Quelle: Deutsches Museum Bonn 27. November 2023.

Wie künstliche Intelligenz Astronomen bei der Arbeit hilft.
Vortrag von Dr. Kai Dr. Kai Polsterer, Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS),
am Mittwoch, 6. Dezember 2023 um 19:00 Uhr,
im Deutschen Museum Bonn. Der Eintritt ist frei.

Vorangetrieben durch die Digitalisierung, ist in den letzten Jahren eine wahre Flut an Daten in fast allen Wissenschaften zu beobachten. Neben empirischen und theoretischen Studien sowie Simulationen etabliert sich die datengetriebene Wissenschaft als ein fundamentaler Bestandteil der Forschung. Die Astronomie ist seit jeher ein sehr datenintensiver Forschungsbereich, der insbesondere durch die steigende Anzahl an vollautomatischen Himmelsdurchmusterungen ständig an Datenumfang und Datenkomplexität gewinnt. Daher ist bereits heute eine manuelle Sichtung und Analyse sämtlicher Daten durch Wissenschaftler unmöglich.

Durch den Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens entstehen Assistenzsysteme, die die Wissenschaftler bei ihrer Arbeit unterstützen. Der Vortrag vermittelt einen grundlegenden Überblick, wie Algorithmen dies ermöglichen.

Dr. Kai Polsterer ist seit 2013 Gruppenleiter für den Bereich »Astroinformatik« am Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS) und seit 2023 stellvertretender Direktor des Instituts.

Der Vortrag findet in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn statt.

Wir bitten um Anmeldung unter info(at)deutsches-museum-bonn.de.

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 6. Mai 2022.

6. Mai 2022 – Während die Astronomen etwa ein Drittel davon identifizieren und bekannten Objekten zuordnen konnten, handelt es sich bei mehr als 1.000 Spuren vermutlich um bisher unbekannte Asteroiden. Diese nicht identifizierten Asteroiden sind schwach und wahrscheinlich kleiner als die Asteroiden, die bei bodengestützten Durchmusterungen entdeckt wurden. Sie könnten den Astronomen wertvolle Hinweise auf die Bedingungen im frühen Sonnensystem geben, als die Planeten entstanden.

Im Juni 2019, dem Internationalen Asteroidentag, veröffentlichte eine internationale Gruppe von Astronomen den „Hubble Asteroid Hunter“, ein Bürgerbeteiligungsprojekt auf der Plattform Zooniverse. Ihr Ziel: die visuelle Identifizierung von Asteroiden in den Archivdaten des Hubble-Weltraumteleskops.

„Was für den einen Astronomen nur Müll ist, kann für einen anderen Astronomen ein Schatz sein“, scherzt Sandor Kruk, jetzt am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, der die Asteroiden-Studie leitete. Dabei werden Daten gesammelt, die bei den meisten Beobachtungen automatisch als Rauschen oder Störungen herausgefiltert werden. „Die Datenmenge in den Astronomiearchiven wächst exponentiell, und wir wollten uns diese erstaunlichen Daten zunutze machen.“ Die Astronomen identifizierten zwischen dem 30. April 2002 und dem 14. März 2021 mehr als 37.000 zusammengesetzte Bilder aufgenommen mit den ACS- und WFC3-Kameras an Bord des Hubble-Weltraumteleskops, die über den gesamten Himmel verteilt sind. Bei einer typischen Beobachtungszeit von einer halben Stunde sollten die Asteroidenspuren auf diesen Bildern als Streifen zu sehen sein.

„Aufgrund der Umlaufbahn und der Bewegung von Hubble selbst erscheinen die Streifen auf den Bildern gekrümmt, was es schwierig macht, Spuren von Asteroiden auf diesen Bildern zu klassifizieren – oder besser gesagt, es ist schwierig, einem Computer zu sagen, wie er sie automatisch erkennen soll“, erklärt Sandor Kruk. „Deshalb brauchten wir Freiwillige für eine erste Klassifizierung, mit denen wir dann einen Algorithmus für maschinelles Lernen trainierten.“ In Zahlen: Es gab 2 Millionen Klicks auf die „Hubble Asteroid Hunter“-Webseite, 11.482 Freiwillige fanden 1.488 positive Klassifizierungen in etwa 1 % der Bilder. Die Astronomen nutzten diese Klassifizierungen der Laienwissenschaftler*innen, um einen automatisierten Algorithmus für maschinelles Lernen in der Google Cloud zu trainieren und so in den verbleibenden Archivdaten nach weiteren Asteroidenspuren zu suchen. Dies führte zu 900 zusätzlichen Entdeckungen und einer Gesamtzahl von 2.487 möglichen Asteroidenspuren in den Hubble-Archivdaten.

Drei der Autoren, Sandor Kruk, Pablo García Martín von der Autonomen Universität Madrid und Marcel Popescu vom Astronomischen Institut der Rumänischen Akademie, prüften diese Spuren, wobei sie Spuren kosmischer Strahlung und andere Objekte ausschlossen. Der endgültige Datensatz enthielt 1.701 Spuren in 1.316 Hubble-Bildern. Von diesen konnten etwa ein Drittel als bekannte Asteroiden im „Minor Planet Center“, der größten Datenbank für Objekte des Sonnensystems, identifiziert werden, so dass 1.031 nicht identifizierte Spuren übrig blieben.

Für eine eindeutige Identifizierung als Asteroid (mit einer bekannten Umlaufbahn) sind weitere Beobachtungen erforderlich, aber die Stichprobe weist interessante Charakteristiken auf: Diese Objekte sind systematisch schwächer und daher wahrscheinlich kleiner als typische Asteroiden, die vom Boden aus entdeckt werden, haben aber eine ähnliche Geschwindigkeit und Verteilung am Himmel wie die bekannten Asteroiden im sogenannten Asteroidengürtel. In weiteren Arbeiten werden die Astronomen die Krümmung der Spuren, die durch die Bewegung von Hubble entstanden sind, nutzen, um die Entfernung zu den Asteroiden zu bestimmen und ihre Bahnen zu untersuchen.

