Quelle: TU Ilmenau 14. Juni 2023.

14. Juni 2023 – Mit Heinrich-Hertz startet am 16. Juni ein eigener deutscher Kommunikationssatellit mit der letzten Ariane-5-Rakete ins All. In einer Höhe von rund 36.000 Kilometern kreist der Satellit dann 15 Jahre lang auf einem geostationären Orbit, also immer über der gleichen Stelle der Erdoberfläche. Sein Auftrag: Telekommunikationsdienste, die künftig im Weltall eingesetzt werden sollen, harten Vor-Ort-Tests, der sogenannten In-Orbit-Verifikation, zu unterziehen, um sie bei ihren künftigen Einsätzen möglichst vor Ausfällen zu schützen. Die Bedingungen, unter denen die Technik im Weltall funktionieren muss, sind sehr anspruchsvoll: Alle Komponenten müssen extremer Hitze und Kälte, Vakuum und Schwerelosigkeit standhalten.

Die Telekommunikationskomponente der TU Ilmenau wurde über mehrere Jahre von den Fachgebieten Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik sowie Elektroniktechnologie in von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR geförderten Projekten zur technologischen Reife entwickelt. Das Besondere daran: Die sogenannte Ka-Band-Schaltmatrix ermöglicht die flexible Zuordnung und das Verschalten von Signalströmen mit großer Bandbreite. So können Daten zu flexiblen Zeiten über unterschiedliche Sendeantennen auf definierte Areale der Erde gesendet oder von dort empfangen werden – eine Technologie, die in einer Katastrophensituation wie der im Ahrtal, bei der die Telekommunikationsinfrastruktur zerstört wurde, für die Rettungs- und Einsatzkräfte von großer Hilfe gewesen wäre. Flexibel rekonfigurierbare Satelliten könnten in Zukunft helfen, unterbrochene Kommunikationswege innerhalb kurzer Zeit wiederaufzubauen.

An Bord des Heinrich-Hertz-Satelliten werden Experimente zur Kommunikations-, Antennen- und Satellitentechnik durchgeführt. Die Versuche wurden von Wissenschaftsinstituten wie der TU Ilmenau und Industrieunternehmen entwickelt. Mit dem Heinrich-Hertz-Projekt soll außerdem die Fähigkeit der deutschen Industrie ausgebaut werden, eigenständig Kommunikationssatelliten zu entwerfen, zu bauen und zu starten.

Die Heinrich-Hertz-Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und unter Beteiligung des Bundesministeriums der Verteidigung (BMVg) geführt.

Die Heinrich-Hertz-Mission und ihre Partner
Mit der Heinrich-Hertz-Mission startet erstmals ein eigener deutscher Kommunikationssatellit zur Erforschung und Erprobung neuer Technologien und Kommunikationsszenarien. Die Mission leistet damit auch einen Beitrag für die Informationsgesellschaft in Deutschland. Die Heinrich-Hertz-Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und unter Beteiligung des Bundesministeriums der Verteidigung (BMVg) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten wurde die OHB-System AG beauftragt. An der Entwicklung und dem Test des Satelliten sind zudem die Firmen IABG GmbH, MDA AG und TESAT GmbH & Co. KG beteiligt. Das Bodensegment mit dem Kontrollzentrum in Bonn wird von der OHB Digital Connect in Zusammenarbeit mit der Firma CGI verantwortet. Die Standorte für die neuen Bodenstationen befinden sich in Hürth (Nordrhein-Westfalen) und Neustrelitz (Mecklenburg-Vorpommern). Für den Start der Mission an Bord der Ariane-5-Trägerrakete (VA261) ist Arianespace verantwortlich. An der Mission sind insgesamt 42 Partner beteiligt – davon 14 an der wissenschaftlichen Nutzlast.

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• Syracuse-4B und Heinrich Hertz auf Ariane 5 ECA+ von Kourou

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Quelle: TU Ilmenau 20. Februar 2023.

