Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 10. September 2024.

10. September 2024 – Über den Mars erstreckt sich ein gewaltiges Tal: Das Valles Marineris ist 3.000 Kilometer lang, 600 Kilometer breit und im Durchschnitt acht Kilometer tief. Sein lateinischer Name geht auf den Mars-Orbiter „Mariner“ zurück, der das Tal Anfang der 1970er-Jahre entdeckte.

Seit 2012 erhält dieser größte bekannte Canyon im Sonnensystem die besondere Aufmerksamkeit der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). In der VaMEx-Initiative sollen Schlüsseltechnologien zur robotischen Erkundung dieses schwierigen Geländes im Schwarm entwickelt werden: Der VaMEx – Valles Marineris Explorer besteht aus fahrenden, laufenden und fliegenden Drohnen, die ein komplexes Gesamtsystem bilden.

Die VaMEx-Initiative der Raumfahrtagentur verfolgt das Ziel, erstmals die Schluchten und Höhlen des Canyons zu erforschen. Dabei wird auch nach Spuren von flüssigem Wasser und somit eventuell nach Leben gesucht, das dort in geschützten Nischen existieren könnte. Dafür will das DLR einen Schwarm autonomer, untereinander vernetzter Roboter auf den Mars bringen: Sie sollen auf dem Boden, in der Luft und in Höhlen agieren und dort Bilder und andere Daten sammeln.

Höhlen als besonders interessante Zielorte
Höhlen dürfte es in dem stark zerklüfteten Tal einige geben. Selbst in der scheinbar eintönigen Landschaft des Mondes haben Forschende aus Italien und den USA vor kurzem den Eingang zu einer großen Höhle entdeckt.

Höhlen sind nicht nur interessant als Standorte für Mond- oder Marsbasen. Sie bieten Schutz vor der kosmischen Strahlung, gemäßigtere Temperaturen und damit auch ein gutes Umfeld für den Erhalt von Leben, das bereits vor Milliarden Jahren entstanden sein könnte, als auf dem Mars noch viel günstigere Bedingungen herrschten.

An der Erforschung des Valles Marineris beteiligt sich neben dem Lehrstuhl Informationstechnik für Luft- und Raumfahrt der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg nun auch ein Team der JMU-Professur für Raumfahrttechnik. Dessen Aufgabe ist es, ein Kommunikationskonzept für den Roboterschwarm zu entwickeln. In der aktuell laufenden dritten Entwicklungsphase von VaMEx fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR das Teilprojekt an der JMU mit rund 1,5 Millionen Euro.

Wie der Roboterschwarm zusammengesetzt ist
„Wir haben unserem Teilprojekt den Namen „VaMEx3-MarsSymphony“ gegeben, weil es darum geht, die einzelnen Elemente des Roboterschwarms wie ein Orchester harmonisch zusammenspielen zu lassen“, sagt Projektleiter Professor Hakan Kayal. Zum Schwarm gehören in der aktuell laufenden Entwicklungsphase mobile Roboter in der Luft und zu Land, ein stationäres Gateway am Boden, das als Kommandozentrale für die Kommunikation dient, und ein Satellitensimulator für den Datenaustausch mit der Erde.

Wenn die Roboter am Boden in Höhlen vordringen, sind sie von der Marsoberfläche abgeschirmt und können nicht direkt mit dem Gateway kommunizieren. Zum Konzept gehören darum auch Repeater-Stationen, welche die aufgenommenen Bilder und Daten in einer Transportkette weiterreichen – vom Roboter in der Höhle bis zum Gateway an der Oberfläche des Planeten.

Technologie aus Würzburg: Autorotationskörper
Teil des Schwarms sind außerdem sogenannte Autorotationskörper: Sie werden aus der Luft abgeworfen und sammeln Daten, während sie sanft zu Boden gleiten. Letzteres schaffen sie dank ihres speziellen Designs: Die länglichen Körper sind wie Ahornsamen gebaut. Sie haben einen Flügel und drehen sich um ihre eigene Achse, was sie sachte abwärts trudeln lässt. Ihr Flugweg ist steuerbar, so dass man sie gezielt über eine größere Fläche verteilen und sie dann als Sensor-, Repeater- und Navigations-Netzwerke nutzen kann.

Über den Einsatz der Autorotationskörper freut sich MarsSymphony-Projektmanager Clemens Riegler ganz besonders: Er hat die Fallkörper noch als Student mitentwickelt – ab 2016 im Rexus-Bexus-Programm der DLR-Raumfahrtagentur und in der Würzburger Hochschulgruppe WüSpace e.V., die Studierenden die Mitarbeit an Projekten der Luft- und Raumfahrt ermöglicht.

In seiner Doktorarbeit entwickelt Riegler die Flugkörper weiter: „Es ist sehr schön zu sehen, dass das DLR diese Arbeit würdigt und sie jetzt Teil eines Projekts zur Erkundung des Mars geworden ist!“

Ins Gateway wird eine Himmelskamera integriert
Das robotische Mars-Orchester hat eine weitere einzigartige Besonderheit: Das stationäre Gateway wird mit einer Kamera ausgestattet, die den Himmel des Mars im Blick behält. „Alle bisherigen Mars-Missionen haben sich auf die Oberfläche des Planeten konzentriert, wir wollen erstmals auch nach oben schauen“, sagt Hakan Kayal. Und dort dürfte es einiges zu beobachten geben: Wolkenbildung, Eintritte von Meteoren oder Blitze und andere kurzzeitige Leuchtphänomene.

Meteoriten von der Größe eines Basketballs scheinen auf dem Mars fast täglich einzuschlagen: Das hat ein internationales Forschungsteam im Juni 2024 aus seismischen Daten geschlossen. „Wir könnten das mit Daten weiter untermauern, wenn wir mit unserer UAP-Kamera den Eintritt von Meteoriten filmen und diese Ereignisse mit den seismischen Signalen korrelieren“, sagt Hakan Kayal.

Die Abkürzung UAP steht für „Unidentified Anomalous Phenomena“ (unidentifizierte anomale Phänomene). Der Name der Kamera leitet sich von ihrer Fähigkeit ab, mittels Künstlicher Intelligenz gezielt unbekannte Himmelsphänomene aufzuspüren, wie sie auch auf der Erde beobachtet werden. Die Integration eines Kamerasystems zur Himmelsbeobachtung auf dem Gateway stellt einen wesentlichen Entwicklungsschritt hin zu einem Detektionssystem für Kurzzeitphänomene in der Marsatmosphäre sowie zur Erforschung von UAPs dar. Mit MarsSymphony wird die UAP-Forschung erstmalig mit Bundesmitteln gefördert. Die neuartige Himmelsbeobachtungskamera könnte in Zukunft auch auf dem Mars UAPs detektieren.

Kommunikation zwischen Gateway und Relay-Satellit als Herausforderung
Die Kommunikation zwischen den beschriebenen Elementen und dem Raumsegment ist bei der Übertragung der gewonnenen wissenschaftlichen Daten eine zentrale Herausforderung. Das gilt aufgrund knapper Ressourcen insbesondere für die Kommunikation zwischen dem Gateway auf der Marsoberfläche und den Relay-Satelliten im Orbit.

Aktuelle Lander nutzen hierbei bisher das S- oder X-Band. Zur Erhöhung der Datenrate des Übertragungskanals ist jedoch der Wechsel von dem X-Band in das Ka-Band ein entscheidender Schritt. Der Berliner Projektpartner IQ Technologies for Earth and Space GmbH wird darum auf Basis seines flugerprobten XLink-Systems einen Ka-Band-fähigen Transceiver für den Einsatz auf Landern und interplanetaren Kleinsatelliten entwickeln. Im Projekt sollen, neben Transceiver-Hardware für interplanetare Systeme, auch angepasste und flexible Übertragungsprotokolle entwickelt werden.