„Asteroiden sind Überbleibsel aus der Entstehung unseres Sonnensystems; über sie können wir mehr über die Bedingungen bei der Geburt unserer Planeten erfahren“, erklärt Sandor Kruk. „Aber es gab auch andere Zufallsfunde in den Archivbildern, denen wir derzeit nachgehen. Der Einsatz einer solchen Kombination aus menschlicher und künstlicher Intelligenz zur Durchsuchung riesiger Datenmengen ist ein großer Fortschritt, und wir werden diese Techniken auch bei anderen bevorstehenden Durchmusterungen einsetzen, beispielsweise mit dem Euclid-Teleskop.“ Rene Laureijs, Projektwissenschaftler von Euclid und Mitautor der Studie, fügt hinzu: „Obwohl es für die Aufnahme von Galaxien konzipiert wurde, wird Euclid schätzungsweise 150.000 Objekte in unserem Sonnensystem beobachten.“

Originalveröffentlichung
Sandor Kruk et al.
Hubble Asteroid Hunter – I. Identifying asteroid trails in Hubble Space Telescope images
A&A published online 6 May 2022
DOI: https://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202142998 bzw. https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/05/aa42998-21/aa42998-21.html
arXiv pdf: https://arxiv.org/pdf/2202.00246

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• Hubble

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Quelle: DLR.

22. März 2022. Eine Künstliche Intelligenz (KI) hilft dem würfelförmigen Roboter dabei, alles richtig einzuschätzen. Das Experiment gehört zum Projekt TumbleDock/ROAM, das das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Partnern auf der Internationalen Raumstation ISS durchführt. Bei dem Projekt geht es letztlich um die Beseitigung von Weltraumschrott.

„Die beiden Roboter auf der ISS simulieren ein orbitales Szenario“, erklärt Dr. Roberto Lampariello vom Institut für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen. Rund um die Erde sammelt sich Schrott an: Satelliten, die nicht mehr funktionieren und mit anderen Satelliten zusammenstoßen, sorgen für eine große Anzahl von unkontrollierten Teilen. Experten fürchten dabei das sogenannte Kessler Syndrom: Trümmerteile treffen auf weitere Trümmerteile und erzeugen so ein immer größeres Trümmerfeld. Mehr als 900.000 Weltraumschrott-Objekte befinden sich in der niedrigen Erdumlaufbahn.

In Stellung bringen, Position halten und zugreifen

Auch das DLR arbeitet an Technologien, um Weltraumschrott unschädlich zu machen. Möglich wäre zum Beispiel, Trümmerobjekte einzufangen und in der Erdatmosphäre verglühen zu lassen (Active Debris Removal, ADR) oder die Satelliten zu reparieren (On-Orbit Servicing, OOS). In beiden Fällen muss zunächst eine sichere Annäherung an ein Trümmerteil oder einen defekten Satelliten gelingen. Und genau das üben Astrobee Honey und Astrobee Bumble im Japanese Experiment Module (JEM). Die Roboter arbeiten dabei völlig selbstständig.

Astrobee Honey stellt das aktive Raumschiff („Chaser“, Verfolger) dar, Astrobee Bumble den Zielsatelliten. Der Chaser soll sich in eine vordefinierte Stellung zum Zielsatelliten bringen und mit einem synchronen Flug die Position halten. Aus dieser Position könnte in einer zukünftigen Mission mit einem auf dem Chaser installierten Roboterarm der Zielsatellit eingefangen werden. Der Chaser muss die taumelnde Bewegung des Zielsatelliten genau vorhersagen, seine kollisionsfreie Flugbahn planen und erfolgreich ausführen. Denn ohne eine korrekte Annäherung wäre auch das spätere Einfangen nicht möglich. „Um die Aufgabe realistischer zu machen, werden virtuelle Sonnenkollektoren auf dem Zielsatelliten angehängt. Ziel ist es zu zeigen, dass die an Bord des Chasers laufende autonome Methode alle realistischen Anforderungen erfüllen kann“, sagt Dr. Roberto Lampariello. „Bei den Experimenten Anfang Februar auf der ISS wurden erste Versuche durchgeführt, wobei wichtige vom DLR stammenden Komponenten hervorragend funktioniert haben.“

Neue Einsatzmöglichkeiten für die Astrobees

Die Erkenntnisse sind wegweisend für die weitere Entwicklung von robotischen Chasern. Die Software für die Bahnplanung des Astrobee Honey (Chaser) und für die realistischen Taumelbewegungen des Astrobee Bumble (Zielsatellit) wurde am DLR-Institut für Robotik und Mechatronik entwickelt und auf der ISS erfolgreich getestet. Die robuste Regelung entstand gemeinsam mit dem MIT (Massachusetts Institute of Technology), das auch die Navigation zwischen Chaser und Zielsatellit entwickelt hat. Die Komponenten könnten weiterhin auf der ISS getestet werden, um verschiedene Annäherungen zum Zielsatelliten zu demonstrieren. Die US-Raumfahrtbehörde NASA ist ebenfalls Partner im Projekt TumbleDock/ROAM (Relative Operations for Autonomous Maneuvers), stellt die Astrobees bereit und steuert sie während der Experimente vom NASA Ames Research Center in Kalifornien (USA).

Bei den Astrobees handelt es sich um ein frei fliegendes Robotersystem der NASA, das die Astronautinnen und Astronauten auf der ISS bei Routineaufgaben unterstützt. Die drei etwa 30 Zentimeter großen Würfel Honey, Bumble und Queen können aber auch als Forschungsplattformen dienen. Angetrieben werden sie mit elektrischen Ventilatoren.

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• Robot Assistenten – SPHERES, Kirobo, CIMON, Astrobee, …

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

30. August 2021 – Auf der Suche nach fernen Galaxien, schnell rotierenden Neutronensternen und schwarzen Löchern sammeln Radioastronomen eine immer größer werdende Menge von Daten. Diese Datenflut soll künftig auch mithilfe von Künstlicher Intelligenz analysiert werden. Hierzu haben sich acht Institutionen in Nordrhein-Westfalen unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) zum “NRW-Cluster für datenintensive Radioastronomie: Big Bang to Big Data” zusammengeschlossen. In Bonn sind neben dem MPIfR die Universität Bonn und die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg an dem Projekt beteiligt. Das Land fördert das Vorhaben mit bis zu drei Millionen Euro.