20. Februar 2023 – Die prämierte Anwendung simuliert mithilfe von Virtual Reality optische und akustische Wahrnehmungen von Astronautinnen und Astronauten bei Außenbordeinsätzen an einer Weltraumstation. Für den Sieg erhalten die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Preisgeld von 10.000 Euro, das sie für ihre weiteren Forschungsarbeiten verwenden werden.

Das Weltall ist vollkommen geräuschlos und schallfrei. Spricht ein Mensch im All, hat die eigene Stimme keinen Klang. Gleiches gilt für Geräusche, etwa das eines Akkuschraubers bei einer Reparatur am Raumschiff. Für Astronauten ist das fehlende akustische Feedback ein Problem, denn ohne Geräusche ist es für sie schwieriger zu erkennen, ob beispielsweise eine Schraube einklinkt und also richtig angebracht wurde. Erschwerend hinzu kommt das Arbeiten im Raumanzug, in dem die Raumfahrer nur eingeschränkt sehen können und von der Außenwelt abgekoppelt sind. Das Siegerprojekt der TU Ilmenau „Digitaler Astronaut – Außenbordeinsatz im Weltall“ soll Astronauten helfen, trotz ihrer eingeschränkten optischen und akustischen Wahrnehmung besser miteinander zusammenzuarbeiten.

Das Projekt Digitaler Astronaut geht hervor aus dem von der Europäischen Weltraumorganisation ESA finanzierten Forschungsprojekt der TU Ilmenau AVSPACE (Audiovisual Feedback to augmented manual Activities during Space Walks). Dabei entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fachgebiete „Virtuelle Welten und Digitale Spiele“ und „Elektronische Medientechnik“ eine erdähnliche räumliche Audioumgebung, die in Kombination mit visuellen Augmented-Reality-Elementen Raumfahrern dabei helfen soll, sich besser im Weltraum zu orientieren. Das künstlich erzeugte audiovisuelle Feedback soll ihr Bewusstsein für die Umgebung, in der sie sich befinden, schärfen und Einschränkungen etwa durch den Raumanzug sollen verringert werden. So sollen die Astronauten Wartungs- oder Reparaturarbeiten im All in Zukunft präziser ausführen und Fehler vermeiden.

Im Projekt Digitaler Astronaut werden junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun einen Demonstrator für die Zusammenarbeit von zwei virtuellen Astronauten bei Außenbordeinsätzen im All entwickeln: Mithilfe dieses Prototyps führt eine Person Wartungs- oder Reparaturarbeiten an der Internationalen Raumstation durch, während eine andere sie dabei aus dem Innern der Station anleitet. Virtual Reality taucht die „Raumfahrer“ dabei in eine scheinbare Wirklichkeit aus räumlichem Hören und virtuellen Bildern ein. Das künstlich erzeugte audiovisuelle Feedback soll ihr Bewusstsein für die Umgebung, in der sie sich befinden, schärfen, um Wartungsarbeiten im All in Zukunft präziser ausführen und Fehler vermeiden zu können.

Den Effekt, der das Bewusstsein, illusorischen Reizen ausgesetzt zu sein, so weit in den Hintergrund treten lässt, dass die virtuelle Umgebung als real empfunden wird, nennen Fachleute Immersion. Die Forschungsarbeiten werden von den jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Ilmenau Interactive Immersive Technologies Center (I3TC) an der TU Ilmenau durchgeführt. Das I3TC ist gleichzeitig Forschungszentrum und Ausbildungseinrichtung für modernste Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Technologien, vor allem auch für industrielle Anwendungen.

