zusammenarbeit zwischen dem DFKI und dem Explore Office ist ein großartiges Beispiel für den Ethos des ɸ-lab ‚innovate and apply under one-roof‘.“

Erweiterung des Transfernetzwerks
Die AI4EO Solution Factory erweitert auch das Partner-Netzwerk um die DFKI-Transferlabs. Ein solches hatten ESA und DFKI Anfang des Jahres ins Leben gegründet. Die Transferlabs sind ein noch junges, erfolgreiches Kooperationsmodell des DFKI, mit dem in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern aus dem Forschungs-Ökosystem heraus konkrete KI-Lösungen entwickelt werden. Die Partner entsenden hierzu Personal an das DFKI, welches in den Forschungsbereichen mitarbeitet. Der nachhaltige Transfer innovativer KI-Technologien in die Wirtschaft und Gesellschaft ist so eng mit dem wissenschaftlichen Fortschritt verzahnt. Das Spektrum der Transferlabs ist annähernd so breit wie das der DFKI-Forschung. So bestehen neben dem ESA_Lab@DFKI Transferlabs mit Unternehmen und Organisationen aus verschieden Branchen: Hitachi, IAV, Sartorius oder BKA/LKA. Weitere sind in der Entstehung, auch um Synergien mit der AI4EO Solution Factory zu nutzen.

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KI und Raumfahrt

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Quelle: DFKI.

Bremen – Wenn der NASA-Rover „Perseverance“ und der chinesische Rover „Zhurong“ dieser Tage über die Marsoberfläche fahren, treffen sie grundlegende Entscheidungen ohne menschliche Hilfe. Um die autonomen Fähigkeiten zukünftiger Weltraumroboter weiter zu verbessern und die europäischen Bestrebungen auf diesem Gebiet voranzutreiben, förderte die Europäische Union das Projekt ADE, das vor Kurzem seinen Abschluss bei Wulsbüttel nahe Bremen fand. Dort gelang es dem Rover „SherpaTT“ des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) dank der erfolgreichen Zusammenarbeit 13 europäischer Partner, eine Strecke von 500 Metern in weniger als drei Stunden autonom zurückzulegen.

Roboter, die fremde Planeten wie den Mars erforschen oder auf der Mondoberfläche Proben einsammeln, sollten im Idealfall so eigenständig wie möglich arbeiten. Hierzu zählen neben der autonomen Navigation auch das selbstständige Erkennen und Untersuchen von wissenschaftlich interessanten Stellen. Der Mensch kann aufgrund der verzögerten Kommunikation zu fernen Himmelskörpern nur bedingt in die robotischen Missionen eingreifen. Daher müssen die Systeme nur auf Basis ihrer Sensordaten sowie niedrig aufgelöster Satelliteninformationen über die planetare Oberfläche manövrieren und dabei selbst entscheiden können, wann es sich lohnt einen Umweg einzuschlagen, um beispielsweise Gesteinsformationen näher zu untersuchen.

Ziel des im Februar 2019 gestarteten Projekts ADE (Autonomous DEcision Making in very long traverses) war es, die Autonomiefähigkeit und Zuverlässigkeit von Weltraumrobotern insbesondere bei Langstreckenmissionen zu steigern. Nach mehr als zwei Jahren Forschungsarbeit endete das Vorhaben in einer Sandgrube bei Wulsbüttel, rund 40 km nördlich von Bremen. Bei den finalen Feldtests vom 18. März bis zum 16. April 2021 gelang es dem hybriden Schreit- und Fahr-Rover SherpaTT des DFKI Robotics Innovation Center, mithilfe der in ADE entwickelten Technologien insgesamt 3,7 Kilometer autonom zurückzulegen und verschiedene Operationen mit unterschiedlichen Autonomiegraden durchzuführen. Im letzten Testlauf benötigte der Rover nur knapp drei Stunden, um eine Strecke von 500 Metern zu bewältigen (zum Vergleich: Perseverance bringt es den Angaben der NASA zufolge auf eine Spitzengeschwindigkeit von 152 Metern pro Stunde).

Autonome Navigation und Entscheidungsfindung in planetaren Erkundungsmissionen
Das Robotics Innovation Center gehörte mit seiner langjährigen Expertise auf dem Gebiet der Weltraumrobotik zu dem von der spanischen Firma GMV geleiteten Projektkonsortium, das sich aus insgesamt 13 Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus sieben verschiedenen Ländern zusammensetzte. Die Europäische Kommission förderte ADE in der zweiten Phase des Strategic Research Clusters (SRC) „Space Robotics Technologies“ als Teil der PERASPERA-Aktivität im Rahmen des Horizon 2020-Programms. Im Mittelpunkt des Projekts stand die Entwicklung und der Test von Technologien, die Weltraumroboter im Rahmen planetarer Explorationsmissionen dazu befähigen, lange Wegstrecken in unbekanntem Gelände zu überwinden. Währenddessen sollen sie selbstständig interessante Gebiete identifizieren, um dort wissenschaftliche Daten zu erheben.

ADE basiert auf dem in der ersten Phase des SRC entwickelten Autonomiesystem ERGO (European Robotics Goal-Oriented Autonomous Controller). Dieses ermöglicht es einem Rover mit vorgegebenem Ziel, die zur Erreichung des Ziels notwendigen Aktionen zu planen, auszuführen und zu überwachen. Ein sogenannter „Opportunistic Science Agent“ erkennt vielversprechende Merkmale in der Umgebung und meldet diese an das System. Der so entstehende Zielkonflikt wird von der aus den SRC-Vorgängerprojekten hervorgegangenen und für das Projekt zentralen Komponente ADAM (Autonomous Decision Making Module) gelöst: Unter Berücksichtigung der vorhandenen Ressourcen, systembedingter Einschränkungen sowie zeitlicher Vorgaben nimmt ADAM lokale Änderungen der Missionsplanung vor. Diese erlauben es dem Roboter, zu der von ihm identifizierten Stelle zu navigieren, um sie aus der Nähe untersuchen zu können.

DFKI liefert wichtige Beiträge: Robuste Roboterplattform und Missionssimulation
Als robotische Testplattform diente der Rover SherpaTT vom Robotics Innovation Center. Dank seines aktiven Fahrwerks, das ihn sowohl auf Rädern fahren als auch mit seinen vier Extremitäten über Hindernisse schreiten lässt, eignet sich der etwa 150 kg schwere Roboter besonders gut für unwegsames Gelände. Zudem verfügt er über einen etwa zwei Meter langen, zentral angebrachten Roboterarm, der es ihm z.B. ermöglicht, Bodenproben zu entnehmen. Neben der Bereitstellung des Roversystems gehörte es zu den Aufgaben des Bremer DFKI-Forschungsbereichs, eine Missionssimulation zu entwickeln, die aus den an die Bodenstation geschickten Sensordaten ein Simulationsmodell erstellt, das den aktuellen Stand der Mission abbildet. Innerhalb dieses Modells können verschiedene Pfade und Roboter-Konfigurationen getestet werden: Steht der Rover beispielsweise vor einer engen Passage, können verschiedene Fahrwerkskonfigurationen zunächst in der Simulation ausprobiert werden, bevor die erfolgversprechendste Lösung an den Roboter zurückgesendet wird.

Von Utah über Marokko nach Wulsbüttel – erfolgreiche Abschlusstests unter Pandemiebedingungen
Die von den Partnerinstituten entwickelte Software wurde zunächst in einem 7 x 7 Meter großen Indoor-Sandkasten in der Weltraumexplorationshalle des DFKI in Bremen getestet. Anschließend sollten die Technologien auch außerhalb des Labors in einer marsähnlichen Umgebung auf die Probe gestellt werden. Im Vorgängerprojekt FACILITATORS absolvierte SherpaTT eine autonome Langstreckenmission in der marokkanischen Wüstenlandschaft, nachdem er bereits 2016 im US-Bundestaat Utah gemeinsam mit weiteren DFKI-Robotern seine Teamfähigkeit im Rahmen einer Probenrückführungsmission unter Beweis gestellt hatte.