Radioastronomen untersuchen mithilfe von Radiowellen Objekte im Weltall. Mit immer ausgefeilteren Beobachtungsmethoden blicken sie tief ins Universum und spüren etwa ferne Galaxien, schnell rotierende Neutronensterne (Pulsare) und schwarze Löcher auf. Das Radioteleskop Effelsberg in der Nähe von Bad Münstereifel ist mit seinem 100 Meter großen Parabolspiegel ein prominenter Vertreter der dafür eingesetzten Teleskope, die auch in lokalen bis weltweiten Netzwerken zusammengeschaltet werden, um die Schärfe der Abbildung und die Empfindlichkeit zu erhöhen.

Moderne Radioteleskope erzeugen Daten in immer schneller wachsenden Raten. “In der nächsten Generation von Radioteleskopen werden Daten mit Raten erzeugt, die dem gesamten heutigen Internetverkehr vergleichbar sind”, sagt Prof. Dr. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen deshalb ganz neue Wege, um diese Datenflut zu bewältigen. “Fleiß und große Rechner reichen dazu nicht mehr”, sagt Prof. Dr. Frank Bertoldi vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. “Maschinelles Lernen“ und “Künstliche Intelligenz” sollen den Forschenden künftig helfen, aus der Datenflut die spannenden Signale des Weltalls herauszufiltern.

Um sich die dafür nötige Expertise anzueignen und auszutauschen, haben sich Radioastronomen und Datenwissenschaftler aus acht Institutionen in Nordrhein-Westfalen im “NRW-Cluster für datenintensive Radioastronomie: Big Bang to Big Data” unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie zusammengeschlossen. Das Projekt wird im Rahmen des NRW Förderprogramms „Profilbildung 2020“ in den nächsten drei Jahren mit bis zu drei Millionen Euro gefördert.

Der wesentliche Zweck des Verbunds ist die Vernetzung von Wissen und Koordinierung der Aktivitäten von Radioastronomen, interessierten Datenwissenschaftlern und Industriepartnern. “Das ist eine konzertierte Aktion, die uns gemeinsam stärker macht in Forschung und Ausbildung, sowie durch den Austausch mit unseren Industriepartnern auch im Transfer von Wissen auf praktische Anwendungen“, sind sich Michael Kramer und Frank Bertoldi einig. Beide Forscher sind Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich “Bausteine der Materie und fundamentale Wechselwirkungen” an der Universität Bonn.

Weitere Informationen

Die beteiligten Institutionen umfassen das Max-Planck-Institut für Radioastronomie, die Universität Bonn, das Forschungszentrum Jülich, die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, die Ruhr-Universität Bochum, die TU Dortmund, die Universität Bielefeld und die Universität zu Köln.

Bei der Beobachtung des berühmten Bilds vom Schatten eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 (Abb. 2) waren acht Radioteleskope beteiligt, darunter ALMA und APEX in der chilenischen Atacamawüste. Für dieses Bild wurde eine Gesamtdatenmenge von 20 Petabyte (20 Millionen Gigabyte) innerhalb von einer Woche aufgenommen. Die Auswertung des umfangreichen Datensatzes von dieser Beobachtungskampagne erfolgte zur Hälfte am Spezialrechner (Korrelator) des MPIfR in Bonn, mit einer Reduktion der Datenmenge auf nur noch 1 Megabyte. In der Zukunft werden die Daten noch umfangreicher ausfallen; desto bessere und effektivere Auswertemethoden müssen dafür angewendet werden.

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• Radioastronomie

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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: DLR.

Daten der Erdbeobachtung werden in vielen Bereichen der öffentlichen Verwaltung eingesetzt – zum Beispiel bei der Verkehrsanalyse, im Umweltmonitoring oder in der Krisenbewältigung. Die Bedeutung dieser Daten steigt, gleichzeitig sind Ergebnisse der Fernerkundung aus dem All oder aus der Luft immer genauer und schneller verfügbar. Das Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat (BMI) hat jetzt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) den für alle Bundesbehörden offenen Rahmenvertrag IF-Bund abgeschlossen. Damit können Forschungsergebnisse aus der Fernerkundung für einen Einsatz in der Verwaltung erkannt und schnell praktisch angewendet werden.

„Der rasante Fortschritt in der Erdbeobachtung ermöglicht die Nutzung von Fernerkundungsdaten auch in Bereichen, die bisher nicht die Fernerkundung im Blick hatten“, sagt Dr. Monika Gähler vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. „Neue Sensoren, eine enge zeitliche Abdeckung und neue Auswerteverfahren ermöglichen Anwendungen, die noch vor zehn Jahren nicht denkbar gewesen wären.“ So können heute auch Informationen zu demografischen oder wirtschaftlichen Fragestellungen abgeleitet werden. Das betrifft zum Beispiel die Auslastung von Infrastrukturen, wie Häfen oder Parkplätze, oder Informationen über die Lage von innerstädtischen Grünflächen. Wenn es noch keine passgenauen Anwendungen gibt, werden diese im Rahmen des IF-Bund (Innovative Fernerkundung für die Bundesverwaltung) erarbeitet. Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz eröffnet zusätzliche Möglichkeiten.

Erweiterung durch Künstliche Intelligenz
„Der Transfer von Ergebnissen und Potentialen der DLR-Fernerkundungstechnologien in eine breite Anwendung ist dem DLR ein besonderes Anliegen. Durch den neuen Rahmenvertrag können wir Ergebnisse unserer Arbeit zielgerichtet in die Praxis der Behörden und darüber hinaus überführen“, erklärt DFD-Direktor Prof. Stefan Dech. Die Vereinbarung mit dem Bundesministerium sieht vor, dass das DLR bei konkretem Bedarf der Bundesbehörden Lösungen entwickelt. Diese können dann von den Behörden erprobt und übernommen werden. Das DLR hat bereits früher erfolgreich satellitengestützte Verfahren für die Verwaltung etabliert.