Im „Hochschulwettbewerb 2023 – Zeigt eure Forschung!“ hatte die gemeinnützige Organisation Wissenschaft im Dialog Studierende, Promovierende und junge Forscherinnen und Forscher aller Fachrichtungen aufgerufen, ihre Ideen rund um das Thema des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten „Wissenschaftsjahrs 2023 – Unser Universum” einzureichen. Die Projekte, die sie an ihren Hochschulen planen, sollten die gesellschaftliche Bedeutung ihrer Forschung vermitteln und dabei Bürgerinnen und Bürgern wissenschaftliche Themen „zugänglich und erlebbar machen“. Die fünfzehn besten Vorschläge wurden nun mit jeweils 10.000 Euro prämiert. Sie werden dafür verwendet, die Ideen in einem Forschungsprojekt umzusetzen.

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• Virtual Reality in der Raumfahrt

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Quelle: TU Ilmenau 31. August 2022.

31. August 2022 – Die Forschungsarbeiten des Fachgebiets Datenintensive Systeme und Visualisierung kommen AllSky7 zugute, einem internationalen Netzwerk von Wissenschaftlern und Hobbyastronomen, das den Nachthimmel permanent mit Spezialkameras beobachtet und alle Ereignisse klassifiziert und zuordnet. Die Arbeiten des Ilmenauer Wissenschaftlerteams ordnen sich in das Themenjahr der TU Ilmenau „Vernetzte Welt“ ein, das die Forschungsschwerpunkte der Universität hervorhebt.

Wenn wir nachts gen Himmel schauen, versetzen uns manchmal leuchtende Erscheinungen in Erstaunen. Einige können wir uns erklären: atmosphärische Turbulenzen, die die Sterne funkeln lassen zum Beispiel, oder Meteoriten, die als Sternschnuppen in der Erdatmosphäre verglühen. Andere sind auf dem ersten Blick vielleicht rätselhafter: rasend schnell vorbeiziehende Satelliten oder Raketentriebwerke, die zur Erde fallen. Alle Erscheinungen am Nachthimmel auf der ganzen Welt zu erfassen, zu erkennen und zu klassifizieren, hat sich das AllSky7-Netzwerkzum Ziel gesetzt. Das internationale Team wurde 2018 von der American Meteor Society ins Leben gerufen, einer gemeinnützigen wissenschaftlichen Organisation, die die Forschungsaktivitäten von Amateur- und professionellen Astronomen fördert.

AllSky7will präzise zuordnen, welche Erscheinungen Meteore sind, also Meteoriten, die in der Erdatmosphäre verglühen, und welche andere Ursachen haben. In 85 Beobachtungsstationen in Europa und den Vereinigten Staaten scannen 360-Grad-Spezialkameras den Himmel ununterbrochen und möglichst flächendeckend und ermöglichen so, die vielen Ereignisse am Nachthimmel zu klassifizieren und zuzuordnen. Die Computer, die diese Analysen durchführen, verfügen allerdings nur über eine vergleichsweise geringe Rechenleistung und daher mussten die Algorithmen, mit denen die Daten berechnet werden, so ressourcensparend wie möglich ausgerichtet werden. So waren die bisherigen Algorithmen nur auf wenige sogenannte Positivklassen trainiert, das heißt, sie waren nur unzureichend in der Lage, Meteore von sonstigen Ereignissen zu unterscheiden.

Über sechs Monate identifizierten und dokumentierten Martin Hofmann und Rabea Sennlaub am Fachgebiet Datenintensive Systeme und Visualisierung an der TU Ilmenau präzise die Daten von 20.000 Himmelsereignissen der AllSky7-Station in der Sternwarte im Thüringischen Sonneberg. Von der Effizienz der Algorithmen, die auf der Grundlage der Beobachtungen entwickelt wurden, ist Martin Hofmann begeistert: „Mit Hilfe von KI-Methoden fein-granulare und detaillierte Abertausende einzelne Kameraaufnahmen zu katalogisieren, hat es uns ermöglicht, neue Objektklassen in bisher nicht erreichter Erkennungsgenauigkeit zu unterscheiden“.