Systemtest 2025 bei Analogmission auf der Erde
Ob der Roboterschwarm wie geplant funktioniert, soll im Laufe des Jahres 2025 bei einer sogenannten Analogmission getestet werden: Dabei werden die Beteiligten die Mars-Mission auf der Erde simulieren, voraussichtlich in einem Steinbruch in Deutschland. Bei dieser Simulation spielt die Würzburger UAP-Kamera ebenfalls eine wichtige Rolle: Ihre Videoaufnahmen vom Himmel liefern ausreichend große Datenvolumina, um die Belastbarkeit des Kommunikationssystems zu testen.

Läuft die Analogmission gut, was wäre dann der nächste Schritt? „In einem möglichen Nachfolgeprojekt müsste die Hardware für einen Einsatz auf dem Mars angepasst werden“, erklärt Hakan Kayal. Denn dort herrschen harsche Bedingungen: Die Atmosphäre ist dünn, die Durchschnittstemperatur liegt bei minus 63 Grad Celsius und regelmäßig fegen große Staubstürme über den roten Planeten.

Förderung und weitere Fakten
Das Würzburger VaMEx-3-Teilprojekt „Demonstration einer vollständigen Funkstrecke für die Satellitenkommunikation mit non-Line-of-Sight Rovern zur Exploration des Valles Marineris“ wird unter dem Förderkennzeichen 50RK2451A von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.

Das Projekt ist am Interdisziplinären Forschungszentrum für Extraterrestrik (IFEX) der Universität Würzburg angesiedelt. Neben Projektleiter Professor Hakan Kayal und Projektmanager Clemens Riegler wirken vier weitere Mitarbeitende und drei studentische Hilfskräfte im Teilvorhaben VaMEx3-MarsSymphony mit. Offizieller Start des auf zwei Jahre angelegten Projekts war am 1. August 2024; das Kickoff-Meeting fand am 5. September 2024 bei der DLR-Raumfahrtagentur in Bonn statt.

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• Zukünftige Mars-Erforschung

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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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• KI und Raumfahrt

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 13. Mai 2024.

13. Mai 2024 – Im April präsentierte die ESA im Astronautentrainingszentrum bei Köln ihre nächste Astronautengeneration: Sechs neue Absolventinnen und Absolventen der Grundausbildung zum Astronauten wurden vorgestellt. Darunter ist auch Katherine Bennell-Pegg. Die Australierin studierte im Wintersemester 2008/09 an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg den europäischen Master in Space Science and Technology, kurz SpaceMaster. Für den Ausbildungsplatz zur Astronautin wurde sie aus etwa 22.500 Bewerbungen ausgewählt. Einer ihrer ersten offiziellen Termine war am 27. April im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln die 52. Jahrestagung des Internationalen Förderkreises für Raumfahrt (IfR).

Vielseitige Grundausbildung
In der einjährigen Grundausbildung standen für Bennell-Pegg und ihre Kolleginnen und Kollegen neben wissenschaftlichen Grundlagen, etwa Biologie und Labortechnik, auch der Umgang mit der Schwerelosigkeit sowie Sicherheits- und Überlebenstrainings auf dem Lehrplan.

Geleitet wurde die Gruppe vom bekannten deutschen Astronauten Alexander Gerst. Auf die Grundausbildung folgt nun ein Missionstraining. Hier verschiebt sich der Fokus auf die konkreten Herausforderungen, die im Weltraum warten. Zum Beispiel die geplanten wissenschaftlichen Experimente auf der Raumstation ISS oder auch das Arbeiten im Raumanzug.

„Überrascht und stolz“
Professor Klaus Schilling – an der JMU bis 2022 Lehrstuhlinhaber für Informatik VII, und treibende Kraft hinter dem SpaceMaster-Studiengang – war bei der Feier in Köln anwesend: „Natürlich ist man überrascht und auch stolz, wenn jemand dann plötzlich oben am Podium steht und sich sehr positiv an die Studienzeit in Würzburg erinnert! Dass aus all den Bewerbungen, die über verschiedene Auswahlstufen weiter ausgedünnt werden, bei den letzten verbliebenen sechs eine ehemalige SpaceMaster-Studentin aus Würzburg mit dabei sein wird, war wirklich nicht zu erwarten!“

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• ESA

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 8. Mai 2024.

8. Mai 2024 – Der Autor eines Katastrophenromans hätte es sich nicht schöner ausdenken können: Ausgerechnet an einem Freitag, dem Dreizehnten, wird der potenziell gefährliche Asteroid (99942) Apophis der Menschheit extrem nahekommen. Nur noch rund 30.000 Kilometer liegen am 13. April 2029 zwischen dem kosmischen Gesteinsbrocken und der Erde. Man wird Apophis dann auch von Würzburg aus mit bloßem Auge als Lichtpunkt am Abendhimmel sehen können.

Der Asteroid hat einen mittleren Durchmesser von 340 Metern. Zumindest in den nächsten 100 Jahren wird er die Erde verschonen, wie die NASA berechnet hat. Seit der Asteroid 2004 entdeckt und als gefährlich eingestuft wurde, haben die US-amerikanische und andere Weltraumorganisationen seine Bahn genau im Blick und wissen mittlerweile, dass er an der Erde vorbeifliegen wird, erklärt Jonathan Männel, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Raumfahrttechnik der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Apophis bietet der Forschung eine seltene Gelegenheit
Asteroiden sind unregelmäßig geformte Objekte, die sich auf Umlaufbahnen um die Sonne bewegen. Bislang sind an die 1,3 Millionen Asteroiden in unserem Sonnensystem bekannt, etwa 2500 gelten als potenziell gefährlich – weil sich ihre Umlaufbahnen der Erdbahn auf weniger als circa 20 Mondentfernungen annähern und ihr Durchmesser größer als 140 Meter ist. Die Wissenschaft weiß nicht besonders viel über Asteroiden: Bisher gab es nur gut 20 Satellitenmissionen, die diese Himmelskörper als Ziel hatten.

Wie sind Asteroiden aufgebaut? Was beeinflusst ihre Flugbahn? Was passiert mit ihnen, wenn sie nah an anderen Objekten vorbeifliegen und deren Gravitationskraft zu spüren bekommen? Viele Fragen sind zu klären. Weil nur etwa alle 1000 Jahre ein Asteroid dieser Größe der Erde so nah kommt, ergibt sich die seltene Gelegenheit, den Asteroiden mit relativ geringem Aufwand zu untersuchen. Dabei könnte die Menschheit auch Erkenntnisse gewinnen, mit deren Hilfe sich Abwehrmaßnahmen gegen gefährliche Asteroiden entwickeln lassen.

Drei Konzepte werden unter die Lupe genommen
Welchen Beitrag könnte Deutschland zur Erforschung von Apophis leisten? Dieser Frage geht ein JMU-Team um den Raumfahrttechniker Professor Hakan Kayal im Projekt NEAlight nach.

Mit rund 300.000 Euro Förderung vom Bundeswirtschaftsministerium untersuchen derzeit Projektleiter Jonathan Männel und die wissenschaftlichen Mitarbeiter Tobias Neumann und Clemens Riegler drei Konzepte für deutsche Kleinsatellitenmissionen. Alle drei basieren auf den Ergebnissen des SATEX-Projekts aus dem Jahr 2023, in dem das Würzburger Team das Potenzial von Kleinsatelliten für interplanetare Missionen analysiert hat.

Konzept Nummer eins: Für eine nationale Mission baut Kayals Team einen Kleinsatelliten, der den Asteroiden Apophis zwei Monate lang auf seinem Weg zum erdnächsten Punkt begleitet und auch einige Wochen danach an ihm dranbleibt. In dieser Zeit sollen die Veränderungen von Apophis fotografisch dokumentiert und mit verschiedenen Messungen untersucht werden. Diese Strategie hält einige technische Herausforderungen bereit, weil der Kleinsatellit eine weite Distanz zurücklegen und dabei weitgehend autonom funktionieren muss.