Der neue Rahmenvertrag intensiviert die Verbindung zwischen Verwaltung und Wissenschaft. „Durch den IF-Bund wird der regelmäßige Transfer von wissenschaftlicher Expertise gefördert, um einen zeitgemäßen Einsatz von Fernerkundung in der Bundesverwaltung zu ermöglichen. Das stellt sicher, dass Innovationen schnell Eingang in die Verwaltungspraxis finden“, sagt Dr. Markus Kerber, Staatssekretär im BMI. Aktuelle Anknüpfungspunkte sieht er zum Beispiel bei der Analyse der Siedlungsentwicklung und beim Flächenmonitoring.

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• KI und Raumfahrt

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Quelle: Universität Würzburg.

Plötzlich waren kreisrunde Löcher auf der Oberfläche des Mars zu sehen, die vorher nicht da waren. Auf Fotos vom Saturnmond Enceladus wurden Geysire entdeckt, die mächtige Fontänen aus Dampf Richtung Weltraum schleudern. Und auf den Bildern, die der Mars-Rover Curiosity zur Erde schickte, fanden sich Strukturen, die wie versteinerte Würmer aussehen.

Alle diese Phänomene, die teils nur vorübergehend erscheinen, wurden durch Zufall entdeckt. Oder weil Menschen sich viel Zeit nahmen, um die Bilder von den Nachbarplaneten der Erde zu sichten. „Mit Technologien der Künstlichen Intelligenz ließen sich bislang unbekannte Anomalien viel leichter aufspüren“, sagt Hakan Kayal, Professor für Raumfahrttechnik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.

Wissenschaft steht noch am Anfang
Künstliche Intelligenz (KI) in der Raumfahrt einsetzen? Laut Professor Kayal steht die Wissenschaft auf diesem Gebiet noch ganz am Anfang: „Es gibt dazu nur eine Handvoll Projekte.“

Wenn eine KI unbekannte Phänomene aufspüren soll, muss sie zuvor trainiert werden. Sie muss mit Bekanntem „gefüttert“ werden, damit sie Unbekanntes erkennen kann. „Es gibt schon Satelliten, die mit KI arbeiten. Deren KI wird auf der Erde trainiert und dann in den Orbit gefunkt. Wir haben allerdings anderes vor: Wir wollen die KI an Bord eines Kleinsatelliten unter Weltraumbedingungen trainieren“, sagt der JMU-Professor.

Dieses Vorhaben sei herausfordernd, aber machbar: „Auch miniaturisierte IT-Systeme werden immer leistungsfähiger. Und wir lassen uns Zeit für das Training der KI. Da kann ein Lernprozess im Orbit ruhig auch einmal mehrere Tage in Anspruch nehmen.“

Interplanetare Missionen als Fernziel
Warum aber das Training der KI in den Weltraum verlagern, auf Computer im Kleinstformat? Wo es doch mit Großrechnern auf der Erde viel einfacher zu realisieren wäre? Das liegt daran, dass Hakan Kayal eine klare Vision von der Zukunft hat. Er möchte Kleinsatelliten mit KI nicht nur zur Beobachtung der Erde, sondern auch interplanetar einsetzen – um neue extraterrestrische Phänomene zu entdecken, vielleicht sogar Spuren außerirdischer Intelligenzen.

„Sobald man interplanetar unterwegs ist, wird die Kommunikation mit dem Satelliten zum Flaschenhals“, sagt der Professor. Mit zunehmender Entfernung zur Erde dauert der Datentransfer länger, „da kann man nicht ständig Daten hin- und herschicken. Darum muss die KI dazu in der Lage sein, auf dem Satelliten selbstständig zu lernen. Und sie darf ausschließlich relevante Entdeckungen zur Erde melden.“

Start in den Orbit voraussichtlich 2024
Diese Technologie wird Kayals Team um Projektleiter Oleksii Balagurin auf dem Kleinsatelliten SONATE-2 implementieren und im Orbit erproben. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Vorhaben mit 2,6 Millionen Euro. Angelaufen ist das Projekt am 1. März 2021; im Frühjahr 2024 soll der Satellit in den Orbit gebracht werden. Die Mission dort ist auf ein Jahr veranschlagt.

Der Würzburger Kleinsatellit wird etwa so groß wie ein Schuhkarton sein (30x20x10 Zentimeter). Mit seinen Kameras, die in unterschiedlichen Spektralbereichen Bilder aufnehmen, wird er die Erde im Blick haben. Die Bilddaten fließen in die KI, die automatisch Objekte erkennen und klassifizieren soll. Rund um die Erde wird die Technologie zuerst eingehend erprobt, bevor sie später womöglich auf interplanetare Reise gehen kann. Hakan Kayal hat diese Zukunftsmission namens SONATE-X schon fest in seinem Forschungsplan – das X steht für extraterrestrisch.

Studierende können mitarbeiten
SONATE-2 wird noch andere innovative und hochautonome Features an Bord haben. Das Sensordaten-Verarbeitungssystem wird im Vergleich zum Vorgängersatelliten SONATE weiter miniaturisiert und energiesparender gemacht. Dazu kommen neuartige Satellitenbuskomponenten, etwa verbesserte Sternsensoren für die autonome Lageregelung. Die Kameras sollen nicht nur statische Objekte erkennen und aufnehmen, sondern auch kurze, vorübergehende Phänomene wie Blitze oder Meteore.

Das Team von SONATE-2 wird aus circa zehn Personen bestehen. Auch Studierende können mitwirken – als Hilfskräfte oder im Rahmen von Bachelor- und anderen Abschlussarbeiten. Die Ausbildung des Nachwuchses in dieser Spitzentechnologie hat einen festen Platz im Projekt. Die JMU bietet neben ihren Informatik-Studiengängen auch einen Bachelor- und Masterstudiengang „Luft- und Raumfahrtinformatik“ sowie den Master „Satellite Technology“ an.

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

Das Vorgängerprojekt SONATE
Der neue Kleinsatellit SONATE-2 baut auf das erfolgreiche Vorgängerprojekt SONATE auf. Auch dieser Satellit wurde von Kayals Team entwickelt und gebaut und vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Hier ein Bericht der JMU über die Mission.

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• KI und Raumfahrt

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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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Quelle: ESA.