Dieses Mal mussten die ursprünglich auf dem spanischen Festland und der Kanareninsel Fuerteventura geplanten Feldtests aufgrund der pandemiebedingten Reisebeschränkungen in den Norden Deutschlands verlegt werden. So kam es, dass SherpaTT im Herbst 2020 die ehemalige Bremer Galopprennbahn erkundete und sich im März und April 2021 seinen Weg durch die Sandgrube nahe Wulsbüttel bahnte. Bei den finalen Tests wurde die Robotertechnologie fünf Wochen lang unter typisch norddeutschen Wetterbedingungen verschiedenen Härtetests unterzogen, wobei die DFKI-Wissenschaftler vor Ort und die Partner via Remoteverbindung zugeschaltet waren. Auf diese Weise konnten sie u.a. die autonome Navigation, das Sammeln und Ablegen von Proben mit dem Roboterarm, die automatische zielorientierte Missionsplanung sowie die Möglichkeit der wissenschaftlichen Ad-hoc-Zielerfassung erfolgreich testen und gleichzeitig wertvolle Erfahrungen auf dem Gebiet der Teleoperation für zukünftige Weltraummissionen sammeln.

Weltraumtechnologien mit Transferpotenzial / Neue Mission für SherpaTT
Die im Rahmen von ADE entwickelten Technologien sind auf die Anforderungen zukünftiger Rover für die Weltraumforschung ausgelegt. Ihr zielorientiertes Autonomiesystem kann jedoch auch auf Robotern Anwendung finden, die in rauen und gefährlichen Umgebungen auf der Erde arbeiten, z.B. in Kernkraftwerken, bei Rettungseinsätzen oder in der Öl- und Gasindustrie. Für das DFKI und seinen Rover SherpaTT geht der Einsatz für die europäische Raumfahrt weiter: In der dritten und letzten Förderphase des SRC leitet das Robotics Innovation Center das im März 2021 gestartete Projekt CoRoB-X, in dem es gemeinsam mit europäischen Partnern erforscht, wie ein Team aus mehreren Robotern bei der Erkundung von Lavahöhlen auf dem Mond kooperieren kann.

ADE-Projektpartner:

• GMV Aerospace and Defence SA, Spanien
• Joanneum Research, Österreich
• Thales Alenia Space Italia SPA, Italen
• Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, Deutschland
• Trasys International EEIG, Belgien
• Magellium SAS, Frankreich
• Airbus Defence and Space Ltd, Großbritannien
• University of Oxford, Großbritannien
• King’s College London, Großbritannien
• Universite Grenoble Alpes, Frankreich
• GMV Innovating Solutions Ltd, Großbritannien
• Universidad de Malaga, Spanien
• Universita Del Salento, Italien

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• DFKI zeigt neue Weltraumroboter (13. März 2019)

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• Sherpa und CREX

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Quelle: DFKI.

Bremen – Für das Überleben auf dem Mond benötigt der Mensch jede Menge Ressourcen. Diese per Raumschiff auf den Erdtrabanten zu transportieren, wäre extrem teuer. Eine deutlich günstigere und nachhaltige Lösung: Spezielle Anlagen, mit denen die Rohstoffe direkt vor Ort gewonnen und verarbeitet werden können. Dafür entwickelte ein europäisches Konsortium unter Beteiligung des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) im Projekt „Pro-Act“ Technologien, die mehrere Roboter beim Bau dieser Anlagen kooperieren und komplexe Aufgaben zur Vorbereitung menschlicher Missionen erfüllen lassen. Das erfolgreich beendete Vorhaben wurde von der Europäischen Kommission gefördert.

2025 soll es so weit sein: Dann will die Europäische Weltraumorganisation ESA die erste Demonstrationsmission für sogenannte In-Situ Resource Utilization (ISRU) zum Mond starten. Mit Hilfe von ISRU-Technologien können auf fremden Planeten vorhandene Rohstoffe genutzt werden, um daraus für Raumfahrtmissionen benötigte Ressourcen wie Trinkwasser, Sauerstoff oder Baumaterialien für menschliche Habitate herzustellen, die sonst aufwendig von der Erde mitgebracht werden müssten. Dadurch lassen sich nicht nur immense Kosten einsparen. Die Technologien sind zudem von großer Bedeutung, wenn es um eine nachhaltige Erforschung des Weltraums geht. Bei deren Aufbau und Montage werden robotische Systeme eine entscheidende Rolle spielen.

Basistechnologien für die robotische Zusammenarbeit auf dem Mond
Zur Vorbereitung zukünftiger Einsätze von Menschen auf fremden Planeten müssen Roboter in der Lage sein, autonom im Team zu operieren, um komplexe Aufgaben wie die Durchführung wissenschaftlicher Untersuchungen oder den Aufbau von Infrastruktur zu bewältigen. Ziel des im Februar 2019 gestarteten Projekts Pro-Act war es, dafür notwendige Basistechnologien zu entwickeln und deren Funktionsfähigkeit in einem lunaren Missionsszenario zu demonstrieren. Die Europäische Kommission förderte das Vorhaben in der zweiten Phase des Strategic Research Clusters (SRC) „Space Robotics Technologies“ als Teil der PERASPERA-Aktivität im Rahmen des Horizon 2020-Programms. Mit seiner langjährigen Expertise auf dem Gebiet der Weltraumrobotik gehörte das Robotics Innovation Center des DFKI zu dem von der belgischen Firma Space Applications Services geleiteten Projektkonsortium, das sich aus insgesamt neun europäischen Unternehmen und Institutionen aus sechs verschiedenen Ländern zusammensetzte.

Ungleiches Roboter-Team kooperiert beim Aufbau einer ISRU-Anlage
Im Mittelpunkt des Vorhabens stand die Zusammenarbeit dreier verschiedenartiger Robotersysteme – dem sechsbeinigen Laufroboter „Mantis“ des DFKI, dem Rover „VELES“ von der polnischen Firma PIAP Space und dem mobilen Portal der spanischen Firma AVS – deren gemeinsames Ziel es ist, eine ISRU-Anlage mit unterstützender Infrastruktur aufzubauen. Dafür kombinierte das ungleiche Team seine Stärken: Der Laufroboter Mantis zeichnet sich dank seiner sechs Extremitäten, von denen er die zwei vorderen auch zur Manipulation einsetzen kann, durch einen hohen Grad an Flexibilität aus und meistert selbst schwieriges Terrain. Der Rover VELES ist in der Lage, größere Wegstrecken zu überwinden und mithilfe seines Greifarms besonders schwere Nutzlasten zu transportieren. Das mobile Portal, das sich mit der Unterstützung von Mantis und VELES auseinanderziehen lässt, verfügt über einen integrierten 3D-Drucker, den es mithilfe einer Seilsteuerung bewegen kann. In Pro-Act wurde das Ausdrucken von Bauteilen für die Montage der ISRU-Anlage unter Verwendung des auf dem Mond vorhandenen Regoliths simuliert. Um die autonome Kooperation der drei Roboter zu ermöglichen, entwickelten die Projektpartner die aus den Vorgängerprojekten des SRC hervorgegangen Software- und Hardwaretechnologien weiter und passten diese missionsspezifisch an. Durch kooperative Zielzerlegung, kollaborative Missionsplanung und Manipulation gelang es den Systemen, gemeinsam verschiedene Aufgaben zu bewältigen.

DFKI trägt wichtige Hardware- und Softwarelösungen bei / Trotz Corona ein Erfolg
Neben der software- und hardwareseitigen Weiterentwicklung und Anpassung von Mantis an das Missionsszenario gehörte die Bereitstellung einer Simulationsumgebung zu den Aufgaben des Robotics Innovation Center. Diese erlaubte es den Partnern ihre Software zunächst auf Robotersimulationen zu testen, bevor diese auf den ‚realen‘ Systemen implementiert wurde. So konnten Programmfehler schon frühzeitig erkannt und behoben werden. Zudem entwickelten die Bremer Forschenden Schnittstellen, die den Einsatz der Partnersoftware auf Mantis ermöglichten. In der Weltraumexplorationshalle des DFKI sollte die Zusammenarbeit der Roboter schließlich erprobt werden. Diese Pläne wurden jedoch von der Corona-Pandemie durchkreuzt: Bereits zu den ersten gemeinsamen Tests im September 2020 konnten nicht alle Partner anreisen, und auch das Roboter-Team blieb unvollständig. Die Abschlusstests im März 2021 mussten dann komplett virtuell via Remoteverbindung realisiert werden, was vor allem im Hinblick auf die Roboterkooperation weitere Herausforderungen wie instabile Internetverbindungen und zeitliche Delays mit sich brachte. Trotz alldem gelang es den Partnern, erfolgreich zu demonstrieren, wie Mantis und VELES bei der Erstellung von Umgebungskarten und dem Transport von Bauelementen zusammenarbeiten. Darüber hinaus sammelten sie umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der Teleoperation, die für künftige planetare Weltraummissionen von großem Nutzen sind.