Konzept Nummer zwei: Deutschland beteiligt sich an der geplanten europäischen RAMSES-Mission. Diese sieht einen größeren Satelliten vor, bestückt mit Kleinsatelliten, Teleskopen und anderen Messinstrumenten, der zu Apophis fliegt und ihn beim Vorbeiflug an der Erde über längere Zeit begleitet. Einer der Kleinsatelliten könnte aus Würzburg sein und den Asteroiden im Verbund mit den anderen Satelliten erforschen. Für das JMU-Team wäre hier der technische Aufwand kleiner und der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn größer. Ob die RAMSES-Mission letzten Endes realisiert wird, hängt auch von der Bereitschaft der europäischen ESA-Partner ab, das Projekt mitzufinanzieren.

Konzept Nummer drei: Ein an der JMU gebauter Kleinsatellit fliegt einmal kurz am Asteroiden vorbei, wenn dieser der Erde am nächsten ist, und macht Fotos. Auf diese Weise ließe sich demonstrieren, dass eine solche Mission auch mit preisgünstigen Kleinsatelliten möglich ist. Der Aufwand wäre relativ klein, die Beobachtungszeit aber kurz und der Erkenntnisgewinn vermutlich eher gering. Diese Mission könnte wenige Tage vor dem Eintreffen von Apophis beginnen – bei den ersten beiden Konzepten müsste der Satellit schon ein Jahr zuvor starten.

Ausarbeitung der Szenarien bis April 2025
Im Projekt NEAlight wird Kayals Team die Anforderungen an diese drei Missionsszenarien detailliert ausarbeiten, die grundlegenden Missionsarchitekturen definieren und die Realisierungsmöglichkeiten bewerten. Weiterhin wird es anhand der drei Konzepte Realisierungsmöglichkeiten für zukünftige interplanetare Kleinsatelliten betrachten, die beispielsweise zum Mond oder zu anderen erdnahen Asteroiden (NEA) fliegen.

Das Projekt ist Anfang Mai 2024 gestartet und läuft ein Jahr. Es wird im Interdisziplinären Forschungszentrum für Extraterrestrik (IFEX) an der Professur für Raumfahrttechnik durchgeführt.

Das Projekt „Untersuchung von Kleinsatellitenmissionsideen zu Near Earth Astroids (NEA) mit Fokus auf (99942) Apophis“ (NEAlight) wird mit rund 306.000 Euro vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags unter dem Förderkennzeichen 50OO2413 gefördert.

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• Asteroid 2004 MN4 – APOPHIS

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 5. März 2024.

5. März 2024 – Nach über zwei Jahren Entwicklungszeit hat der Nanosatellit SONATE-2 der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in der Nacht auf den 5. März eine große Hürde genommen: An Bord einer SpaceX-Rakete hat er pünktlich um 23.05 Uhr (MEZ) von der Westküste der USA aus seine Reise in den Orbit angetreten. Designt und gebaut wurde der Satellit von einem Team um den Raumfahrttechniker Professor Hakan Kayal.

Bei SONATE-2 handelt es sich um ein sogenanntes 6U+ Cubesat-Modell. Es ist etwa so groß wie ein Schuhkarton und hat eine Masse von rund zwölf Kilogramm. Mit SONATE-2 wollen Kayal und sein Team zum ersten Mal das Training eines KI-Systems im Weltraum an Bord eines Kleinsatelliten demonstrieren und testen. Mit Hilfe dieser Technik könnten in Zukunft beispielsweise interplanetare Kleinsatelliten-Missionen interessante Objekte oder Phänomene auf Körpern des Sonnensystems, wie etwa Asteroiden, autonom entdecken. Der Satellit wird vom Missionskontrollzentrum der JMU Würzburg und dem damit verbundenen Bodenstationsnetzwerk gesteuert.

Anerkennung vom Wissenschaftsminister
Erfreut über den erfolgreichen Start zeigte sich auch Bayerns Wissenschaftsminister Markus Blume: „Next Mission accomplished – Bayern zieht neue Spuren im Weltraum: Mit dem Blick in die Ferne lernen wir auch unsere Erde besser kennen. Luft- und Raumfahrtforschung ist zentral für neue Erkenntnisse zu Schlüsseltechnologien und ein echter Innovationstreiber. Die Julius-Maximilians-Universität bringt nun zur Erforschung neuer KI-Hard- und Software einen neuen bayerischen Universitätssatelliten ins All. Das Besondere: Die KI wird direkt an Bord trainiert und das Kontrollzentrum für den Satelliten befindet sich mitten auf dem Campus am Hubland – Würzburg wird damit zum Houston am Main.“

Das Vorhaben SONATE-2 wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags finanziert (FKZ 50RU2100).

Mehr Informationen gibt es auf der Webseite SONATE-2.

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• Transporter-10 auf Falcon 9

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 25. Januar 2024.

25. Januar 2024 – Ein neues Teleskop ist seit Januar 2024 auf dem Hubland-Campus der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Betrieb. Ein studentisches Team entwickelt damit KI-Algorithmen für Kleinsatelliten, um Kollisionen mit Weltraumschrott im Orbit effizienter als bislang zu verhindern. Das Fernziel: Die Satelliten sollen mittels einer intelligenten optischen Sensorik drohende Kollisionen selbstständig erkennen und ihnen autonom ausweichen können. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Projekt namens KI-SENS mit gut 500.000 Euro.

Wodurch sich das neue Teleskop auszeichnet
Das Teleskop steht auf dem Dach des Geographiegebäudes am Hubland-Campus. „Es ist dazu in der Lage, der Flugbahn auch kleinerer Objekte besonders schnell und präzise zu folgen“, erklärt Hakan Kayal, JMU-Professor für Raumfahrttechnik. Darum lasse sich die Kuppel auch komplett öffnen – bei langsameren Teleskopen ist sie immer nur einen Schlitz breit offen und dreht sich komplett mit.

Die Fernsteuerung für das Teleskop befindet sich an zwei Orten auf dem Campus: Zum einen im Missionskontrollzentrum von Hakan Kayals Professur, wo auch weitere Teleskope und Satellitenmissionen gesteuert werden. Zum anderen in den Räumen des studentischen Vereins WüSpace e.V. Darin sind Würzburger Studierende der Luft- und Raumfahrtinformatik organisiert; 20 von ihnen arbeiten am Projekt KI-SENS mit.

Transfer vom Teleskop auf einen Satelliten
Was die Studierenden mit dem neuen Teleskop machen? Sie bringen ihm auf Basis von KI-Algorithmen bei, kleine bewegliche Objekte am Himmel zu erkennen und deren Flugbahn vorauszuberechnen, so dass es die Objekte verfolgen kann. „Wir ziehen dafür eine konventionelle Objektdetektion auf und parallel eine zweite, die auf KI basiert“, erklärt Masterstudent Maximilian Reigl.

Die Algorithmen werden dann auf einen Satellitensensor übertragen. Am Ende soll ein Sensor-Prototyp gebaut sein und in einem Testlabor geprüft werden. Der Plan ist, diese Arbeiten bis Ende 2024 abzuschließen. „Wenn wir beweisen, dass der KI-Sensor mit hoher Wahrscheinlichkeit auch im Orbit funktionieren wird, wäre der nächste Schritt ein echter Weltraumtest“, so der Student der Luft- und Raumfahrtinformatik.

Ausweichmanöver bislang manuell gesteuert
Falls alles klappt, könnte am Ende eine Innovation aus Würzburg stehen, die mehr Sicherheit für Satelliten und die bemannte Raumfahrt bedeutet. Denn das Risiko für Kollisionen mit Weltraumschrott ist hoch und wächst stetig weiter, wie die Europäische Raumfahrtagentur ESA in einem Bericht von 2023 bekräftigt.

„Die USA unterhalten ein großes und dichtes Beobachtungsnetz, mit dem sie täglich mögliche Kollisionen mit Weltraumschrott vorausberechnen und darauf reagieren. Die ESA baut ein solches Netz derzeit auf“, sagt Hakan Kayal. Bislang werden die nötigen Ausweichmanöver manuell von Menschen gesteuert. Im Fall der Internationalen Raumstation ISS sei das mehrmals im Jahr nötig. Die Manöver sind aufwändig, erhöhen den Treibstoffverbrauch und außerdem die Gefahr, beim Verlassen der Flugbahn mit anderen Objekten zusammenzustoßen. Ein intelligenter Sensor, der diese Manöver autonom erledigen kann, wäre ein deutlicher Fortschritt.