Wie können Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz, die eigentlich für die Raumfahrt entwickelt wurden, Infrastrukturprojekte in Darmstadt, wie zum Beispiel das Müllmanagement oder die Luftverbesserung der Stadt unterstützen? Das Satellitenkontrollzentrum der ESA (ESOC) in Darmstadt und die Stadt Darmstadt arbeiten nun gemeinsam an solchen Fragen und möchten durch eine Kooperation die Digitalisierung der Stadt vorantreiben. Dr. Rolf Densing, ESA-Direktor für Missionsbetrieb und Leiter des ESOC, und Darmstadts Oberbürgermeister Jochen Partsch haben gestern eine entsprechende Absichtserklärung unterzeichnet.

Raumfahrtexpertise für die Stadtentwicklung in Darmstadt
In der Anfangsphase dieser jungen Kooperation werden sich die Experten beider Seiten regelmäßig treffen, Wissen austauschen und konkrete Ideen entwickeln. Angedacht ist etwa ein Projekt zur Analyse und Korrelation von bodenbasierten Messwerten mit Daten der Sentinel-Erdbeobachtungssatelliten.

„Zu den Zielen einer Smart City gehört es doch, den Bürgern ein nachhaltiges Leben und Arbeiten zu ermöglichen. Daten aus der Raumfahrt können maßgeblich zur Gestaltung eines solchen Ecosystems beitragen. So werden wir beispielsweise die in-situ erhobenen bodenbasierten Umwelt-Messdaten mit den Daten der Sentinel-Umweltsatelliten vergleichen, Rückschlüsse auf Umweltbedingungen ziehen und gegebenenfalls Verbesserungsmaßnahmen vorschlagen“, sagte Rolf Densing.

„Künstliche Intelligenz ist eine digitale Schlüsseltechnologie der Gegenwart und Zukunft“, erklärt der Darmstädter Oberbürgermeister Jochen Partsch. „Gemeinsam mit unseren Partnern aus der Wissenschaft nutzen wir schon jetzt das vorhandene Wissen, um es im Sinne einer umfassenden Digitalstrategie in praktische Anwendungen für die Bürgerinnen und Bürger und andere Akteure in der Wissenschaftsstadt Darmstadt zu übersetzen. Mit dem Satellitenkontrollzentrum der ESA, ESOC, starten wir nun eine Kooperation, die künftig spannende Entwicklungen möglich machen wird, um die Lebensqualität in der Stadt weiter zu erhöhen und wichtige Synergieeffekte für die digitale Zukunft entstehen zu lassen.“

Die Wissenschaftsstadt Darmstadt hat 2017 den BITKOM-Wettbewerb „Digitale Stadt“ gewonnen und in diesem Rahmen das Projekt der Digitalstadt Darmstadt ins Leben gerufen, um die Digitalisierung als intelligente Stadt voranzutreiben. Dabei spielt die Digitalstadt Darmstadt GmbH als 100%-prozentige Tochter der Wissenschaftsstadt Darmstadt eine zentrale Rolle. Die Digitalstadt Darmstadt hat einen detaillierten Einblick in die Bedürfnisse der Stadt Darmstadt auf dem Gebiet der Digitalisierung, und kann somit zu dieser Kooperation beitragen.

ESA/ESOC ist ein weltweit agierender Akteur im Bereich der Raumfahrt und beschäftigt sich im Wesentlichen mit der Kontrolle von Satelliten und der Entwicklung der dazu benötigten Infrastruktur. ESA/ESOC hat im Rahmen seiner Tätigkeiten verschiedene Kompetenzen auf dem Gebiet der Digitalisierung entwickelt und kann daher mit seiner Expertise zum Projekt Digitalstadt Darmstadt beitragen. Dies betrifft unter anderem Kenntnisse im Bereich von Datenanalyse-Tools, auf künstlicher Intelligenz basierende Planungs-Tools und Virtual Reality-Technologien.

Zusätzliche Informationen

Gemeinsam die Digitalisierung in Darmstadt voranbringen
Das Satellitenkontrollzentrum der ESA und die Wissenschaftsstadt Darmstadt sind seit mehr als 50 Jahren miteinander verbunden und bringen ihre Kooperation nun auf eine neue Ebene.

Das ESOC und die Wissenschaftsstadt Darmstadt unterzeichneten am 13. Juni 2019 eine Absichtserklärung im Bereich des Projekts Digitalstadt Darmstadt, in der es um Pläne zur Erweiterung der digitalen Kompetenz der Stadt geht.

2017 wurde Darmstadt bereits nach dem Gewinn des Bitkom-Wettbewerbs als „Digitale Stadt“ angekündigt. Durch die Implementierung digitaler Smart-City-Technologien baut sie mit Partnern aus Wissenschaft, Politik und Wirtschaft ein urbanes digitales Ökosystem mit Nutzen für die Bürger auf. Der Fokus liegt auf dem Einsatz digitaler Technologien wie intelligentes Verkehrsmanagement, intelligente Straßenbeleuchtung und Mülltonnen sowie digitale Hilfe bei Notfällen und Operationen an Krebspatienten mit Hilfe von Augmented Reality.

Bedeutung der Raumfahrt für die Region
Das Satellitenkontrollzentrum der ESA ist seit 52 Jahren nicht nur Hessens, sondern ganz Europas Zugang zum All. Die Aktivitäten des ESOC sind somit auch sehr prägend für die Wissenschaftsstadt Darmstadt. Für sie ist das ESA-Zentrum als „Tor zum Weltraum“ auch international ein großer Werbefaktor und wegen der engen Verflechtung zur Industrie bedeutsam. Die Region rund um Darmstadt ist auf die Informationstechnologie spezialisiert wie kaum eine andere. Das gilt für die universitären Einrichtungen, verschiedene Fraunhofer-Institute, aber auch für viele internationale Unternehmen, die sich hier gezielt angesiedelt haben.

Gemeinsame Kooperation für den Ausbau der Digitalkompetenz der Digitalstadt Darmstadt
Nun ist es an der Zeit, die Kooperation auf eine neue Ebene zu bringen, indem die ESA ihre jahrzehntelange Expertise im Missionsbetrieb, der Satellitensteuerung, Datenanalyse und VR- und AR-Anwendungen auf die Straßen von Darmstadt bringt.