Pro-Act-Projektpartner

• Space Applications Services NV, Belgien – Konsortialführer
• Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), Robotics Innovation Center, Deutschland
• GMV Aerospace and Defence SA, Spanien
• Przemyslowy Instytut Automatyki i Pomiarow PIAP, Polen
• Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Frankreich
• City, University of London, Großbritannien
• AVS added Value Industrial Engineering Solutions SLU, Spanien
• La Palma Research Centre for Future Studies SL, Spanien
• Thales Alenia Space, Großbritannien

DFKI im Strategic Research Cluster „Space Robotics Technologies” der Europäischen Kommission
Im Rahmen des Strategic Reserach Clusters (SRC) „Space Robotics Technologies“ fördert die Europäische Kommission Kerntechnologien für eine neue Generation von Weltraumrobotern mit dem Ziel, die orbitale und planetare Erforschung unseres Sonnensystems voranzutreiben. Die neuen Technologien sollen sowohl beim Aufbau modularer und rekonfigurierbarer Satellitensysteme als auch bei der Erforschung von Mars, Mond und anderen Himmelskörpern zum Einsatz kommen. Das DFKI Robotics Innovation Center unter Leitung von Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirchner ist Partner des „PERASPERA (ad ASTRA)“-Konsortiums, das die strategischen Ziele des SRC plant und in Teilprojekten, sogenannten Operational Grants (OG) umsetzt. In den ersten zwei Förderphasen (2016–2019 u. 2019–2021) war der DFKI-Forschungsbereich an sieben der insgesamt elf OGs beteiligt. In der dritten und letzten Förderphase des SRC leitet das Robotics Innovation Center das im März 2021 gestartete Projekt CoRob-X, in dem es gemeinsam mit europäischen Partnern erforscht, wie ein Team aus mehreren Robotern bei der Erkundung von Lavahöhlen auf dem Mond kooperieren kann. Zudem ist das DFKI in das Vorhaben PERIOD involviert, in dem es darum geht, ein orbitales Demonstrationskonzept für On-Orbit Servicing zu definieren und den Reifegrad der dafür notwendigen Technologien zu erhöhen.

DFKI-Wissenschaftlerin Wiebke Brinkmann über die Forschung in Bremen – YouTube-Video:

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• Raumfahrt-Robotik in Deutschland

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Quelle: DFKI GmbH.

Wasser, Schutz, stabile Temperaturen: Die Lava-Höhlen auf dem Mond sind von großem Interesse, wenn es um geeignete Orte für langfristige lunare Missionen geht. Um ihr Potential für die Raumfahrt zu untersuchen, sollen zukünftig Teams aus Robotern in die Höhlen vordringen. Ein europäisches Konsortium unter der Leitung des DFKI erforscht im Projekt „CoRob-X“, wie ein Team aus mehreren Robotern sich weitestgehend autonom abseilen und die Tunnel erforschen kann. Das Ziel ist ein Feldtest auf den Kanaren, bei dem die Systeme gemeinsam eine Lava-Höhle untersuchen und die neuen Technologien aus der europäischen Weltraumforschung einsetzen. Die EU fördert das Projekt mit rund drei Millionen Euro.

Teamwork zahlt sich aus. Diese Erkenntnis gilt auch in der Welt der Robotik: Während aktuelle Weltraummissionen noch auf Einzelgänger wie den NASA-Rover Perseverance setzen, sollen zukünftig Teams aus autonomen Robotern die Oberflächen von Mond und Mars erkunden – und auch in den Untergrund vordringen. Denn gerade extreme Umgebungen wie die Krater oder Lava-Höhlen des Mondes sind für langfristige Missionen von Interesse – sie können beispielsweise vor Strahlung, Meteoriten und Temperaturschwankungen schützen und Wassereis als Ressource bieten. Bevor sich jedoch eine bemannte Mission in die Tiefen des Trabanten lohnt, sollen diese vielversprechenden Orte durch autonome Roboter untersucht werden. Die Frage lautet nur: Wie kommen die Systeme in solche Lava-Höhlen hinein, und wie wieder hinaus?

Die Lösung bietet ein Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI), der zu einem immer wichtigeren Bestandteil in der Planung zukünftiger Raumfahrtmissionen wird: Die kollaborative autonome Robotik. Die Exploration durch intelligente Roboter spart im Vergleich zu bemannten Flügen nicht nur Aufwand und Kosten, sondern ebenso Risiken für den Menschen. Die Fähigkeit zur Kooperation und zur Entscheidungsfindung ist dabei der entscheidende Vorteil, um auch komplexe Missionsszenarien wie die Erkundung von Höhlen umzusetzen. Aus diesem Grund finanziert die Europäische Kommission im Rahmen des Förderprogramms Horizon 2020 die Erforschung kooperativer Roboter für extreme Umgebungen. Das Projekt „CoRob-X“, koordiniert vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), zielt darauf ab, ein solches Szenario in einer analogen Mission auf der Erde umzusetzen, und wird hierfür über zwei Jahre hinweg mit rund drei Millionen Euro gefördert.

Drei Roboter, ein Team
Hinter dem Langtitel „Cooperative Robots for Extreme Environments” verbirgt sich eines der Abschlussvorhaben des Strategic Research Clusters (SRC) „Space Robotics Technologies“, das mehrere Forschungsprojekte für die europäische Raumfahrt umfasst, die im Rahmen des H2020-Proramms finanziert wurden. Der Fokus des Projekts „CoRob-X“, das am 1. März 2021 offiziell gestartet ist, liegt entsprechend auf dem Testen und Validieren der Technologien, die im SRC entwickelt wurden und bei europäischen Raumfahrtmissionen zum Einsatz kommen sollen. Die Erkundung von Lava-Höhlen ist dabei ein realitätsnahes Szenario, da diese Höhlen auf dem Mond einen Schlüssel für langfristige Missionen oder gar menschliche Habitate darstellen. Aus diesem Grund zielt „CoRob-X“ darauf ab, in einem Feldtest auf den Kanaren eine solche Erkundung durch drei autonome Robotersysteme durchzuführen und ihre Machbarkeit mithilfe der SRC-Technologien zu beweisen.

Zum Einsatz kommen dabei zwei Systeme des Robotics Innovation Center (RIC) vom DFKI in Bremen sowie ein Roboter des belgischen Unternehmens Space Applications Services NV/SA. Anders als jene Rover, die bereits im Weltall zum Einsatz kommen, können diese Systeme dank Künstlicher Intelligenz eigene Entscheidungen treffen, was gegenüber der Fernsteuerung durch den Menschen auf der Erde viele Vorteile bringt: Autonome Weltraumroboter können unmittelbar auf ihre Umwelt reagieren, neue Daten in ihre Missionsplanung aufnehmen und Fehler schneller ausgleichen. Die Arbeit im Team ist schließlich entscheidend, um auch eine extreme Umgebung wie eine Lava-Höhle untersuchen zu können – ob auf dem Mond oder den vulkanisch geprägten Kanaren.

Abseilen, explorieren, Sensordaten übermitteln
Hierzu soll ein autonomer Explorationsroboter in solch eine Höhle hinabgelassen und wieder heraufbefördert werden. Das Szenario sieht vor, dass die drei autonomen Rover – SherpaTT und Coyote vom DFKI sowie Roboter LUVMI von Space Applications Services aus Belgien – gemeinsam den Eingang einer Höhle untersuchen und durch einen Sensorwürfel, den LUVMI in das sogenannte „Skylight“ wirft, erste Informationen sammeln und austauschen. Mithilfe dieser Daten ermitteln die Systeme eine geeignete Stelle, an der der robuste Rover SherpaTT mithilfe eines Seilzugs den kompakten Coyote hinablassen kann. Am Boden angekommen, entkoppelt sich der wendige Roboter vom Seil- und Dockingmechanismus, erkundet die Höhle und kehrt anschließend zur Dockingstation zurück, um die Daten zu übermitteln und von SherpaTT hinaufbefördert zu werden.

