Nanosatellit soll neuartige KI-Technologien testen

Eine neue Würzburger Weltraum-Mission ist auf der Zielgeraden: Der Nanosatellit SONATE-2 wird im Orbit neuartige Hard- und Softwaretechnologien der Künstlichen Intelligenz testen.

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.

Viel Technik für die Kommunikation mit dem Satelliten: das Missionskontrollzentrum auf dem Hubland-Campus der Universität Würzburg. (c) Robert Emmerich / Universität 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 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).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Hakan Kayal, Professur für Raumfahrttechnik, Institut für Informatik, Universität Würzburg, T +49 931 31-86649, hakan.kayal@uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

https://www.informatik.uni-wuerzburg.de/studium/studiengaenge/bachelor-luft-und-… JMU-Bachelorstudiengang „Luft- und Raumfahrtinformatik“
https://www.informatik.uni-wuerzburg.de/studium/studiengaenge/master-luft-und-ra… JMU-Masterstudiengang „Luft- und Raumfahrtinformatik“
https://www.uni-wuerzburg.de/satec/ JMU-Masterstudiengang „Satellite Technology“

https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/sonate2-mission/