Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 3. Juli 2024.

3. Juli 2024 – Herzstück des neuen Lagereglers ist eine Künstliche Intelligenz, die am Boden trainiert wird und später in der Erdumlaufbahn eigenständig Lageänderungen des Satelliten vornehmen kann. Entwickelt wird sie an zwei Informatik-Lehrstühlen der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) mithilfe eines Verfahrens namens Deep Reinforcement Learning.

„Dabei lassen wir unsere Künstliche Intelligenz mit einem Simulator interagieren, der einen Satelliten im Orbit imitiert“, erklärt Kirill Djebko, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz und Wissenssysteme (Lehrstuhlinhaber: Frank Puppe) und einer der beiden Teamleiter. „Die KI gibt diesem virtuellen Satelliten immer wieder neue Steuersignale und lernt nach der Trial-and-Error-Methode aus dem Ergebnis. Das geschieht so lange, bis sie verschiedene Einsatzszenarien eigenständig fehlerfrei umsetzen kann“, ergänzt Sergio Montenegro, Leiter des Lehrstuhls für Luft- und Raumfahrtinformationstechnik, ebenfalls Teamleiter.

Neue Maßstäbe für die Entwicklung von Satellitensteuerungen
Eine KI-basierte Lageregelung nach Würzburger Vorbild könnte die Entwicklungszeit solcher Systeme künftig deutlich verkürzen und die Luft- und Raumfahrttechnik dadurch bedeutend voranbringen. „Um einen Lageregler zu produzieren, braucht es momentan noch umfangreiche Tests und Anpassungsschleifen, die viel Zeit und personelle Ressourcen in Anspruch nehmen“, weiß Djebko. „Mithilfe eines selbstlernenden Algorithmus ließe sich dieser Aufwand minimieren.“

Und noch einen weiteren Vorteil hat die Würzburger Technologie: „Manchmal müssen Lageregler für Satelliten im Orbit nachträglich kalibriert werden, weil sich die erwarteten Rahmenbedingungen von den tatsächlichen unterscheiden oder sich physikalische Parameter ändern“, sagt Montenegro. „Bei herkömmlichen Reglern ist das insbesondere durch den erwähnten Kalibrierungsprozess sehr umständlich – unsere KI könnte auch dies beschleunigen.“

Dass KI-basierte Lageregler dazu fähig sind, selbstständig mit derartigen Anpassungen umzugehen, das haben die Forschenden bereits gezeigt: Im Rahmen des Projekts „VeriKI“ zwischen der Universität Würzburg, dem Forschungszentrum Informatik (FZI) aus Karlsruhe und Gerlich System and Software Engineering (GSSE) entwickelten die Würzburger Informatiklehrstühle 2023 bereits einen simplen KI-basierten Lageregler, der mit Variationen der Trägheitsmomente eines Satelliten umgehen konnte und evaluierten diesen simulativ. Jetzt soll ein KI-basierter Lageregler im Orbit an Bord eines echten Satelliten erprobt werden.

Bewährungsprobe in 500 km Höhe
Getestet wird der am Boden trainierte KI-Agent erstmals 2025 – und zwar direkt in der Erdumlaufbahn an einem Kleinsatelliten namens InnoCube, der von der Universität Würzburg in Kooperation mit der TU Berlin entwickelt wurde und im Oktober 2024 starten soll. Er dient als Plattform für wissenschaftliche Experimente sowie für technologische Demonstrationen im All und wird den KI-Agenten beherbergen, sobald er seine Primärziele abgeschlossen hat.

Startschuss für das Projekt LeLaR (kurz für: In-Orbit Demonstrator Lernende Lageregelung) war der 1. Juli 2024. Gefördert wird es mit rund 430.000 Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags. Projektträger ist die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR).

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Quelle: DLR Projektträger 9. März 2023.