Der Feldtest für die Validierung der SRC-Technologien ist für Anfang 2023 geplant. Bis dahin gilt es, die Missionsdetails und -anforderungen zu definieren, die Technologien auf den Systemen zu implementieren und etwaige Sicherheitsfragen zu berücksichtigen. Parallel führen das Unternehmen GMV Aerospace and Defence SA und die Stiftung Santa Bárbara einen weiteren Feldtest in einem Bergwerk in Nordspanien durch, bei dem dieselben Technologien zum Erkunden von Schächten erprobt werden. Hierzu werden ein Rover und eine Drohne des spanischen GMV eingesetzt. Zu den weiteren Partnern des Projekts „CoRob-X“, das über einen Zeitraum von 24 Monaten unter der Grant-Nummer 101004130 mit insgesamt 3.006.912,50 Euro gefördert wird, gehören das Laboratoire Atmosphères, Milieux Observations Spatiales (LATMOS) und Magellium SAS aus Frankreich, die Universität von Malaga, Sintef AS aus Norwegen sowie die Airbus Defence and Space GmbH aus Deutschland.

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• Sherpa und CREX

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Bremen – Wie können unzugängliche Orte auf der Erde – zum Beispiel die Tiefsee – aber auch auf anderen Planeten erforscht werden? Extreme Ziele stellen auch extreme Anforderungen an die eingesetzte Technik. Dabei geht es nicht nur um Korrosion oder Druckbeständigkeit: Neue technische Lösungen sollen zum Beispiel die Kommunikation mit und die Energieversorgung von abgetauchten Robotern ermöglichen – und zwar mithilfe eines innovativen Andocksystems. Dafür hat ein Konsortium aus drei Bremer Partnern das Forschungs- und Entwicklungsprojekt TRIPLE-MoDo gestartet.

Sowohl für die Erforschung der Weltmeere als auch für die Erkundung extraterrestrischer Ozeane werden robotische Systeme benötigt, die eigenständig und über längere Zeiträume unter Wasser operieren können. Dafür arbeitet ein Bremer Konsortium im jetzt gestarteten Projekt TRIPLE-MoDo („Technologies for Rapid Ice Penetration and Subglacial Lake Exploration – Mobile Docking“) an einem innovativen Dockingsystem. Zu den Projektpartnern gehören die DSI Aerospace Technology GmbH, das Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz und das MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen. Finanziert wird das Projekt vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Bonn.

Das geplante System soll es einem autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV) ermöglichen, an einer Unterwasserstation anzudocken, um gesammelte Daten zu übermitteln, seine Batterie aufzuladen und somit längere Zeit unter Wasser zu bleiben. Um den hohen Anforderungen an das Andocken in tiefen Gewässern gerecht zu werden, setzen die Partner auf Komponenten aus dem Bereich Soft Robotics. Diese zeichnen sich durch eine enorme Flexibilität und die Fähigkeit aus, Kollisionen sanft abfangen zu können.

Das Projekt TRIPLE-MoDo ist eins von mehreren Vorhaben innerhalb der übergeordneten TRIPLE-Projektlinie des DLR Raumfahrmanagements. Ziel der Projektlinie ist es, ein intelligentes Explorationssystem zu entwickeln, das sich zur Durchführung wissenschaftlicher Beobachtungen in Gewässern unter Eis eignet. Das projektierte System besteht aus einem vollautonomen Kleinst-Tauchroboter (einem sogenannten nanoAUV) einer teilautonomen Einschmelzsonde, die sich in die Eisschicht einschmilzt und das AUV hindurchtransportiert, sowie einem astrobiologischen Labor (AstroBioLab) zur Untersuchung von Flüssigkeits- und Sedimentproben. Die Schmelzsonde dient dem Roboter zudem als feste Unterwasserstation zum Daten- und Energieaustausch.

Das innovative System soll sowohl für planetarische Missionen als auch für Raumfahrtanwendungen im erdnahen Bereich von großem Nutzen sein. Das Interesse seitens der Raumfahrt besteht darin, künftig ein derartiges auf der Erde eingesetztes und erprobtes System auch für die Erforschung von Ozeanen auf anderen Planeten und Monden, wie zum Beispiel jenem auf dem Jupitermond Europa, zu nutzen. Unter der Eisdecke des Jupitermondes werden in rund 100 Kilometern Wassertiefe Hydrothermalquellen vermutet, die durch einen Wärmestrom und das Einbringen von Mineralien selbst an dunklen und kalten Orten Leben ermöglichen.

„Der vermutete Ozean auf Europa besitzt eine Wassermenge, die ungefähr dem Doppelten unseres Planeten Erde entspricht“, erklärt Projektleiter Dr. Christoph Waldmann vom MARUM. „Am Ende geht es um die Frage, ob sich in den extraterrestrischen Ozeanen Spuren von vergangenen oder gegenwärtigen Lebensformen finden lassen.“

Das entwickelte Gesamtsystem soll bis 2027 fertiggestellt und im Rahmen einer Demonstrationsmission in der Antarktis in enger Zusammenarbeit mit Meeres- und Weltraumwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern getestet werden.

Mehr Informationen zum Projekt und den beteiligten Partnern:
TRIPLE-nanoAUV: https://triple-project.net
DSI Aerospace Technologie GmbH: www.dsi.space
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen: www.marum.de
Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), Robotics Innovation Center: https://robotik.dfki-bremen.de/de/startseite

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• Raumfahrt-Robotik in Deutschland

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Quelle: DFKI.

Kaiserslautern/Darmstadt – Ob der eigenwillige HAL 9000 bei „2001 Odyssee im Weltraum“, der dezent agierende „Computer“ der Enterprise oder die nüchtern-sarkastischen TARS und CASE im Film „Interstellar“ – in der Science-Fiction wird die Exploration des Weltraums seit jeher von Künstlicher Intelligenz begleitet. Auch wenn derartige Sternenreisen noch lange nicht zum Alltag in der Raumfahrt gehören, sind die lebensfeindliche Umgebung im All und die komplexen Anforderungen von Weltraummissionen geradezu prädestiniert für den Einsatz von KI. Denn dort nehmen die Herausforderungen zur Aufrechterhaltung der Sicherheit der Systeme und zur Maximierung des wissenschaftlichen Nutzens rasant zu.

Um neue KI-Technologien und -Anwendungen für den Einsatz in der zivilen Raumfahrt zu entwickeln, gründen die Europäische Weltraumorganisation ESA und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein gemeinsames Forschungslabor – das ESA_Lab@DFKI. Das Transferlab am DFKI in Kaiserslautern schafft einen Rahmen, in dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beider Organisationen unter anderem an KI-Systemen zur Interpretation komplexer, umfangreicher Daten aus der Erdbeobachtung oder zur Kollisionsvermeidung von Satelliten forschen.

Das neue Forschungslabor wird die Nähe des DFKI zum European Space Operations Centre (ESOC) der ESA in Darmstadt nutzen. Das ESOC ist die Missionskontrolle für 22 ESA-Raumfahrzeuge und Zentrum für das Weltraumsicherheitsprogramm der Agentur, das sich auf Gefahren durch Weltraummüll, riskante Asteroiden und Weltraumwetter konzentriert.

Prof. Dr. Antonio Krüger, Vorsitzender der Geschäftsführung des DFKI: „KI und Raumfahrt gehören zusammen. Denn KI-Technologien haben dort das größte Potenzial, wo der Mensch an die Grenzen des physisch oder kognitiv Machbaren stößt. Sie können in der modernen Raumfahrt entscheidend bei der Bewältigung der steigenden Anforderungen von immer komplexeren Missionen helfen. Zudem ermöglicht der technische Fortschritt der KI neue Projekte, die noch vor kurzem undenkbar waren. Die ESA und das DFKI haben gemeinsam bereits einige erfolgreiche Projekte, beispielsweise im Bereich der Weltraumrobotik und langzeitautonomer Systeme durchgeführt oder sind darin aktiv. Um so mehr freuen wir uns, die Zusammenarbeit mit dem neuen Transferlab auszubauen und zu festigen und damit noch mehr vielversprechende KI-Technologien aus dem breiten Spektrum der DFKI-Forschung für den Einsatz in der Raumfahrt zu erschließen.“

ESA-Generaldirektor Prof. Dr.-Ing. Jan Wörner betont: „Der Einsatz von KI wird dem gesamten Spektrum der Raumfahrt ganz neue Möglichkeiten eröffnen. Die Extraktion von Wissen aus den enormen Datenströmen, die Erdbeobachtungssatelliten ebenso wie Sonden in unserem Sonnensystem liefern, die Steigerung der Autonomie und Zuverlässigkeit von Satelliten, und schließlich die Verbesserung der Interaktion zwischen Mensch und Maschine sind solche Anwendungsbereiche. Aber auch im administrativen Bereich, insbesondere beim Thema ‚ Knowledge Management‘, sehen wir ein exzellentes Anwendungsfeld für KI.“