• Künstliche Intelligenz für die Bereiche Smart Traffic, Smart Waste, Sicherheit und Unterstützung von Bedürftigen. Dies umfasst KI-Anwendungen und Methoden, die im Rahmen der Satellitenkontrollaufgaben durch die Missionssteuerung der ESA entwickelt wurden, und die Bereitstellung der entsprechenden Spin-off-Infrastruktur.
• Datenanalyse beziehungsweise Korrelation von bodenbasierten Messwerten mit gemessenen Satellitendaten (Umweltsensorennetzwerk)
• Anwendungen von Virtual- und Augmented-Reality-Technologien, z.B. in den Bereichen Digitales Museum und einem interaktiven Modell der Stadt zur Unterstützung des Tourismus.

Internet der Zukunft trifft auf Darmstadt
Ein weiteres Kooperationspotenzial besteht im 5G-Bereich, denn Darmstadt ist derzeit neben Berlin und Hamburg eine der drei Städte in Deutschland, in der die erste 5G-Technologie getestet wird. 5G bietet als Mobilfunknetz der nächsten Generation die Möglichkeit, die Art und Weise, wie Menschen mit Technologie umgehen, drastisch zu verändern. Die Beteiligung des ESOC an einem 5G Testfeld in Darmstadt kann helfen, zukünftige Anwendungsfelder zu identifizieren und zu verifizieren, und damit eine Vorreiterrolle von Darmstadt bezüglich der neuen Technologie zu unterstützen.

Bewertungsphase für die Identifizierung konkreter Projekte
In den nächsten sechs Monaten werden eine Reihe von Workshops mit relevanten Experten des ESOC und der Stadt Darmstadt stattfinden, um konkrete Projekte für die weitere Kooperation zu identifizieren. Ein vielversprechender Schritt, um zu zeigen, dass die Raumfahrttechnologie zu einer Verbesserung des täglichen Lebens beitragen kann.

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Quelle: DLR.

„Die Zusammenarbeit ist ein Meilenstein für die Münchner Wissenschaftslandschaft und den Forschungsstandort Bayern“, betonte Bayerns Wissenschaftsminister Bernd Sibler anlässlich der Unterzeichnung eines Kooperationsvertrages der beteiligten Partnereinrichtungen am 27. Mai 2019 in Garching bei München. „Diese Kooperation verdeutlicht, wie groß die Potenziale unserer Forschungseinrichtungen in Garching und Oberpfaffenhofen sind! Beide Institute leisten herausragende, international beachtete Arbeit. Ihr gemeinsames Projekt eröffnet nun völlig neue Möglichkeiten, um den globalen Wandel und seine Auswirkungen auf unsere Region umfassend zu erforschen. Für Politik und Gesellschaft ist das eine bedeutende Grundlage, um geeignete Rahmenbedingungen für eine lebenswerte Zukunft auf unserer Erde zu schaffen. Luft- und Raumfahrt, Supercomputing und Künstliche Intelligenz greifen dabei ineinander. Hier wird die Technik von morgen entwickelt!“ Mit der Zusammenarbeit bündeln DLR und LRZ ihre große Expertise in den Bereichen satellitengestützte Erdbeobachtung und Supercomputing.

„Wenn wir Prozesse des Globalen Wandels verstehen und seine Entwicklung nachvollziehen wollen, müssen wir in der Lage sein, die Daten unserer Satelliten im All bestmöglich auszuwerten“, sagte Prof. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie. „Die Kooperation zwischen DLR und LRZ wird es uns künftig ermöglichen, riesige Datenmengen mit neuesten Methoden hocheffizient und unabhängig zum Verständnis globaler Trends und deren Folgen zu analysieren. Beispiele dafür sind die international zunehmende Urbanisierung und Ausweitung der landwirtschaftlichen Nutzung zu Lasten naturbelassener Ökosysteme oder die rasanten Veränderungen in den polaren Gebieten der Erde und in der Atmosphäre, die ohne jede Frage nicht ohne Folgen auch für die Menschen sind. Für die Analyse bringen wir unsere Entwicklungen und Technologien der Raumfahrtforschung sowie eigene Sensordaten mit ein.“

Prof. Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ, betonte: „Mit der Kooperation dieser beiden führenden Forschungseinrichtungen schließen sich zwei Partner zusammen, die sich in ihren Kompetenzen ideal ergänzen und entsprechende Expertisen, Mittel und Forschungsthemen gemeinsam einbringen. Das Leibniz-Rechenzentrum verfügt über eine ausgewiesene Erfahrung als innovativer IT-Dienstleister und Höchstleistungsrechenzentrum und ist zuverlässiger und leistungsstarker Partner für die Bayerischen Hochschulen und künftig auch für das DLR mit seinen Instituten in Oberpfaffenhofen.“

Riesige Datenmengen der Erdbeobachtung
Täglich liefern Erdbeobachtungssatelliten riesige Datenmengen in so hoher Auflösung, dass konventionelle Auswerteverfahren längst an ihre Grenzen gekommen sind. „Nur eine Kombination aus Online-Verfügbarkeit verschiedenster historischer und aktueller Datenbestände in Verbindung mit modernsten Höchstleistungsrechensystemen versetzt unsere Forscher in die Lage, globale Informationen in höchster Auflösung abzuleiten, die uns Aussagen über die Entwicklung des Planeten Erde ermöglichen. Bei der vollautomatischen Analyse spielen Verfahren der Künstlichen Intelligenz eine zunehmend entscheidende Rolle. Somit können wir Phänomene und Entwicklungen erkennen, wie es auf konventionellem Weg nur schwer möglich wäre.“ sagte Prof. Stefan Dech, Direktor des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums (DFD) des DLR. „Für die an der satellitengestützten Erdbeobachtung forschenden Institute des DLR in Oberpfaffenhofen besitzt diese Kooperation entscheidende Bedeutung. Wir können nun eine Vielfalt an methodischen und geowissenschaftlichen globalen Analysen durchführen, die bislang aufgrund der Datenmengen und limitierter Rechnerleistung nur exemplarisch möglich war. Besonders bedeutsam ist das gemeinsam zwischen DLR und LRZ entwickelte technologische Datenkonzept, das das LRZ mit dem Deutschen Satellitendatenarchiv des DLR in Oberpfaffenhofen verbinden wird und neben Online-Verfügbarkeit aktueller weltweiter Datenbestände auch historische Daten aus unserem Archiv sowie DLR-eigene Daten verbindet“, so Dech weiter.