Von den thüringischen Forschungsergebnissen profitiert nun das gesamte AllSky7-Netzwerk.Der Astronom Dr. Peter Kroll, Leiter der Sternwarte Sonneberg, wo ebenfalls eine Kamera installiert ist, hält die Ergebnisse in ihrem Bereich für einzigartig: „Die Daten, wie wir sie jetzt erheben können, heben unsere Beobachtungen des Himmels auf ein ganz neues Niveau.“ In der Tat ermöglichen die Daten nun eine ungleich präzisere Schätzung der Menge an Weltraumschrott, der Kommunikationssatelliten und nicht zuletzt die Besatzungen von Raumstationen gefährdet. Und sie helfen auch, den Ort zu lokalisieren, an dem Meteoriten, die nicht in der Erdatmosphäre verglüht sind, auf der Erde aufgekommen sind. So können die Gesteinsreste untersucht und damit mehr über den Ursprung des Sonnensystems gelernt werden.

Die Arbeit von Martin Hofmann und Rabea Sennlaub wurde im Journal „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ unter dem Titel „Object classification on video data of meteors and meteor-like phenomena: algorithm and data“ (DOI: 10.1093/mnras/stac1948) veröffentlicht. Das Journal teilt schon seit 1872 einzigartige Erkenntnisse über den Weltraum mit der Welt.

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• Planet Erde

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Quelle: TU Ilmenau 21. Juli 2022.

21. Juli 2022 – Mit der Förderung von 2,5 Millionen Euro für fünf Jahre kann der Forscher nun mit Hilfe von Super- und Quantencomputern Strömungen berechnen und analysieren, wie sie beispielsweise nahe der Sonnenoberfläche auftreten. Der verstärkte Einsatz von Künstlicher Intelligenz könnte in Zukunft zu verbesserten Modellen der Sonnenaktivität und zu präziseren Wetter- und Klimavorhersagen führen. Das MesoComp-Projekt startet voraussichtlich im Januar 2023.

Mesoskalenkonvektion ist das Schlagwort der Spitzenforschung von Prof. Jörg Schumacher, Leiter des Fachgebiets Strömungsmechanik an der TU Ilmenau und Fellow der American Physical Society. In der Meteorologie spricht man von einem mesoskaligen konvektiven System, wenn sich zum Beispiel Gewitter zu einem größeren Gewitterkomplex zusammenschließen, der mehrere Stunden lang existiert. Weil die Turbulenzen in der Atmosphäre scheinbar chaotisch sind und sich rasch verändern, ist es heute noch schwierig, solche gigantischen Wetterphänomene rasch und zuverlässig vorherzusagen. In globalen Zirkulations- und Klimamodellen, die die Langzeitentwicklung der gesamten Erdatmosphäre beschreiben, fallen diese Mesoskalenkonvektionsprozesse immer noch durch das grobe Rechengitternetz, mit dem Wissenschaftler unsere Erdkugel umspannt haben. In die globalen Zirkulations- und Klimamodelle werden sie, stark vereinfacht, als zusätzliche Wärmeströme eingebaut. Eben diese Modellierung der Prozesse möchte das Projekt MesoComp verbessern. Dazu müssen die Wissenschaftler aber erst die Ursache der scheinbar geordneten Strömungsmuster herausfinden.

Was in der Erdatmosphäre Gewittercluster oder Wolkenstraßen sind, sind nahe der Sonnenoberfläche sogenannte Granulen. Zusammengeschlossen bilden sie riesige, 30.000 Kilometer große Strömungszellen mit einer Lebensdauer von einem Tag. Am Rande solcher Supergranulen treten eruptionsartig dicke Bündel von Magnetfeldlinien aus dem Innern der Sonne in die Sonnencorona hervor. Bei Sonnenstürmen gelangen dann große Mengen energetischer Teilchen in den Sonnenwind in Richtung Erde und können dort große Schäden anrichten: Satelliten können zerstört und sogar ganze elektrische Stromnetze zum Zusammenbruch gebracht werden. Auch das Auftreten dieser Sonnenaktivitäten kann derzeit nicht zuverlässig vorhergesagt werden, da die Bildung der Supergranulen durch Mesoskalenkonvektion noch nicht verstanden ist.