Dr. h.c. Thomas Reiter, Astronaut und ESA-Koordinator internationale Agenturen und Berater des Generaldirektors, fügt an: „Je weiter wir uns von der Erde entfernen, desto größer wird die Notwendigkeit zur Autonomie. Deshalb ist gerade auch für die astronautische und robotische Exploration unserer Nachbarplaneten und unseres Sonnensystems die KI ein ausgesprochen vielversprechendes Instrument. Das durch KI unterstützte, optimale Zusammenspiel von Mensch und Maschine an Bord einer um den Mond kreisenden Plattform, eines interplanetaren Raumschiffs, oder auf der Oberfläche von Mond und Mars, bei der Steuerung von robotischen Rovern oder Habitaten, wird ein entscheidendes, den Missionserfolg bestimmendes Element. Auch für die Erkennung von Gefahren im und aus dem Weltraum erwarten wir durch den Einsatz von KI-basierten Verfahren entscheidende Fortschritte, wie zum Beispiel bei der Analyse und Vorhersage von Weltraumwetter-Ereignissen. Die stetig zunehmende Zahl von Satelliten im nahen Erdorbit hat immer häufiger die Annäherungen oder gar Überschneidungen der Flugbahnen zur Folge. Auch bei der Analyse von Kollisionsrisiken und der Gewährleistung des sicheren Betriebs von Satelliten sehen wir ein weites Einsatzfeld für KI.“

Vielfältige Anwendungsgebiete für KI
Prof. Dr. Andreas Dengel, Geschäftsführender Direktor am DFKI in Kaiserslautern und Leiter des Forschungsbereichs Smarte Daten und Wissensdienste: „Die Möglichkeiten für nutzbringende Anwendungen in der Raumfahrt angesichts einer im technologischen und klimatischen Wandel befindlichen Welt sind vielfältig. Ebenso vielfältig sind hierbei die Einsatzmöglichkeiten von KI-Technologien. Unsere Machine- und Deep Learning-Verfahren eignen sich zum Beispiel hervorragend zur Analyse und Interpretation der umfangreichen und komplexen Daten von Erdbeobachtungssystemen, sei es zur Klimabeobachtung, für den Katastrophenschutz oder die Landwirtschaft. Mit dem neuen Transferlab möchten wir einen Kreativraum schaffen, um gemeinsam nachhaltig hochaktuelle und zukünftige Bedarfe an KI-Lösungen in ESA-Projekten zu identifizieren und maßgeschneiderte Raumfahrtanwendungen zu entwickeln.“

Künstliche Intelligenz für die Erdbeobachtung
Satelliten senden täglich große Datenmengen zurück zur Erde. Die Daten des Europäischen Copernicus-Programms etwa stehen Anwendern frei zur Verfügung. Diese Daten sind jedoch viel zu umfangreich, als dass sie von Menschen allein analysiert werden könnten. KI-Methoden können dabei helfen, aus den Rohdaten wertvolles Wissen zu generieren. Mit speziellen Methoden des Maschinellen Lernens lassen sich beispielsweise Ausbreitungs- und Schadensprognosen für Umwelt- und Katastrophenschutz von durch Naturkatastrophen betroffene Gebiete treffen. Kommerzielle Mehrwertdienste reichen von der finanziellen Risikoabschätzung solcher Ereignisse bis zur Überwachung industrieller Infrastrukturen auf der Erde. Ein weiteres Anwendungsszenario zielt auf die Versorgungssicherheit durch landwirtschaftliche Produkte: Wachstumszustände und Bodenqualitäten von Anbaugebieten lassen sich analysieren und so Ertragsprognosen treffen. Die herausragende Expertise der ESA in der satellitengestützten Erdbeobachtung ergänzt sich hierbei ideal mit der Erfahrung der DFKI-Wissenschaftler*innen aus wegweisenden Projekten in der Landwirtschaft, wie iGreen.

Künstliche Intelligenz für den sicheren Betrieb von Satelliten
Ein weiteres potenzielles Einsatzgebiet für KI ist die Kollisionsvermeidung von Weltraumflugkörpern angesichts immer mehr Objekten in der Erdumlaufbahn. Denn die Raumfahrt steht mit dem verstärkten Einsatz von so genannten Mega-Konstellationen vor einem Paradigmenwechsel. Wurden in der Vergangenheit eher einzelne, hochspezialisierte, große Satelliten betrieben, geht der Trend in der internationalen Raumfahrt heute zu Konstellationen von hunderten oder gar tausenden Kleinsatelliten. Dies stellt die Betreiber von weltraumgestützter Infrastruktur vor neue Herausforderungen, denn mit der Anzahl an Satelliten steigt auch das Risiko von Kollisionen und der Entstehung von weiterem Weltraumschrott. KI-Methoden helfen bei der genauen Berechnung der Umlaufbahnen von aktiven und passiven Satelliten sowie von bekanntem Weltraumschrott. Somit lassen sich Kollisionen durch Ausweichmanöver verhindern.

Erfolgreicher Transfer aus dem Forschungs-Ökosystem
Die Partnerschaft zwischen ESA und DFKI in Form des ESA_Lab@DFKI wird diese und andere grundlegende Technologieentwicklungen unterstützen und verspricht, die Bandbreite und den Umfang von Innovationen zu erweitern, die aus der akademischen Forschung in hochentwickelte industrielle Anwendungen transferiert werden.

ESA_Lab@s sind gemeinsame Initiativen zwischen der ESA und akademischen bwz. Forschungseinrichtungen. Die Institutionen steuern Vorschläge für innovative Forschung bei, die den Weltraum mit ihrer wissenschaftlichen Expertise, ihren Studierenden und ihrer Lehre verbinden, während die ESA technische Expertise aus der gesamten Agentur und Wissen aus erster Hand über die Herausforderungen der modernen Raumfahrt beisteuert. Zu den bestehenden ESA_Lab@s, die sich auf künstliche Intelligenz konzentrieren, gehören neben dem DFKI Kooperationen mit der Universität Oxford und dem University College London.

Auch das DFKI setzt mit dem ESA_Lab@DFKI auf ein bewährtes Konzept, indem Mitarbeiter*innen von Partner-Organisationen in die Forschungsteams des DFKI eingebettet werden, die im „Ökosystem“ der DFKI-Forschungsbereiche mitarbeiten und im geschützten Datenraum konkrete Lösungen und Produkte entwickeln. Die Identifizierung und Entwicklung einschlägiger Technologien ist so eng mit dem wissenschaftlichen Fortschritt verzahnt. Transferlabs unterhält das DFKI bereits mit Industrieunternehmen aus verschiedenen Branchen, wie Continental, Hitachi, IAV oder Sartorius. Eine weitere Kooperation mit LKA Rheinland-Pfalz und BKA befindet sich in Planung.

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• KI und Raumfahrt

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Interview mit Marius Wirtz, DFKI.

Mit dem Projekt Europa-Explorer (EurEx) haben die Wissenschaftler und Techniker vom DFKI Planetenforschen eine Plattform geschaffen, auf deren Grundlage künftige Forschungsmissionen auf anderen Himmelskörpern erfolgen könnten. Insbesondere der Jupitermond Europa ist ein geeignetes, lohnendes Ziel. Raumfahrer.net hatte Gelegenheit, den am Projekt beteiligten Konstrukteur Dipl.-Ing. (FH) Marius Wirtz zu interviewen.

RN: Können Sie kurz schildern, was das DFKI ist, und welchen Aufgaben Sie dort nachgehen?

M. Wirtz: Das Deutsche Forschungszentrum für künstliche Intelligenz, kurz DFKI, ist ein bundesweit aufgestelltes Institut, das sich seit über 25 Jahren mit Themen zur künstlichen Intelligenz beschäftigt. Am Standort in Bremen, dem Robotics Innovation Center (seit 2006) beschäftigen wir uns vorwiegend mit der Forschung an künstlicher Intelligenz speziell in Bezug auf Robotersysteme.

Eine der Besonderheiten unseres Instituts ist dabei, dass wir in der Regel die Roboter an denen und mit denen wir forschen auch selber entwerfen, entwickeln und aufbauen. Hierbei werden die Systeme jeweils auf den konkreten Anwendungsfall zugeschnitten, um maximal erfolgreiche Ergebnisse im jeweiligen Szenario zu erzielen.