Herausforderung für die Datenanalyse
Schon jetzt haben beispielsweise die Daten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus die Schwelle von 10 Petabytes überschritten. 1 Petabyte entspricht dem Inhalt von etwa 223.000 DVDs – einer Menge, die ca. 3,5 Tonnen wiegen würde. Bis 2024 werden die Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms schon mehr als 40 Petabytes an Daten erzeugt haben. Diese werden ergänzt durch weitere Petabytes der nationalen Erdbeobachtungsmissionen wie die DLR-Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X oder der amerikanischen Landsat-Daten. Doch nicht nur die großen Datenmengen der Satellitenmissionen stellen die Wissenschaftler derzeit vor Herausforderungen, auch Daten zum Globalen Wandel, die in den sozialen Netzwerken veröffentlicht werden, sind wertvolle Quellen. Diese bringen allerdings neue Herausforderungen mit sich, da diese Daten sehr heterogen sind, ihr Wahrheitsgehalt nicht eindeutig ist und sie nicht in unbegrenzter Dauer zur Verfügung stehen.

Forscherinnen und Forscher des DLR setzen daher zunehmend Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens ein, um Trends des Globalen Wandels und Analysen von Naturkatastrophen und ökologischen Zusammenhängen in globalen und regionalen Zeitreihen zu finden, die sich über Dekaden hinweg erstrecken. Diese Methoden erfordern es jedoch, dass die dazu notwenigen Daten auf hoch performanten Datenanalyse-Plattformen (HPDA = High Performance Data Analytics) online zur Verfügung stehen. Das technische Ziel der Kooperation ist deshalb der Aufbau einer solchen Plattform, die über das Deutsche Satellitendatenarchiv (D-SDA) des DLR in Oberpfaffenhofen und Daten-Verteilpunkte verschiedener Anbieter frei verfügbarer Satellitendaten Zugriff auf alle für die Forschung notwendigen Erdbeobachtungsdaten hat.

Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum des DLR koordiniert die Aktivitäten der Kooperation für die beteiligten DLR-Institute: Neben dem DFD sind das Institut für Methodik der Fernerkundung, das Institut für Physik der Atmosphäre sowie das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Oberpfaffenhofen beteiligt. Bei der Umsetzung der Technologie sind außerdem das Institut für Datenwissenschaften in Jena sowie die Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik in Köln beteiligt.

Kooperation für den Globalen Wandel
In der Kooperation befasst sich das DLR mit Forschungsfragestellungen rund um das Thema Umweltveränderungen und Globaler Wandel, methodische und algorithmische Verfahrensentwicklungen im Bereich physikalische Modellierung und Künstliche Intelligenz (KI), dem Management von Langzeitarchiven und der Prozzessierung großer Datenbestände.

Das LRZ fokussiert in der Kooperation auf die Forschung und Umsetzung von operationellen, skalierbaren, sicheren und zuverlässigen IT-Diensten und Technologien, Optimierung von Prozessen und Verfahren, dem Supercomputing und Cloud Computing sowie der Nutzung von Verfahren der Künstlichen Intelligenz (KI) und Big Data. Dabei kommen auch die vorhandenen IT-Systeme des LRZ (u.a. der Höchstleistungsrechner SuperMUC-NG) und die Erfahrungen im energieeffizienten Höchstleistungsrechnen zum Einsatz.

Geplant ist die Realisierung der Online-Verfügbarkeit von etwa 40 Petabytes für Tausende von Rechenkernen. Durch gemeinsame Investitionen des DLR und des LRZ ist geplant, die erste Stufe des Ausbaus bis Ende 2020 zu realisieren. Die neue HPDA-Plattform wird in die bestehende Infrastruktur des LRZ in Garching integriert. Auf die größtenteils freien und offenen Daten der Plattform werden aber auch die Wissenschaftler der Bayerischen Universitäten und Hochschulen Zugriff haben.

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Quelle: DFKI GmbH.

13.03.2019 Roboter im Weltraum sind heute meist passive Beobachter oder werden durch den Menschen von der Erde aus gesteuert. Schon bald aber sollen sie eigenständig und über lange Zeiträume hinweg unter den extremen Bedingungen operieren. Um den hohen Anforderungen an die Systeme gerecht zu werden, entwickelt das Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstlichen Intelligenz (DFKI) innovative Hardware- und Softwarekonzepte, die es im Rahmen sogenannter Analogmissionen auf der Erde testet. Ihre Forschungsarbeit sowie robotische Weltraumsysteme präsentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom 1. bis 5. April 2019 am DFKI-Stand (Halle 2, Stand C59) auf der Hannover Messe.
In künftigen Weltraummissionen werden Roboter für immer komplexere Aufgaben eingesetzt: Auf fremden Planeten sollen sie in schwer zugängliche Gebiete wie Höhlen und Krater vordringen oder Infrastruktur für zukünftige Basislager aufbauen, im Orbit Wartungs- und Reparaturarbeiten an Satelliten vornehmen oder Weltraumschrott aus der Erdumlaufbahn entfernen. Dabei ist die Fernsteuerung der Systeme von der Erde aus allein aufgrund der verzögerten Kommunikation zu weit entfernten Himmelskörpern nicht praktikabel. Aus diesem Grund müssen zukünftige Weltraumroboter zu selbstständig handelnden Akteuren werden.

Zukunftsweisendes Design: KI-basierte Autonomie und multifunktionale Morphologien
Das DFKI Robotics Innovation Center unter Leitung von Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirchner entwickelt autonome Robotertechnologien für den Weltraumeinsatz, die dank einer Vielzahl unterschiedlicher Sensoren ihre Umwelt umfassend wahrnehmen können. Für die Umgebungserfassung, Lokalisierung und Bewegungsplanung der Systeme setzen die Bremer Forscherinnen und Forscher zudem auf Methoden und Algorithmen der Künstlichen Intelligenz, z.B. maschinelle Lernverfahren. Diese ermöglichen es den Robotern nicht nur, eigenständig zu handeln und Entscheidungen zu treffen, sondern auch aus dem eigenen Verhalten zu lernen. Nur so ist ein Einsatz im Rahmen planetarer und orbitaler Missionen über längere Zeiträume und ohne Eingreifen des Menschen möglich.