Nachwuchs für die Raumfahrttechnik
Das besondere an KI-SENS: Die Arbeiten am Projekt werden von im Verein WüSpace organisierten Studierenden der JMU weitgehend selbstständig vorangetrieben. Unterstützt werden sie dabei von Professor Kayal und Projektleiter Tobias Herbst. Auf diese Weise lernen die Studierenden den Ablauf eines Entwicklungsvorhabens in der Raumfahrt von A bis Z kennen.

Die verstärkte Beteiligung von Studierenden an Kleinsatelliten-Programmen ist dem Bundeswirtschaftsministerium als Geldgeber sehr wichtig, wie Hakan Kayal erklärt: „Es geht darum, im Sinne der Nachwuchsgewinnung die Attraktivität des Fachs weiter zu steigern.“

Fördergeld auch für andere Projekte
Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fördert das Vorhaben KI-SENS mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK; Förderkennzeichen 50RU2227).

KI-SENS ist an Hakan Kayals Professur nicht das einzige vom DLR geförderte Projekt, das mit Hilfe Künstlicher Intelligenz nach mehr Autonomie in der Raumfahrt strebt. Ein weiteres ist die Weltraummission SONATE-2; dieser Kleinsatellit wird voraussichtlich Anfang März 2024 mit einer Rakete von den USA aus in den Orbit geschossen.

Weitere Informationen:
Projektseite KI-SENS: https://www.informatik.uni-wuerzburg.de/raumfahrttechnik/projekte/aktive/ki-sens/
WüSpace e.V.: https://wuespace.de/

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• Weltraummüll

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 6. November 2023.

6. November 2023 – Nach über zwei Jahren Entwicklungszeit steht der Nanosatellit SONATE-2 kurz vor dem Start. Voraussichtlich im März 2024 wird er mit einer Rakete in den Orbit gebracht. Designt und gebaut wurde der Satellit von einem Team um den Raumfahrttechniker Professor Hakan Kayal von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.

Seit rund 20 Jahren entwickelt die JMU Kleinsatelliten-Missionen. SONATE-2 markiert nun einen weiteren Höhepunkt.

Der Satellit wird neuartige Hard- und Softwaretechnologien der Künstlichen Intelligenz (KI) im erdnahen Weltraum testen. Ziel ist es, damit zukünftig automatisch Anomalien auf Planeten oder Asteroiden zu erkennen. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Projekt mit 2,6 Millionen Euro.

Training der KI an Bord des Satelliten
Vergleichbare Projekte gebe es nur wenige, man könne sie an einer Hand abzählen, sagt Hakan Kayal: „Einzigartig an unserer Mission ist, dass die KI an Bord trainiert wird.“ Normalerweise passiert dieses Training aufwändig auf der Erde mit leistungsstarken Computern. Doch diese Strategie passt nicht zu den Plänen, die der JMU-Professor im Auge hat.

Kayal nennt ein Beispiel: „Nehmen wir an, ein kleiner Satellit soll zukünftig beispielsweise einen neuen Asteroiden im Sonnensystem untersuchen. Für diese Aufgabe kann er nicht am Boden trainiert werden, denn das Objekt der Untersuchung ist ja weitgehend unbekannt. Es gibt keine Trainingsdaten, so dass die Messungen und Aufnahmen vor Ort gemacht werden müssen.“

Diese Daten erst zur Erde zu schicken und die KI dann mittels Fernsteuerung zu trainieren, würde bei erdfernen Missionen sehr lange dauern. Eine durch KI unterstützte höhere Autonomie direkt an Bord wäre da leistungsfähiger. Sie würde dazu führen, dass sich interessante Objekte und Phänomene auf dem Asteroiden deutlich schneller aufspüren lassen.

SONATE-2 testet viele weitere Technologien
Ob sich solche Szenarien grundsätzlich realisieren lassen, will das Team um Kayal auf SONATE-2 mit neu entwickelten Verfahren und Methoden testen, zunächst im Erdorbit. Vier Kameras an Bord liefern die für das Training nötigen Bilder: Die KI lernt damit zunächst unter anderem herkömmliche geometrische Muster auf der Erdoberfläche kennen. Dieses Wissen hilft ihr dann dabei, selbstständig Anomalien zu finden.

Mit an Bord von SONATE-2 befinden sich weitere Kleinsatelliten-Technologien, die im Orbit getestet werden sollen. Darunter sind ein System zur automatischen Detektion und Aufnahme von Blitzen sowie ein elektrisches Antriebssystem, das in Kooperation mit der Universität Stuttgart entstand. „Von der Komplexität her sucht SONATE-2 unter den Nanosatelliten seinesgleichen“, so Kayal.

Missionskontrollzentrum auf dem Uni-Campus
Wenn das Projekt weiterhin nach Plan läuft, startet SONATE-2 im März 2024 mit einer SpaceX-Rakete von der Westküste der USA in den Orbit. Dass er den extremen Bedingungen einer Weltraummission standhalten kann, hat der Satellit in den vergangenen Wochen bei diversen Härtetests bewiesen. Bei einer Startsimulation zum Beispiel hielten alle Schrauben, Lötstellen und Klebeverbindungen den enormen mechanischen Belastungen eines Raketenstarts stand.

Bei SONATE-2 handelt es sich um ein sogenanntes 6U+ Cubesat-Modell. Es ist etwa so groß wie ein Schuhkarton und hat eine Masse von rund 12 Kilogramm.

Nach dem Start wird die Kommunikation mit dem Satelliten von Würzburg aus laufen. Wie schon beim Vorgängermodell SONATE wird auch dieser Satellit vom Missionskontrollzentrum auf dem Hubland-Campus betrieben. Das Team peilt eine Betriebszeit von einem Jahr an. „Wir hoffen aber, dass der Satellit länger funktioniert“, so Kayal.

Satellitenprojekt bietet Arbeitsfeld für Studierende
An der Entwicklung des Satelliten und der Bodensysteme hat ein Team aus sechs Personen mitgewirkt; Projektleiter ist Dr. Oleksii Balagurin. Zusätzlich waren viele Studierende beteiligt, etwa als wissenschaftliche Hilfskräfte oder im Rahmen ihrer Abschlussarbeiten. Studierende können auch weiterhin an der Satellitenmission mitarbeiten: In der Betriebsphase wird vom Kontrollzentrum stetig neue Software auf SONATE-2 implementiert und getestet.

Förderer
Das Projekt SONATE-2 wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags finanziert (FKZ 50RU2100).

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• CubeSats

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 28. Juli 2023.

28. Juli 2023 – Die International Astronautical Federation (IAF) wählte den Würzburger Raumfahrtexperten Professor Klaus Schilling für die Frank J. Malina Astronautics Medal 2023 aus. Diese Medaille ist eine Top-Auszeichnung im Raumfahrtsektor für innovative Forschung und für Engagement in der Ausbildung.

Einer Mitteilung der IAF zufolge geht die Medaille jedes Jahr an eine Persönlichkeit, die sich in exzellenter Weise um Raumfahrtausbildung und Weltraumwissenschaften verdient gemacht hat. Auf Professor Schilling treffe das uneingeschränkt zu: „Er hat zahlreichen Studierenden praktische Erfahrungen beim Satellitenbau ermöglicht und war an vielfältigen Projekten der Weltraumforschung beteiligt“, heißt es in der Laudatio der IAF.