Ich selber bin als Konstrukteur tätig und entwickle den mechanischen und mechatronischen Anteil von Robotersystemen. Im Projekt Europa-Explorer habe ich mich mit der Entwicklung und Umsetzung der Eisschmelzsonde, dem sog. IceShuttle, beschäftigt und im letzten halben Jahr des Projekts zusätzlich die Projektleitung in Vertretung für meinen Kollegen Dr. Marc Hildebrandt übernommen.

RN: EurEx beschäftigt sich mit Technologie, die auf dem Jupitermond Europa auf dem Eis und unter Wasser verwendet werden könnte. Wie kam es zu der Initiative, sich genau mit diesem Thema auseinanderzusetzen?

M. Wirtz: Das Forschungsvorhaben wurde nach einer Anregung des DLR-Raumfahrtmanagements beantragt. Zuvor gab es von anderen deutschen Forschungsgruppen bereits ähnliche Projekte die sich mit einem vergleichbaren Thema beschäftigt haben, jedoch kein Projekt das speziell auch den Unterwasseranteil mit berücksichtigt hat, wie es eine Mission zu Jupitermond Europa erfordert. Mit unseren Kompetenzen der Robotik, sowohl im Weltraum als auch im Unterwasserbereich konnten wir dann das Projekt Europa-Explorer erfolgreich beantragen.

Ich persönlich fand das Thema bereits im Vorhinein äußerst spannend und war umso glücklicher als sich die Möglichkeit für das Projekt Europa-Explorer ergab.

RN: Warum ausgerechnet Europa? Was macht den Mond für die Wissenschaft so interessant?

M. Wirtz: Europa ist ein Eismond im Jupitersystem. Hier wird nach jetzigen wissenschaftlichen Erkenntnissen unter einer dicken äußeren Kruste aus Wassereis ein globaler Ozean vermutet der nach bisherigen Schätzungen 2-3 mal soviel Wasser fasst wie flüssiges Wasser auf der Erde existiert. Da flüssiges Wasser eine der fundamentalen Voraussetzungen für Leben ist, stellt Europa mit diesen enormen Wasservorkommen einen äußerst vielversprechenden Ort für Exobiologen dar. Leben neben der Erde auch an einem anderen Ort im Sonnensystem zu finden wäre eine unglaublich wichtige und spannende Entdeckung. Hier verbinden sich viele fundamentale Fragestellungen.

Neben der Fragestellung „Gibt es Leben außerhalb der Erde?“ gibt es Überlegungen wie „Basiert das extraterrestrische Leben auf den gleichen grundlegenden Mechanismen/Bausteinen wie auf der Erde oder gibt es andere Mechanismen?“. Besonders spannend wäre, wenn es sich dabei um bisher noch unbekannte Mechanismen handeln würde, wodurch sich sogar ganz neue Forschungsfelder auftun könnten. Eine andere Frage wäre: „Hat das Leben auf der Erde und potentielles Leben auf anderen Himmelskörpern den selben Ursprung, oder ist das Leben unabhängig voneinander entstanden und kann somit überall dort, wo die richtigen Umgebungsbedingungen herrschen, entstehen?“.

Das sind grundlegende Fragen, die die Wissenschaftler in den entsprechenden Fachgebieten antreiben. Wir möchten einen Weg und die entsprechenden Tools dazu aufzeigen, die den Kollegen diese Forschung, zumindest in Bezug auf den Jupitermond Europa, ermöglichen könnte.

RN: Welche Einrichtungen und Spezialisten wurden bei Fragen zu den Bedingungen auf Europa zu Rate gezogen? Wie konkret waren die Auskünfte, die das DFKI erhalten konnte?

M. Wirtz: Für Fragen zu den Umgebungsbedingungen auf Europa wurde das Max-Planck-Institut für Sonnensystem Forschung (kurz: MPS) aus Göttingen als beratende Institution beauftragt. Die Wissenschaftler des MPS haben uns dabei mit den aktuell verfügbaren Erkenntnissen und Annahmen versorgt.

Um eine tatsächliche Mission planen zu können fehlen allerdings noch konkretere Daten, besonders über den genauen Aufbau der Eisdecke. Also z.B. wie dick ist das Eis genau, wie ist die geographische Verteilung der Eisdicke und der innere Aufbau. Hier gibt es eine Reihe von noch ungeklärten Detailfragen, z.B. ob Wassereinschlüsse bzw. Wasserblasen im Eis vorhanden sind oder wie hoch der Feststoffanteil innerhalb der Eiskruste ist.

Eine weitere wichtige und heftig diskutierte Fragestellung: „Ist ein direkter scharfer Übergang zwischen der festen Phase des Eises und der flüssigen Phase des Ozeans vorhanden oder existiert hier eine Grenzschicht aus einem Wasser/Eisgemisch?“ Sie ist für die Positionierung einer Eisschmelzsonde von großer Wichtigkeit.

Neue Erkenntnisse über einen Teil dieser Fragestellungen werden die Sonden JUICE (ESA) und Europa-Clipper (NASA) liefern, die im nächsten Jahrzehnt zum Jupiter aufbrechen sollen.

RN: Welche besonderen Umgebungsbedingungen auf Europa mussten beim Entwurf der Erkundungs-Roboter berücksichtigt werden?

M. Wirtz: Ein Bereich, bei dem möglichst genau auf die Umgebungsbedingungen eingegangen wurde, ist die Navigation. Beispielsweise besitzt unser Autonomous Underwater Vehicle (AUV) namens Leng bewusst keinen Kompass, da noch zu wenig über das Magnetfeld von Europa bzw. Jupiter bekannt ist, trotzdem muss es aber vollautonom navigieren können. Dies wurde durch eine ganze Reihe verschachtelter Mechanismen und Navigationsmodalitäten sicher gestellt.

Ein wichtiger Aspekt beim Design der Systeme war, die Systeme äußerst kompakt zu gestalten und mit einem geringen Querschnitt zu versehen, um den zu schmelzenden Eiskanal klein und die dafür benötigte Energie gering zu halten. Darüber hinaus mussten die Systeme in enger Abstimmung zueinander entwickelt werden, um das AUV in das IceShuttle integrieren zu können, ohne hierbei die Restriktionen in den Abmessungen zu sehr zu beeinträchtigen.

Ein weiterer Punkt ist zudem, dass die Systeme natürlich wasserdicht sein müssen und dabei einen hohe Korrosions- und Druckstabilität liefern sollen. Eine Aufgabe, die besonders bei Mechanismen und Aktuatoren nicht zu unterschätzen ist.

RN: Was konnte nicht berücksichtigt werden?

M. Wirtz: Was zurzeit nicht berücksichtigt wurde ist die Druckstabilität für die volle Tauchtiefe bis zum Grund des Ozeans, sowie Vorkehrungen, die die Umgebungsbedingungen im Weltraum berücksichtigen, also geringer Druck und hohe Strahlungsintensität, die in der Umgebung von Europa vorherrschen. Sowohl die Druckstabilität als auch die Strahlungsintensität zu berücksichtigen ist sehr aufwändig und äußerst kostenintensiv und in diesem Stadium der Untersuchung daher nicht sinnvoll. Sie hätte zudem das Budget um ein Vielfaches überschritten.

RN: Welche Anhaltspunkte für Leben liefern die auf Europa vermuteten Umweltbedingungen?

M. Wirtz: Die Beantwortung dieser Frage würde ich gerne den Fachkollegen überlassen.

RN: Wurde das AUV so ausgerüstet, dass es Hinweise auf Leben entdecken könnte?

M. Wirtz: In diesem ersten Projekt haben wir uns vorwiegend mit dem Missionskonzept, der Entwicklung und dem Aufbau der Systeme, sowie mit der für das Gelingen der Mission fundamental wichtigen Navigation des Explorations-AUVs in der Wassersäule beschäftigt.

Das AUV ist bereits jetzt mit einer vergleichsweise hohen Zahl an Sensoren bestückt. Diese Sensoren, vorwiegend akustische Sensoren und Kameras, dienen allerdings alle dazu die für die Mission notwendige Autonomie des Fahrzeugs zu ermöglichen.

Ein Teil der Sensoren, z.B. die Kameras, könnten jedoch ebenfalls für die Suche nach Hinweisen von Leben verwendet werden. In einem möglichen Folgeprojekt möchten wir dann tatsächlich auch eine wissenschaftliche Nutzlast in das Fahrzeug integrieren, um auch chemische oder biologische Anhaltspunkte für Leben detektieren zu können.

RN: Wo Kameras zum Einsatz kommen sollen, wird auch Licht benötigt. Welche Leuchtmittel befinden sich an Bord des AUV?