Um schnellere und präzisere Vorhersagen über das Verhalten solcher Strömungsturbulenzen zu ermöglichen, bringt Prof. Jörg Schumacher Ordnung in das Chaos. Anhand numerischer Forschungsmodelle analysiert er mithilfe von Hochleistungsrechnern die, wie Fachleute sie nennen, „geordneten Konvektionsmuster“ Wolken und Granulen. Doch sind solche Modellierungen der Mesoskalenkonvektion immer noch die größte Quelle von Unsicherheiten für präzisere Prognosen der globalen Erderwärmung und folglich auch der Häufigkeit von Extremwetterlagen. Bei Rechenaufgaben der Dimension, die der Ilmenauer Wissenschaftler lösen will, stoßen selbst Hochleistungscomputer heutiger Zeit an ihre physikalischen Grenzen.

Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen bietet der Strömungsforschung nun vollkommen neue Möglichkeiten, effektive Modellierungen nicht nur zu denken, sondern auch durchzuführen – und so ein ganz neues Verständnis grundlegender turbulenter Strömungen zu gewinnen. Komplexere Aufgaben in kürzerer Zeit zu bewältigen, als herkömmliche Rechencluster, das schaffen theoretisch die um ein Vielfaches leistungsfähigeren Quantencomputer. Für seine Forschungsarbeiten wird Prof. Schumacher auch den Quantencomputer verwenden, der von dem IT-Konzern IBM im baden-württembergischen Ehningen installiert wurde und vom Fraunhofer Kompetenznetzwerk Quantumcomputing betrieben wird – den laut IBM „leistungsstärksten Quantencomputer Europas“.

Der Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) unterstützt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller Disziplinen, die sich bereits als führende Forscherinnen und Forscher etabliert haben und über eine anerkannte Erfolgsbilanz von Forschungsleistungen verfügen. Er wird, anders als die meisten sonstigen Forschungsförderungen, nicht an Forschergruppen, sondern an Einzelpersonen vergeben. ERC-Grants sind 100-prozentige Förderungen, die alles abdecken, was in einem Projekt anfällt: Personalkosten, Equipment, Verbrauchsmaterialien, Reisen, Publikationen, Unteraufträge usw. Der Strömungsforscher der TU Ilmenau Prof. Jörg Schumacher setzte sich mit seinem MesoComp-Projekt in einem zweistufigen Auswahlverfahren gegen über 1.700 Einreichungen aus der gesamten EU aus allen Wissenschaftsgebieten durch. Zur zweiten Stufe wurde nur ein Drittel der Einreichungen zugelassen, gefördert werden nun nur 253 Projekte – darunter das Projekt von Prof. Schumacher.

Ob die hohen Erwartungen in die neue Technologie Quantumcomputing erfüllt werden können, auch das will Professor Jörg Schumacher im MesoComp-Projekt klären. Denn obwohl die Computerchips schon unter minus 273 Grad Celsius gekühlt werden, um alle möglichen Rauscheffekte zu unterbinden, sind Quantencomputer noch sehr störanfällig. Doch der technische Fortschritt auf diesem Gebiet ist rasant. Allein die Bundesregierung investiert in den kommenden Jahren mehr als zwei Milliarden Euro in diese Zukunftstechnologie. Prof. Schumacher ist zuversichtlich, mit Methoden der Künstlichen Intelligenz datengetriebene Modelle der Mesoskalenkonvektion zu entwickeln, die präzisere und schnellere Vorhersagen ermöglichen werden: „Werden in zehn Jahren Klimamodellierungen auf Quantencomputern laufen? Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und die damit zusammenhängende Forschung ist riskant. Aber ich würde es nicht versuchen, wenn ich nicht daran glauben würde.“

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• Unsere Sonne

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