„Während seiner gesamten Karriere beschäftigte er sich mit Steuerungs- und Kontrollproblemen in der Luft- und Raumfahrt, bei interplanetaren Missionen wie Cassini/Huygens oder Rosetta ebenso wie bei Kleinsatelliten und Satellitenformationen“, so die IAF weiter. „Er hat maßgeblich dazu beigetragen, den Stand der Wissenschaft voranzutreiben. Durch seine Begeisterung für den Weltraum gelang es ihm, Studierende zu außergewöhnlichen Leistungen zu motivieren, etwa bei den Projekten UWE-1 und NetSat. Besonders sein sehr praktischer Ansatz, Studierende in spannende Weltraumforschungsprojekte mit greifbaren Ergebnissen und tatsächlichen Weltraumsatellitenstarts einzubeziehen, zeichnete ihn in seinem Fachgebiet aus.“

UWE-1 war einer der ersten Pico-Satelliten weltweit; im Projekt NetSat gelang der erste Formationsflug mit vier Nanosatelliten.

Weltraumstudiengänge an der JMU etabliert
Klaus Schilling leitete von 2003 bis 2022 den Lehrstuhl für Informatik VII (Robotik und Telematik) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Vor 20 Jahren hielt er an der Uni Würzburg die ersten Raumfahrtvorlesungen und startete den Bau von Kleinstsatelliten.

Die Informatik war dafür der richtige Platz, denn durch die nötige Miniaturisierung stieg beim Satellitenbau die Sensitivität für Störungen. Diese waren durch entsprechende Software und Kontrolltheorie wieder zu korrigieren, so dass die Satelliten trotz der widrigen Bedingungen im Weltall zuverlässig funktionieren.

Das große Interesse der Studierenden an Raumfahrtthemen führte zur Etablierung der internationalen Elite-Masterstudiengänge SpaceMaster und Satellite Technologies. Dabei kam der praktischen Umsetzung der Studieninhalte in Projekten ein großer Stellenwert zu. Klaus Schilling etablierte in diesem Rahmen unter anderem das erfolgreiche Universität-Würzburg-Experimentalsatellitenprogramm UWE.

Im Laufe seiner Karriere hat Klaus Schilling sich stark für die internationale Raumfahrtzusammenarbeit engagiert, auch im Rahmen der IAF. Dort war er langjährig in verschiedenen Foren engagiert, was die IAF 2018 mit der Verleihung des IAF Distinguished Service Award würdigte. Der Professor erhielt weitere renommierte Auszeichnungen, darunter 2021 die Eugen-Sänger-Medaille der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt.

Die Malina-Medaille bekommt Schilling beim 74. IAF International Astronautical Congress verliehen, der vom 2. bis 6. Oktober 2023 in Baku (Aserbaidschan) stattfindet.

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• Ehrungen

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Quelle: Universität Würzburg 8. Mai 2023.

8. Mai 2023 – „Alarmierende Daten: Fünf Prozent der Waldfläche sind weg.“ Diese Nachricht ging im Februar 2022 durch die Medienlandschaft.

Grundlage der Meldung war eine satellitengestützte Auswertung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR): Demnach wurden von Januar 2018 bis April 2021 in Deutschland 501.000 Hektar Baumbestand zerstört – erheblich mehr als bislang gedacht. Als Hauptursache nannte das DLR die jüngsten Hitze- und Dürreperioden, die wiederum den Befall durch Schadinsekten begünstigten.

Fachleute sind sich einig: Der Klimawandel sorgt in vielen Wäldern für einen besorgniserregend schnellen Wandel. Diese ungute Dynamik macht das gesamte Ökosystem Wald labil. Sie ist eine Herausforderung für die Forst- und Holzwirtschaft, aber auch für die Wissenschaft.

Worauf das Projekt abzielt
Was für ein klimawandelgerechtes Waldmanagement und eine nachhaltige Waldbewirtschaftung nötig wäre: eine satellitengestützte Beobachtung der Wälder in noch kürzeren Zeitabständen und mit hoher räumlicher Auflösung. Auf dieses Ziel arbeitet das neue Forschungsprojekt ROOT („Real-time earth Observation of fOrest dynamics and biodiversiTy“) an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg hin.

Das interdisziplinäre Projektteam will in den kommenden drei Jahren ein Geoinformationsportal entwickeln, das von Satellitendaten gespeist wird. Es möchte für ganz Bayern aktuelle Informationen zum Waldzustand visuell aufbereiten und per App für die Forstwirtschaft zugänglich machen. Unter anderem soll das Portal Kahlflächen und stehendes Totholz identifizieren, Bestandsverluste aufzeigen und deren Folgen für Biodiversität, Klimaschutz und Forstwirtschaft ableiten.

ROOT will Politik, Behörden und Forstwirtschaft in die Lage versetzen, auf der Grundlage wissenschaftlicher Daten Entscheidungen zu treffen und schnell zu handeln. Mit der neuen App könnte es zum Beispiel möglich werden, auch einen kleinräumigen Borkenkäferbefall automatisch und exakt zu lokalisieren. Die betroffenen Bäume könnten dann so schnell wie möglich aus dem Wald geholt werden.

Wer das Projekt vorantreibt
Sprecher des Projekts ist Professor Samuel Kounev, Leiter des Lehrstuhls für Software Engineering. Mit im Team sind Claudia Künzer, Professorin für Erdbeobachtung und Direktorin am DLR, sowie Jörg Müller, Waldökologe am Biozentrum und stellvertretender Leiter des Nationalparks Bayerischer Wald. Koordiniert wird das Projekt von Dr. Nikolas Herbst, Leiter der Forschungsgruppe „Data Analytics Clouds“ an Kounevs Lehrstuhl.

Offiziell gestartet ist das Projekt am 1. April 2023. Es wird vom Bayerischen Forschungsinstitut für Digitale Transformation (bidt) gefördert, einem Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. Das bidt unterstützt das Projekt mit 1,2 Millionen Euro. Das Geld fließt unter anderem in die Finanzierung von Stellen für Promovierende und Postdocs.

Das ROOT-Projektteam der JMU

• Prof. Dr. Samuel Kounev, Leiter des Lehrstuhls für Informatik II (Software Engineering), samuel.kounev(at)uni-wuerzburg.de
• Dr. Nikolas Herbst, Leiter der Forschungsgruppe „Data Analytics Clouds“ am Lehrstuhl für Informatik II (Software Engineering), nikolas.herbst(at)uni-wuerzburg.de
• Prof. Dr. Claudia Künzer, Professur für Fernerkundung der Landoberflächendynamik, claudia.kuenzer(at)uni-wuerzburg.de
• Prof. Dr. Jörg Müller, Professur für Tierökologie mit Schwerpunkt ökologische Freilandforschung in unseren Breiten, joerg.mueller(at)uni-wuerzburg.de

Weblink
Projektdarstellung beim bidt

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• Klimawandel

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 2. Mai 2023.

2. Mai 2023 – Passend zum Frühjahr, wenn der Pollenflug Allergieleidende plagt, sind die sogenannten SpaceSeeds Ahornsamen nachempfunden. Sie nutzen das Prinzip der Autorotation, um – ganz wie das natürliche Vorbild – sanft zur Erde zu gleiten. Entwickelt hat sie ein Team aus rund 40 Studierenden der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Sie haben sich im Verein WüSpace e.V. organisiert.

Möglich machte den Weltraumflug der SpaceSeeds das REXUS/BEXUS-Programm. Dieser Zusammenschluss mehrerer europäischer Raumfahrtorganisationen bietet Studierendengruppen regelmäßig die Chance, eigene Raumfahrtprojekte umzusetzen und praktische Erfahrungen zu sammeln.

Eine Alternative zum Fallschirm
Aus dem ursprünglichen Daedalus-Projekt, welches 2019 den Flug ins All angetreten hatte, war WüSpace entstanden. Nun durfte das Team von Daedalus 2 dem Beispiel des Vorgängerprojekts folgen: Am 1. April waren die SpaceSeeds an Bord einer REXUS-Rakete, die vom Esrange Space Center in Nordschweden gestartet war.