M. Wirtz: Die Sichtbereiche der Kameras werden mit lichtstarken und energieeffizienten weißen LEDs ausgeleuchtet. Für die Bodenkameras, die unter anderem als Sensor zur visuellen Odometrie verwendet werden, kommt hier eine „Flasher“-Variante zum Einsatz. Durch das kurzzeitige Blitzen mit sehr hoher Lichtintensität (bis zu 45.000 Lumen) im Millisekundenbereich (circa 10 ms), welches auf die Dauer der Belichtungszeit der Kameras abgestimmt und mit dieser synchronisiert ist, soll dabei das Verhältnis zwischen optimalen Belichtungsverhältnissen und Energieeffizienz der Beleuchtungseinheit verbessert werden.

RN: Was ist an der Ausstattung des AUV noch besonders bemerkenswert?

M. Wirtz: Das Explorations-AUV ist angesichts der Menge an Sensoren, die es mitführt, sehr kompakt gebaut. Es besitzt einen äußerst geringen Querschnitt, um den Anforderungen an die Eisschmelzsonde gerecht zu werden.

Dann verfügt es über eine Vielzahl teilweise redundanter Sensoren, die der autonomen Navigation dienen (Unterwassernavigationssystem Ultra Short Baseline (USBL), Obstacle-Avoiding-Sonar, 3-Achs Faseroptisches-Gyroskop, duales Doppler Velocity Log (DVL) mit acoustic Doppler current profiler Modus (ADCP), Stereo-Hydrophon, Stereokamera für visuelle Odometrie etc.).

Darüber hinaus besitzt das AUV neben drei elektrischen Propellerantrieben noch zwei Tauchzellen, die es dem Fahrzeug ermöglichen sollen, den Grund des Ozeans mit minimalem Energieaufwand zu erreichen. Außerdem ist ein Teil der Sensoren ein- bzw. ausfahrbar, um den Anforderungen der Integration in das IceShuttle gerecht zu werden.

Die Recheneinheiten sind ebenfalls mehrschichtig und teilweise Redundant ausgelegt. So gibt es drei Leistungsebenen, die nach Bedarf zu/abgeschaltet werden können. Dies ist neben der Redundanz auch für den Energiehaushalt wichtig.

RN: Können Sie die verwendeten Recheneinheiten etwas genauer beschreiben? Können Sie uns beispielsweise sagen, welche CPU-Kerne zum Einsatz kommen und welche Programmiersprache verwendet wird? Wie viel Speicherplatz steht den Recheneinheiten zur Verfügung?

M. Wirtz: Bei den Recheneinheiten handelt es sich um die folgenden drei Systeme:

• STM32 ARM-Microcontroller, 256kB Flash
• Intel Atom Low-Power CPU, 512GB SSD/1GB RAM
• Intel i7, 2TB SSD/4GB RAM

Als Programmiersprache verwenden wir C++ für die Kernalgorithmik, sowie Ruby für das Zusammenschalten von Funktionseinheiten.

RN: Das AUV wird ja einige Wegstrecken zurücklegen müssen. Wie wird es angetrieben?

M. Wirtz: Das Fahrzeug wird zum einen über elektrische Ring-Thruster angetrieben, die über Akkus gespeist werden. Die Akkus müssen bei jedem Koppelvorgang mit der Basisstation, dem IceShuttle, wieder aufgeladen werden.

Die großen Distanzen beim Tauchen zum Grund des Ozeans sollen deutlich energiesparender zurückgelegt werden. Hierbei gleitet das Fahrzeug durch Umtarieren der Tauchzellen mit geringem Energieaufwand zum Grund des Meeresbodens. Bei diesem Tauchvorgang sollen ein Großteil der Sensoren und energieintensiven Rechner abgeschaltet werden, um zusätzlich Energie zu sparen. Am Meeresgrund angekommen wird das Fahrzeug dann wieder neutral tariert und wieder die elektrischen Antriebe verwenden, bis es zum Auftauchen erneut umtariert wird.

RN: Wie kann man sich das Umtarieren der Tauchzellen vorstellen? Auf welche Weise kommt dabei ein vertikaler Vortrieb zustande?

M. Wirtz: Die aktuelle Version der Tauchzellen besteht aus einem zylindrischen Metallgehäuse, in dem ein Kolben mittels drehmomentstarken Elektromotor verfahren werden kann. Hierbei gibt es einen trockenen, gedichteten Bereich der Tauchzelle und einen Nassbereich, der quasi zum umgebenden Wasser hin offen ist. Das Volumen des Trockenbereichs kann durch Verfahren des Kolbens vergrößert oder verkleinert werden, wodurch sich der Auftrieb des Fahrzeugs ändert. Dies ist möglich, da Luft im Vergleich zum Wasser stark kompressibel ist.

Da das AUV über eine Tauchzelle am Bug und eine identische Tauchzelle am Heck verfügt kann neben dem Auf- bzw. Abtrieb auch der Nickwinkel des Fahrzeugs (eng.: pitch) eingestellt werden. Dabei wirkt die ganze Strömungshülle des AUVs wie eine einfache Tragfläche, die diese Vertikalbewegung in eine Horizontalbewegung umwandelt.

RN: Auf welche Art und Weise wird das AUV mit der benötigten elektrischen Energie versorgt?

M. Wirtz: Das AUV verfügt derzeit über einen Litium-Polymer Akku, der für circa 10 Stunden aktive Laufzeit ausreicht. Vor Ende der Laufzeit soll das Fahrzeug wieder an seine Basisstation ankoppeln und die Akkus sollen neu aufgeladen werden.

Wie die Basisstation (das IceShuttle) über die gesamte Zeit mit Energie versorgt werden soll ist noch offen. Hier gibt es mehrere Ansätze, die allerdings zur Zeit nicht Bestandteil unserer Untersuchung sind.

RN: Wo würde ein AUV-artiges Fahrzeug auf Europa suchen?

M. Wirtz: Natürlich würde es zunächst die nähere Umgebung um seine Basisstation IceShuttle erkunden. Am interessantesten wird aber sicherlich der Grund des Ozeans sein, wo man sich Umgebungsbedingungen erhofft, die Leben ermöglichen. Hier auf der Erde sind ein Beispiel dafür die hydrothermalen Quellen auf dem Grund des Ozeans, sog. Schwarze Raucher, die auch an entlegenen, unwirtlichen Stellen der Tiefsee lokale Ökosysteme bzw. Oasen des Lebens ermöglichen. Vergleichbare Bedingungen erhofft man sich auch auf dem Grund des Ozeans von Europa.

RN: Wie könnte ein AUV-artiges Fahrzeug zu seinem Einsatzort kommen?

M. Wirtz: Eins der Alleinstellungsmerkmale des Projekts Europa-Explorer ist, dass wir uns nicht nur mit entweder einem Explorationsfahrzeug für den Ozean oder einer Eisschmelzsonde beschäftigt haben, sondern innerhalb des Projekts die gesamte Mission angefangen von der Oberfläche des Jupitermonds abbilden wollten. Hierzu gehört natürlich auch der Transport des Explorationssystems durch die dicke Wassereiskruste von Europa und entsprechend wurde neben dem Explorations-AUV Leng noch ein weiteres System, das IceShuttle Teredo entwickelt.

Das IceShuttle ist eine Eischmelzsonde, die über ein großes Nutzlastkompartement verfügt und somit das AUV in seinem „Bauch“ durch das Eis transportieren kann. Das IceShuttle soll sich dabei gravimetrisch durch das Eis schmelzen, indem sowohl die Nase als auch die Seitenflächen kontrolliert beheizt werden.

Eine Herausforderung ist außerdem das Ausbringen des AUVs aus dem IceShuttle, da hier unterschiedliche Anforderungen berücksichtigt werden müssen.

RN: Wie lange würde das Durchdringen von einem Kilometer Eis denn dauern?

M. Wirtz: In dem abgeschlossenen Projekt Europa-Explorer wurde der Fokus nicht auf den Vortrieb des IceShuttles gelegt, sondern auf die Navigation und Autonomie des AUVs, sowie die Kombination von AUV und IceShuttle.

Mit der Verbesserung der Schmelztechnologie beschäftigen sich bereits andere Forschungsgruppen wie die Kollegen der FH-Aachen des verwandten Projekts Enceladus-Explorer. Somit haben wir uns zumindest für diese erste Projektphase auf einen einfachen Schmelzkopf beschränkt.