Um auf fremden Planeten auch in schwieriges und wissenschaftlich besonders interessantes Terrain vordringen zu können, entwerfen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler innovative, hochkomplexe und biologisch inspirierte Mobilitäts- und Morphologie-Konzepte: von vielgliedrigen Laufrobotern über hybride Systeme, die über Bein-Rad-Konstruktionen verfügen, und schreitfähigen Rovern mit aktivem Fahrwerk bis hin zu aufrechtgehenden und kletternden Systemen in menschenähnlicher Gestalt. Aufgrund ihrer Modularität und Rekonfigurierbarkeit lassen sich diese Systeme flexibel an unterschiedliche Bedingungen und Aufgabenstellungen anpassen. So sind sie in der Lage, allein, in robotischen Teams oder in Zusammenarbeit mit dem Menschen anspruchsvolle Weltraummissionen zu absolvieren.

Intuitive Teleoperationstechnologien und Mensch-Roboter-Kollaboration
Die autonomen Roboter sollen im Bedarfsfall auch von der Erde oder dem Raumschiff aus fernsteuerbar sein. Insbesondere bei Aufgaben, die ein hohes Maß an Flexibilität erfordern, kann es notwendig sein, dass der Mensch in die Mission eingreift. Die DFKI-Forscherinnen und Forscher entwickeln dafür neuartige Teleoperationstechnologien, die sich durch eine intuitive Bedienung auszeichnen. So kann die Fernsteuerung z.B. über einen Leitstand mithilfe eines tragbaren Exoskeletts erfolgen, das Kraftrückkopplung ermöglicht. Auf diese Weise spürt der menschliche Operator, wenn das System auf ein Hindernis trifft, und hat so das Gefühl, Teil des Geschehens zu sein.

Künftig sollen Roboter und Astronauten im Weltraum auch direkt zusammenarbeiten, z.B. beim Aufbau von Infrastruktur. Hierbei setzt der DFKI-Forschungsbereich auf unterschiedliche Grade der Autonomie: Je nach Komplexität der Aufgabenstellung kann der Roboter mehr oder weniger autonom agieren. Der Astronaut greift ein, wenn der Roboter nicht weiterkommt und bringt ihm neue Verhaltensweisen bei.

Für eine gelingende Zusammenarbeit erforschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zudem neue Verfahren der Intentionsanalyse und -erkennung, mit denen sich z.B. anhand physiologischer Daten die Gefühlslagen und Zustände des Menschen erfassen und in die Handlungsplanung bzw. die Handlungsoptimierung des Roboters integrieren lassen.

Raus aus dem Labor: Bewährungsprobe für autonome Weltraumroboter
Um sicherzustellen, dass die neuen Technologien unter den rauen Umgebungsbedingungen auf Mars oder Mond wie geplant funktionieren, werden diese auch außerhalb des Labors unter möglichst realistischen Bedingungen in sogenannten Analogmissionen getestet. So begaben sich Wissenschaftler des DFKI und der Universität Bremen Ende 2016 in die marsähnliche Wüste des US-Bundestaats Utah, um eine komplette Missionssequenz zu simulieren und die Fähigkeiten der Rover SherpaTT und Coyote III auf die Probe zu stellen. Ziel der Mission war es, im heterogenen Roboter-Team eine logistische Kette zu errichten, um autonom die Umgebung zu erkunden und Bodenproben zu nehmen. Für die Kontrolle der Mission nutzten die Wissenschaftler einen Leitstand in Bremen, der per Satellitenlink eine Kommunikationsverbindung zu den Robotern in Utah aufbaute. Per Exoskelett gelang es einem Operator, die Systeme aus über 8.300 km Entfernung intuitiv zu steuern.

Im November 2017 führte eine zweiwöchige Feldtestkampagne DFKI-Forscher auf die Kanareninsel Teneriffa. Dort testeten sie neuentwickelte Algorithmen zur (teil-)autonomen Exploration von schwer zugänglichem Gelände, die es den Robotern CREX und Asguard IV ermöglichten, die für die Raumfahrtforschung hochinteressanten Lavahöhlen auf der Insel zu erkunden. Zuletzt – von November bis Dezember 2018 – stellten die Bremer Forscher zusammen mit europäischen Partnern für den Weltraumeinsatz entwickelte Software in der marokkanischen Wüste auf die Probe. Als robotische Testplattform diente erneut der hybride Schreit- und Fahrrover SherpaTT des DFKI, der dank der neuen Software eine Strecke von über 1,4 km durch die von weiten Ebenen, aber auch steilen Hängen und Schluchten geprägten Landschaft zurücklegte.

Technologietransfer: Weltraumtechnologien für lebensfeindliche Erdanwendungen
Robotertechnologien für den Weltraum verfügen über ein enormes Transferpotenzial: Die auf unwegsames Gelände spezialisierten Systeme eignen sich auch für den Einsatz in extremen und lebensfeindlichen Umgebungen auf der Erde, z.B. in der Tiefsee oder in kontaminierten Gebieten. Um die notwendige Autonomie und damit die Handlungsfähigkeit zu erreichen, müssen Roboter dort ganz ähnliche Anforderungen erfüllen, insbesondere hinsichtlich ihrer Mobilität, Robustheit und Lernfähigkeit.

So gelang es den Bremer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler u.a. bereits, den Roboter SherpaTT für ein Tiefsee-Szenario weiterzuentwickeln, bei dem dieser als autonomer Unterwasser-Rover zur nachhaltigen Ressourcengewinnung oder zur Überwachung und Inspektion von Tiefsee-Anlagen einsetzbar ist. Zudem statteten sie den Mikro-Rover Coyote III mit einem Gassensor aus, so dass er in einem Katastrophenszenario selbstständig und ohne Gefährdung von Menschenleben ein schwer zugängliches Gebäude erkunden und austretendendes Gas aufspüren kann.

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