Die beiden Landekapseln wurden in 80 Kilometern Höhe ausgeworfen und sammelten während ihres kontrollierten Falls eine Vielzahl von Daten: „Neben einigen allgemeinen Daten, etwa Luftdruck und Temperatur, waren das vor allem solche, die zur Weiterentwicklung der Technologie nötig sind“, erklärt Zuri Klaschka aus dem Vorstandsteam von WüSpace.

Das Prinzip der Autorotation könnte zukünftig Fallschirme bei der Rückkehr von Landekörpern aus dem All ersetzen: „Unser Ziel ist es, über eine aktive Regelung des Anstellwinkels der Rotorblätter einen kontrollierten Fall zu induzieren. Diese Technik kann in einigen Aspekten gegenüber Fallschirmen zu bevorzugen sein,“ so Projektleiter Frederik Dunschen. Die aktive Regelung des Anstellwinkels stellt die wichtigste Weiterentwicklung im Vergleich zum ersten Projekt dar.

REXUS/BEXUS: „Unheimlich wertvolle Erfahrung“
Am REXUS/BEXUS-Programm sind neben dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) auch die Schwedischen Nationalen Raumfahrtbehörde (SNSA) und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) beteiligt. Gefördert werden Raketen- (REXUS) und Ballonexperimente (BEXUS) von Studierenden.

Für Zuri Klaschka ist „die Erfahrung, vollkommen selbstständig – mit allen Herausforderungen, Schwierigkeiten und sonstigen Schritten, die dies mit sich bringt – ein Raumfahrtprojekt umzusetzen, unheimlich wertvoll.“

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• Höhenforschungsraketen

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 10. März 2023.

An der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) startet am 20. April 2023 eine neue Vorlesung, die einzigartig sein dürfte: „Grundlagen und Methoden der UAP-Forschung“. Mit UAP sind „Unidentified Aerial Phenomena“ gemeint, unidentifizierte Phänomene im Luftraum. Das können zum Beispiel bewegliche Objekte oder Lichterscheinungen sein. Viele dieser Phänomene lassen sich bei genauerer Betrachtung wissenschaftlich erklären, einige aber nicht.

Hakan Kayal, Professor für Raumfahrttechnik an der JMU, befasst sich schon lange mit UAP. Nun bringt er das Thema auch in die Lehre, denn er will Studierende für die UAP-Forschung begeistern und Nachwuchs für dieses Forschungsgebiet gewinnen. Seine Vorlesung richtet sich hauptsächlich an Masterstudierende der Luft- und Raumfahrtinformatik. Willkommen sind aber auch andere technisch interessierte Studierende der JMU.

Worum es in der Vorlesung geht
Kayal selbst hält etwa die Hälfte der Vorträge, für den Rest hat er Gastdozierende gewonnen. Grob gesagt dreht sich die Vorlesung darum, wie sich Phänomene am Himmel beobachten und messen lassen. Und es geht um die Fehler und Fehlinterpretationen, die dabei passieren können.

„Die Vorlesung wird sehr technisch, aber auch interdisziplinär sein. Sie behandelt zum Beispiel optische Sensorik, Radartechnik, Methoden der Künstlichen Intelligenz und das physikalische Verhalten von Fluggeräten, aber auch Wetterphänomene und Wahrnehmungspsychologie“, erklärt der Professor.

Die Vorlesung findet im Sommersemester 2023 ab 20. April immer donnerstags von 10:15 Uhr bis 11:45 Uhr statt, und zwar im Seminarraum S0.107 des Bibliotheks- und Seminarzentrum auf dem Campus Nord.

Forschungszentrum für Extraterrestrik
Hakan Kayal hat an der Uni Würzburg das Interdisziplinäre Forschungszentrum für Extraterrestrik (IFEX) gegründet, eine institutsübergreifende wissenschaftliche Einrichtung der Fakultät für Mathematik und Informatik.

Die Mitglieder des IFEX entwickeln Technologien, um den Weltraum, Objekte in unserem Sonnensystem, Sterne und Galaxien zu erforschen. Seit Januar 2022 gehört auch das Thema UAP zum Forschungskanon des IFEX.

Das IFEX hat auch Anzeichen für extraterrestrisches Leben im Blick. „Die Möglichkeit, dass hinter unerklärlichen Himmelsphänomenen außerirdische Intelligenzen stecken, sollte man nicht ausschließen“, sagt der Professor.

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• Unidentified Aerial Phenomena (UAP), unidentifizierte Phänomene im Luftraum

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 2. März 2023.

2. März 2023 – Mit einem zweitägigen Workshop, zugleich ein Kick-off Meeting, haben die Universitäten Mainz und Würzburg die deutsche Beteiligung am NASA-Satelliten COSI vorbereitet. Aus Mainz ist die Gruppe von Prof. Dr. Uwe Oberlack vom Exzellenzcluster PRISMA+ beteiligt, aus Würzburg die Gruppe um den Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

Das Gammastrahlenteleskop mit dem Namen Compton Spectrometer and Imager (COSI) wird die jüngste Geschichte der Sternentstehung, von Sternexplosionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milchstraße untersuchen, die für die Entstehung der Erde selbst entscheidend waren. Es wird vom Space Sciences Laboratory der University of California Berkeley geleitet und soll 2027 als neueste „kleine Astrophysik-Mission“ (Small Explorer) der NASA starten. Im Oktober 2021 hatte die NASA COSI aus 18 eingereichten Vorschlägen als neues Weltraumteleskop ausgewählt.

COSI wird die Gammastrahlung radioaktiver Atome untersuchen, die bei der Explosion massereicher Sterne entstehen, um zu kartieren, wo in der Milchstraße chemische Elemente entstanden sind. Die Mission wird auch den mysteriösen Ursprung der Positronen in unserer Galaxie erforschen, die auch als Antielektronen bekannt sind – subatomare Teilchen, die die gleiche Masse wie Elektronen, aber eine positive Ladung haben. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Suche nach Strahlung, die von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.

Die deutsche Beteiligung an COSI ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert. Besonders interessant an der Mission ist die neue Thematik der „Megaelektronenvolt (MeV)-Gammaastronomie“, denn sie erlaubt die Beobachtung des Himmels in einem Bereich der elektromagnetischen Strahlung, der noch weitgehend unerforscht ist. Frühere Missionen unter führender deutscher Beteiligung, wie das erste Compton-Teleskop COMPTEL auf dem Compton Gamma-ray Observatory der NASA in den 90er-Jahren und das europäische Teleskop INTEGRAL in den letzten 20 Jahren, haben im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Himmelsdurchmusterung nur die hellsten Quellen sehen können. COSI wird hier deutlich empfindlicher.

Dieser Energiebereich ist aber nicht nur wenig erforscht, er ist auch besonders interessant, weil er den Bereich der Energieniveaus in Atomkernen darstellt, die Ruheenergie der Positronen umfasst, sowie die Suche nach Dunkler Materie in einem bisher nicht zugänglichen Bereich ermöglicht. Kürzliche Hinweise auf astrophysikalische Neutrinos könnten auf Quellen hindeuten, die im MeV-Energiebereich sichtbar sein könnten. „COSI wird dutzende Quellen innerhalb und außerhalb der Milchstraße detektieren und dadurch den Weg frei machen für noch größere Weltraumteleskope”, sagt der Würzburger Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

„Die COSI Mission hat vielfältige Anknüpfungspunkte zum Forschungsprogramm von PRISMA+“, erläutert der Mainzer Experimentalphysiker Prof. Dr. Uwe Oberlack. „Einer von ihnen ist das Forschungsfeld der Antimaterie – mit Blick auf die Suche nach galaktischen Positronen -, ein anderer die Suche nach Dunkler Materie. Das ist deshalb spannend, da als Alternative zu schwereren hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie, sogenannten WIMPs, zunehmend auch Teilchen bei leichten Massen im MeV-Bereich als Kandidaten für diese exotische Materieform diskutiert werden. Hier wird COSI ein neues Beobachtungsfenster für die Suche nach Dunkler Materie mit Gammastrahlen öffnen. Auch die Multimessenger-Astronomie im Hinblick auf die Suche nach kosmischen Neutrinos, die wir bei PRISMA+ mit dem IceCube Experiment betreiben, könnte von der neuen Mission profitieren.“