Bei Tests mit nur unserem Schmelzkopf alleine haben wir unter einfachen Bedingungen Schmelzgeschwindigkeiten von circa 0,8 Meter pro Stunde erreicht. Wegen der großen Länge des IceShuttles wird außerdem noch eine Beheizung der Seitenflächen benötigt, die zurzeit noch nicht implementiert ist.

Würde man die Ergebnisse des jetzigen Schmelzkopf zu Grunde legen, würde das IceShuttle für einen Kilometer rund 52 Tage benötigen. Bei einer detailierteren Auseinandersetzung mit der Fortbewegung des IceShuttle könnte man aber sicher auch deutlich bessere Ergebnisse erzielen.

RN: Wie würde die Orientierung auf Europa erfolgen?

M. Wirtz: Die Navigation ist für unser autonomes Unterwasserfahrzeug von größter Wichtigkeit. Das Fahrzeug muss unter allen Umständen in der Lage sein zurück zur Basisstation, dem IceSchuttle, zu finden, bevor die Energie des Akkus zur Neige geht. Dabei ist die Navigation in der Wassersäule, in der es keine festen Referenzpunkte und möglicherweise Strömung gibt, generell eine schwierige Aufgabe.

Für die Navigation werden im Falle unseres AUVs eine Vielzahl akustischer Sensoren verwendet, die z.B. per Koppelnavigation die Position des Fahrzeugs schätzen. Dazu werden unter anderem kleine akustische Navigationsbarken in Form von Microglidern ausgebracht, die sich in einem möglichst großem Abstand von der Basisstation (dem IceShuttle) unter dem Eis verankern und dann als Referenzpunkte zur Korrektur der Koppelnavigation verwendet werden.

Neben den akustischen Sensoren verfügt das AUV außerdem über weitere Systeme für die Navigation. Beispielsweise gibt es ein Stereokamerasystem, das mittels visueller Odometrie zur Schätzung von Position und Orientierung die Navigation am Meeresboden verbessert.

RN: Warum ist eine gute Unterwassernavigation so wichtig?

M. Wirtz: Es ist wie bereits geschildert von äußerster Wichtigkeit, dass das AUV immer in der Lage ist, sicher zurück zu Basisstation (dem IceShuttle) zu finden. Da es sich um ein kabelloses, voll autonomes Fahrzeug handeln muss, das über einen Akku als Energiequelle verfügt und darüber hinaus eine nennenswerte Funkkommunikation zur Basisstation durch das Wasser nicht möglich ist, ist das sichere Zurückfinden zum Ausgangsort entscheidend für den Erfolg der gesamten Mission.

Gelingt es dem AUV nicht, die Basisstation zu erreichen, bevor die Energie des Akkus verbraucht ist, sind Fahrzeug, durch den fehlenden breitbandigen Kommunikationskanal unter Wasser alle errungenen wissenschaftlichen Daten, sowie das Bildmaterial verloren – und die Mission wäre gescheitert.

RN: Von Raumfahrzeugen kennen wir sogenannte Safemodes, die im Fehlerfall mit einem Rückfall auf ein ganz grundlegendes Betriebsregime sicherstellen sollen, dass es auf jeden Fall eine Möglichkeit gibt, den vorgesehenen Regelbetrieb wieder aufzunehmen. Wenn etwas nicht funktioniert: Wie gehen AUV und IceShuttle damit um?

M. Wirtz: Im Rahmen des Projekts arbeiten wir auch an einer Selbstüberwachung des AUVs. Eine spezielle Recheneinheit, das „System-Management-Board“, überwacht dabei die Ein- und Ausgaben der wichtigsten Aktoren und Sensoren und überprüft deren Plausibilität.

In Zukunft sollen so Fehlfunktionen früh erkannt und auf diese automatisch reagiert werden. Wir sind hierbei allerdings noch ganz am Anfang unserer Arbeit und wollen diese in einem Folgeprojekt weiter vertiefen. Die angesprochene Recheneinheit dient außerdem beim Abtauchen zum Meeresgrund dazu, überflüssige Sensoren und Recheneinheiten abzuschalten und das Fahrzeug so mit einem minimalen Energieverbrauch betreiben zu können.

RN: Wie haben Sie das Szenario für den Mond Europa auf der Erde nachgestellt?

M. Wirtz: Im Rahmen einer Abschlusspräsentation zum Ende des Projekts wurde die grundlegende Idee des Missionskonzept in unserem großen Experimentalbecken in abstrahierter Form nachgestellt und demonstriert.

RN: Wo wurden die autonomen Fahrzeuge schon ausprobiert? Sind Sie zufrieden mit den erzielten Ergebnissen?

M. Wirtz: Tests wurden bisher vorwiegend in unserern umfangreichen Laboreinrichtungen wie z.B. unserem großen Salzwasserbecken (23 m x 19 m x 7,8 m) durchgeführt. Außerdem gab es bereits vereinzelte Ausfahrten zu einem nahe gelegenen See. Auch wenn es natürlich noch eine ganze Reihe von Verbesserungsansätzen insbesondere in Bezug auf die Systemverfügbarkeit gibt, sind wir sehr stolz darauf, dass wir innerhalb der Projektlaufzeit eine vollautonome Mission realisieren konnten.

RN: Gibt es weitere Orte, an denen man AUV und IceShuttle testen möchte?

M. Wirtz: Als nächsten Schritt würden wir mit unseren Systemen natürlich gerne aus dem Labor in eine Umgebung wechseln die etwas realere Bedingungen abbildet. Hier wäre sicherlich ein erster Schritt der Test in einem Binnengewässer in Skandinavien im Winter. Darüber hinaus würden wir natürlich auch gerne an Expeditionen in Polarregionen teilnehmen und uns hier Schritt für Schritt an immer größere Herausforderungen heran tasten.

RN: Könnte man mit Hilfe der Fahrzeuge des DFKI auch auf der Erde Formen von Leben finden, von denen man jetzt noch nichts weiß?

M. Wirtz: Wir beschäftigen uns wie ja bereits beschrieben vorwiegend mit den Technologien, die anderen Wissenschaftlern ermöglichen sollen zu außergewöhnlichen Orten zu gelangen, zu denen sonst kein Zugang besteht, nicht aber direkt mit der Suche nach Leben selber. Daher hängt diese Frage natürlich auch ein wenig von der wissenschaftlichen Nutzlast der Kollegen ab.

Generell würden wir uns aber als Fernziel, wenn unsere Fahrzeuge noch etwas erwachsener geworden sind, wünschen, abgeschnittene Orte wie die subglazialen Seen in der Antarktis, z.B. den Wostoksee, zu erkunden. In subglazialen Seen erhofft man sich von der Außenwelt abgeschlossene Ökosysteme und dort würde vielleicht eine Chance bestehen, eine noch unbekannte Tier- oder Pflanzenart zu entdecken.

RN: Was könnten AUV und IceShuttle oder Nachfolger auf der Erde sonst leisten?

M. Wirtz: Zunächst können die Fortschritte, die beim AUV in Bezug auf Navigation und Autonomie errungen werden, zu Gunsten von autonomen Unterwasserfahrzeugen generell verwendet werden. Das betrifft sowohl industrielle z.B. Offshoreinspektionsaufgben, sowie die Verbesserung autonomer Systeme als wissenschaftliche Plattform z.B. für ozeanographische Anwendungen.

Die Kombination beider Systeme (AUV und IceShuttle) könnte besonderes für die Erforschung von Polarregionen hilfreich sein. Eine ganz besondere Anwendung wäre, wie bereits erwähnt, die Erforschung subglazialer Seen in der Antarktis, wie z.B. dem Wostoksee. Diese im Eis eingeschlossenen Wasserblasen stellen außerdem die beste, auf der Erde verfügbare Analogumgebung für die Vorbereitung einer Mission zum Jupitermond Europa dar.

RN: Gibt oder gab es eine in Planung befindliche Raumfahrtmission, für die das DFKI mit AUV und IceShuttle maßgebliche Vorarbeit geleistet hat?

M. Wirtz: Derzeit gab es eine solche Kooperation noch nicht.

RN: AUV und IceShuttle wurden auf der ILA in Berlin präsentiert. Wie ist das Projekt vom Fachpublikum aufgenommen worden?

M. Wirtz: Ich denke das Thema stößt auf Grund der ungewöhnlichen Randbedingungen generell auf großes Interesse, so auch auf der ILA.

RN: Vielen Dank für dieses Interview Herr Wirtz.

DFKI-Europa-Explorer-Videos bei YouTube:

• Mission Scenario
• AUV Leng Fully Autonomous Mission

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