Die Folgen des Klimawandels werden immer dramatischer. Bereits 2015 hatte die Weltgemeinschaft mit dem Pariser Abkommen beschlossen, die globale Erwärmung auf möglichst 1,5 Grad zu begrenzen. Schon damals war klar, dass die Maßnahmen zum Klimaschutz deutlich verstärkt werden müssen, um die vereinbarten Klimaziele zu erreichen. Deshalb wurde in das Pariser Klimaabkommen ein Ambitionsmechanismus eingebaut: Eine „Globale Bestandsaufnahme“ (Global Stocktake) überprüft alle fünf Jahre den Fortschritt bei der Zielerreichung. Daraufhin verstärken die Länder ihre Bemühungen entsprechend.

Erste „Globale Bestandsaufnahme“ läuft bis Ende 2023
Die erste Bestandsaufnahme begann im Sommer 2021 und endet bei der Weltklimakonferenz Ende 2023 in Dubai (COP28). Expertinnen und Experten diskutieren bei Fachdialogen über den Fortschritt: Wo stehen wir beim Klimawandel, welche Risiken birgt weitere Erwärmung? Welche Möglichkeiten gibt es, die Klimaziele zu erreichen? Wie können Barrieren überwunden werden? Wie können besonders verwundbare Länder besser unterstützt werden? Wie sieht gerechter Wandel aus?

Im Sommer 2023 beginnt die politische Phase der „Globalen Bestandsaufnahme“, bei der die Erkenntnisse aus den Fachdialogen von den Regierungen der Mitgliedsstaaten bewertet werden. Von der COP28 werden Entscheidungen erwartet, die ein größeres Engagement für die Ziele des Pariser Abkommens bewirken und dazu führen, dass die Vertragsstaaten ihre Klimaschutzanstrengungen verstärken.

DLR Projektträger leitet das EU-Verhandlungsteam
Dr. Christiane Textor, Leiterin der Deutschen IPCC-Koordinierungsstelle im DLR Projektträger, steuert gemeinsam mit einem niederländischen Kollegen im Auftrag des Auswärtigen Amtes das EU-Verhandlungsteam, das sich mit der „Globalen Bestandsaufnahme“ beschäftigt. Sie koordiniert die EU-internen Überlegungen darüber, wie diese gestaltet werden kann, damit sie eine möglichst große Wirkung entfaltet und das Pariser Klimaabkommen erfolgreich umgesetzt wird.

Das Forschungsprojekt „Technische und politische Begleitung der ersten Globalen Bestandsaufnahme“ unterstützt das EU-Verhandlungsteam wissenschaftlich. Es wird im Auftrag des Umweltbundesamtes vom Oeko-Institut, NewClimate Institute, Wuppertal Institut und DLR Projektträger durchgeführt. Als Expertin für Klimawandel bringt Dr. Christiane Textor hier ihre Erfahrungen aus den aktuellen Klimaverhandlungen ein, um zu gewährleisten, dass die Ergebnisse der Forschung unmittelbar für das EU-Verhandlungsteam nutzbar sind.

Auf Basis wissenschaftlicher Literatur und schriftlicher Stellungnahmen der Länder, die beim Klimasekretariat eingereicht wurden, haben die Forscherinnen und Forscher ein Diskussionspapier erstellt, an dem Dr. Christiane Textor als Co-Autorin mitgearbeitet hat. Darin wurden Möglichkeiten erarbeitet, wie sich die politische Phase strukturieren und die Ergebnisse der „Globalen Bestandsaufnahme“ darstellen lassen.

Weiterführende Links
Deutsche IPCC-Koordinierungsstelle https://www.de-ipcc.de/209.php
UBA-Forschungsprojekt „Technische und politische Begleitung der ersten Globalen Bestandsaufnahme“ https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/internationale-eu-klimapolitik/uebereinkommen-von-paris/begleitung-der-ersten-globalen-bestandsaufnahme
Globale Bestandsaufnahme (englisch) https://unfccc.int/topics/global-stocktake
Diskussionspapier „Options for the political phase of the Global Stocktake“ (englisch) https://www.umweltbundesamt.de/en/publikationen/options-for-the-political-phase-of-the-global
Aktuelle Berichte des IPCC auf Deutsch https://www.de-ipcc.de/270.php#Sechster%20Berichtszyklus

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