Dr. Thomas Siegert ergänzt: „Der Würzburger Lehrstuhl für Astronomie ist mit seinen vielfältigen Arbeitsgruppen passgenau für dieses Vorhaben aufgestellt. Mit COSI können wir die Jets von Mikroquasaren untersuchen, also Doppelsterne mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch. So stellen wir fest, ob diese Quellen auch große Mengen an Positronen erzeugen. In Würzburg arbeiten wir gemeinsam an Jet-Modellen auf allen Größenskalen — von kleinsten schwarzen Löchern bis hin zu aktiven Galaxienkernen. Des Weiteren interessieren wir uns für die Bildung chemischer Elemente in Sternen und durch Supernovae. Diese kann mittels COSI besonders detailliert untersucht werden, da die radioaktiven Elemente charakteristische Gammastrahlen aussenden, die sich dank COSIs hoher spektraler Auflösung voneinander unterscheiden lassen. So lernen wir, warum die Verteilung der Elemente in der Milchstraße so ist, wie sie ist.“

Beim Workshop in Mainz wurden zunächst die COSI-Kollaboration und der Status der Vorbereitungen zum Beispiel im Hinblick auf die Datenanalyse vorgestellt. Anschließend diskutierten die Teilnehmer die geplanten Arbeitspakete, aktuelle Forschungsfragen und den momentanen Stand der Vorbereitung. Im Ergebnis war es ein sehr guter Start, um das COSI-Team in Deutschland zu formen und die nächsten Schritte abzusprechen. Eines ist jetzt schon klar: Der Start der Mission wird von allen Teilnehmenden mit großer Spannung erwartet.

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• Gammastrahlung

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 15. Dezember 2022.

15. Dezember 2022 – Kleinsatelliten mit einer Masse von einem bis 20 Kilogramm werden vermehrt auch für kommerzielle Zwecke eingesetzt, etwa für Telekommunikationsleistungen, Missionen zur Erdbeobachtung oder für die Erprobung neuer Technologien im All. Das birgt Risiken: Mit der steigenden Zahl von Kleinsatelliten erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen im Orbit.

Studierende der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) wollen dieser Gefahr vorbauen. Im neu gestarteten Projekt KI-SENS entwickeln sie intelligente Sensoren und Algorithmen für Kleinsatelliten, damit diese gefährliche Annäherungen zu anderen Objekten rechtzeitig erkennen und Kollisionen durch einen Kurswechsel verhindern.

Studierende lernen gesamten Ablauf kennen
Gewöhnlich werden derartige technologische Entwicklungsarbeiten an Universitäten von wissenschaftlichen Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen durchgeführt. Studierende spielen dabei oft nur eine sekundäre Rolle: Sie unterstützen die Arbeiten als wissenschaftliche Hilfskräfte oder im Rahmen von Abschlussarbeiten.

Bei KI-SENS ist das völlig anders. Hier agieren rund 20 Studierende aus dem Verein WüSpace weitgehend selbstständig. Sie übernehmen die Arbeiten im Projektmanagement, in Entwicklung, Bau und Test. So lernen sie den gesamten Ablauf eines Entwicklungsvorhabens in der Raumfahrt kennen. Für die Teilnahme am Projekt können sie im Rahmen von Praktikumsmodulen und Abschlussarbeiten auch ECTS-Punkte bekommen.

Unterstützt werden die Studierenden von Raumfahrttechnik-Professor Hakan Kayal und seinem wissenschaftlichen Mitarbeiter Tobias Herbst. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fördert das Vorhaben mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK; Förderkennzeichen 50RU2227).

Drohnen nehmen Kleinsatelliten huckepack
Das auf zwei Jahre angelegte Projekt fußt auf der Technik des SONATE-2-Satelliten, der im Team von Professor Kayal derzeit an der JMU für Zwecke der Erdbeobachtung vorbereitet wird.

„Wir werden intelligente, optische Sensoren entwickeln, einen Prototypen bauen und ihn unter realistischen Bedingungen am Boden testen“, sagt Tobias Herbst. Dabei sollen Drohnen zum Einsatz kommen, die Satelliten-Dummys als Nutzlast mit sich tragen. Erste Tests finden voraussichtlich schon im Lauf des Jahres 2023 statt.

Hochwertige Ausbildung in Luft- und Raumfahrt
Hakan Kayal erklärt, warum es Studierende sind, die dieses Projekt selbstständig bearbeiten: „Nachhaltigen Fortschritt im Bereich der intelligenten Sensorik für Kleinsatelliten können wir nur mit qualifiziertem Nachwuchs erreichen.“ Studentische Projekte dieser Art würden erheblich zu einer hochwertigen Ausbildung beitragen und weitere motivierte Studierende anziehen.

Im studentischen Verein WüSpace, der aktuell 73 Mitglieder hat, sind viele weitere Aktivitäten möglich. „Bei uns können sich Studierende im Bereich der Luft- und Raumfahrt austauschen und an Projekten teilnehmen, etwa an Experimenten mit hochfliegenden Ballonplattformen, Höhenforschungsraketen oder Satellitenmissionen“, sagt Doktorand Clemens Riegler, der den Verein mitgegründet hat. Eine angemessene Betreuung, eine ausreichende Ausstattung mit Material und die Verfügbarkeit von Räumen seien durch die Kooperation mit der Universität gewährleistet.

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• KI und Raumfahrt

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 25. Oktober 2022.

25. Oktober 2022 – Die größte Wanderungsbewegung, die die Menschheit jemals vollzogen hat, ist in vollem Gange. Dabei führt der Bevölkerungsstrom vom Land in die Städte. Jede Woche migrieren statistisch betrachtet 1,4 Millionen Menschen vom Land in die urbanen Räume auf unserem Planeten. Und wenn die Prognosen stimmen, wird es bis zum Jahr 2050 weitere 2,3 Milliarden Menschen auf der Erde geben – und diese 2,3 Milliarden werden im Prinzip alle in der Stadt wohnen.

Diese beiden Statistiken zeigen eindrucksvoll, dass die Urbanisierung ein wichtiger Treiber des globalen Wandels ist.

Doch die Urbanisierung hat viele Gesichter. Sie zeigt sich in Vorstädten aus Einfamilienhäusern, in hochgeschossigen Großwohnsiedlungen, in urbanen Blockrandbebauungen oder in Stadtlandschaften, die komplett auf dem Reißbrett designt wurden. Im Gegensatz dazu steht die weitgehend ungeplant verlaufende Bildung von Slums durch illegale Landnahme.

„Wir bezeichnen zwar alles davon als Stadt, aber wenn Sie mal durch die lebendige Innenstadt von Würzburg gehen, durch eine Einfamilienhaussiedlung oder durch einen Slum, dann spüren Sie, was sich alles hinter dem Begriff Stadt verbergen kann. Gebaute Stadtlandschaften sind wie ein Seelenzustand“, sagt der neue Würzburger Geographie-Professor Hannes Taubenböck, „sie haben Einfluss darauf, wie wir uns verhalten, wie wir fühlen und denken“.

Big Data zur Analyse von Urbanisierungsprozessen anwenden
Höchstaufgelöste Satellitendaten erlauben es, die Siedlungsstrukturen extrem genau abzubilden. Am Beispiel von Delhi in Indien zeigen sich Gegensätze in direkter Nachbarschaft: Im Norden die komplexe, unvorstellbar dichte Bebauung von „Old Delhi“, im Süden dagegen die auf dem Reißbrett designten, geometrischen und gering verdichteten Siedlungen von Neu-Delhi.

Obwohl sich die Menschheit im Informationszeitalter befindet, existieren immer noch große Wissenslücken über urbane Phänomene. Mit Fernerkundungsdaten von Satelliten können unterschiedliche Dynamiken, Dimensionen und Strukturen physischer Transformationsprozesse auf unserem Planeten anschaulich dokumentiert und analysiert werden. In Kombination mit anderen Datensätzen, etwa aus sozialen Netzwerken oder aus Befragungen, können im Sinne von Big Data gesellschaftliche Auswirkungen von Urbanisierungsprozessen eruiert und Wissenslücken verringert werden.

