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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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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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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