Die Forschung am neuen Lehrstuhl
Um diese Thematik dreht sich die Forschung am neuen Lehrstuhl für Globale Urbanisierung und Fernerkundung der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Hannes Taubenböck wurde zum 1. Oktober 2022 als Leiter des Lehrstuhls berufen. Sein Team erfasst mit Satelliten- und Luftbilddaten Formen der Urbanisierung, dokumentiert deren Veränderungen über die Zeit und analysiert deren ökologische, ökonomische oder soziale Auswirkungen.

Am neuen JMU-Lehrstuhl wird das Wachstum von Megastädten kartiert und quantifiziert. Dort werden auch neue Dimensionen von Stadtlandschaften beobachtet – etwa im Perlflussdelta in China, wo 65 Millionen Menschen leben. Und es werden unterschiedliche Formen der Urbanisierung studiert, etwa Geisterstädte in China, die für weitaus mehr Menschen gebaut wurden als dort aktuell leben, oder die übervollen Slums des globalen Südens, aber auch Stadtentwicklungen in Deutschland.

„Im Zentrum unserer Forschungen stehen zum einen methodische Ansätze, um die immer größer werdenden fernerkundlichen Datensätze in verlässliche Geoinformation zu überführen. Und zum anderen steht die Frage im Fokus, wie und wo wir bauen und wohnen wollen“, sagt Hannes Taubenböck. „Aus dieser Arbeit wollen wir Ideen entwickeln, wie die Städte der Zukunft gestaltet werden können.“

Engagiert in EAGLE und CAIDAS
All diese Themen wird Hannes Taubenböck auch in die Lehre im internationalen Würzburger Masterstudiengang EAGLE (Applied Earth Observation and Geoanalysis) einbringen, um die zukünftige Generation von Forschenden zu dem Thema auszubilden.

„Ich freue mich auch sehr auf die vielfältigen Kooperationsmöglichkeiten mit den Kolleginnen und Kollegen der Universität Würzburg innerhalb von CAIDAS und auch fächerübergreifend, zum Beispiel mit der englischen Sprachwissenschaft. Es ist das Ziel, das Themenfeld in den kommenden Jahren an der JMU fest zu etablieren und zu verstärken“, so Taubenböck.

CAIDAS ist das im Aufbau befindliche Center for Artificial Intelligence and Data Science der JMU. In dem Forschungszentrum werden Strategien entwickelt, um in allen Wissenschaftsgebieten große Datenmengen effizient und mit intelligenten Methoden auswerten und nutzen zu können.

Kooperation nach dem Jülicher Modell
Der neu geschaffene JMU-Lehrstuhl für Globale Urbanisierung und Fernerkundung ist ein Kooperationslehrstuhl mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nach dem Jülicher Modell. Diese Konstellation ermöglicht synergistische Forschung zwischen der Universität und dem Großforschungszentrum. Lehrstuhlleiter Professor Hannes Taubenböck ist zugleich Leiter der Abteilung „Georisiken und zivile Sicherheit“ am Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Weßling-Oberpfaffenhofen bei München.

Zum Weiterlesen
Taubenböck H (2019): Remote Sensing for the Analysis of Global Urbanization. DLR-Research Report 2019-10. Habilitation Thesis, University Würzburg, 600 p., ISSN 1434-8454.

Taubenböck H, Wurm M, Esch T & Dech S (Hrsg.) (2015): Globale Urbanisierung – Perspektive aus dem All. Berlin Heidelberg, SpringerSpektrum. S. 297.

Taubenböck H & Dech S (Hrsg.) (2010): Fernerkundung im urbanen Raum – Erdbeobachtung auf dem Weg zur Planungspraxis. Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt. August 2010. S. 192.

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• Planet Erde

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 29. September 2022.

29. September 2022 – Satelliten für die Kommunikation, Navigation oder Erdbeobachtung drehen ihre Runden in erdnahen Umlaufbahnen. Doch es zeichnet sich ab, dass die Menschheit bald auch Satelliten in größeren Entfernungen von der Erde einsetzen wird. Schon jetzt kommen bei Mondmissionen Kleinsatelliten zum Einsatz, die etwa so groß wie ein Schuhkarton sind. Sie agieren teils autonom, dienen aber auch der Unterstützung größerer Raumfahrzeuge.

„Ein gutes Beispiel ist auch die Mission Mars Cube One, die aus zwei Nanosatelliten bestand und 2018 die Landung der MarsInsight-Mission unterstützt hat“, sagt Hakan Kayal, Professor für Raumfahrttechnik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). In ihrem Artemis-Programm will die NASA zehn Nanosatelliten zum Mond bringen. Und die Hera-Asteroidenmission der Europäischen Weltraumagentur ESA sieht vor, dass zwei Kleinsatelliten die Mission begleiten und sie unterstützen.

Warum Kleinsatelliten hier zunehmend gefragt sind? Zum einen wachsen ihre technischen Fähigkeiten, zum anderen sinken die Kosten für ihren Transport in den interplanetaren Raum.

„Derzeit stehen wir allerdings noch am Anfang solcher extraterrestrischer Missionen“, erklärt Professor Kayal. Bislang gebe es kaum kommerziell verfügbare Komponenten, die sich für interplanetare Missionen an Bord von Kleinsatelliten eignen. Man könne aber davon ausgehen, dass sich diese Situation mit zunehmend erfolgreichen Missionen schnell ändert.

Finanzmittel vom Bundeswirtschaftsministerium
Darum will man auch in Deutschland die Entwicklung in diesem Bereich im Auge behalten und nicht den Anschluss verlieren. „Es erscheint sinnvoll, die notwendigen Technologien, die Herausforderungen, potenziellen Ziele und Nutzen solcher Missionen systematisch zu untersuchen, um eine solide Grundlage für den Einsatz von Kleinsatelliten in der Extraterrestrik zu schaffen“, so der Würzburger Professor.

Mit dieser Aufgabe wurde das interdisziplinäre Zentrum für Extraterrestrik (IFEX) an der JMU betraut. Das neue Projekt SATEX startet am 1. Oktober 2022 und läuft ein Jahr. Gefördert wird es von der Raumfahrtagentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (Förderkennzeichen FKZ 50OO2222).

Ziele des neuen Forschungsprojekts
Im Projekt SATEX untersuchen Kayal und sein Team auf technisch-wissenschaftlicher Grundlage, welche Schwerpunkte sich für den Einsatz von Kleinsatellitenmissionen in der Extraterrestrik aus Nutzersicht anbieten. Gleichzeitig werden die technischen Möglichkeiten im nationalen, europäischen und internationalen Rahmen systematisch analysiert, um die Machbarkeit wissenschaftlicher Missionen mit Kleinsatelliten bewerten zu können. Die Ergebnisse sollen eine Priorisierung der Aktivitäten ermöglichen.

In einem zweiten Schritt werden dann konkrete Vorschläge für mögliche nationale Missionen ausgearbeitet.

Das interdisziplinäre Zentrum für Extraterrestrik
Das IFEX verfolgt insbesondere das Ziel, die interdisziplinären Aspekte der Extraterrestrik zu fördern. Es ist eng mit der JMU-Professur für Raumfahrttechnik und deren Erfahrungen mit dem Bau und Betrieb von Kleinsatelliten (SONATE, SONATE-2) verknüpft.

Die Technologien, die an der Professur entwickelt werden, sind seit längerem auf Einsätze in interplanetaren Missionen ausgerichtet. Dabei bildet der Aspekt der Autonomie mittels Künstlicher Intelligenz einen wichtigen Schwerpunkt – er ist bei interplanetaren Missionen aufgrund der langen Signallaufzeiten von großer Bedeutung.

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• Satelliten für erdferne Missionen

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