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SONATE-2
Künstliche Intelligenz für Satelliten
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Würzburg
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16. April 2021

Schon seit mehreren Jahren entwickelt man an der Universität Würzburg Kleinstsatelliten und erprobt mit ihnen neue Technologien im Erdorbit. Beteiligt werden daran auch Studierende, die so erste praktische Projekterfahrungen in der Raumfahrt sammeln können. Mit SONATE-2 soll nun ein Satellit gebaut werden, dessen Künstliche Intelligenz im Erdorbit selbstständig dazulernt.

SONATE-2

SONATE-2 im Orbit: Visualisierung des neuen Technologie-Erprobungssatelliten für hochautonome Nutzlasten und Künstliche Intelligenz. Bild: Hakan Kayal [Großansicht]

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 (KI ließen sich bislang unbekannte Anomalien viel leichter aufspüren", sagt Hakan Kayal, Professor für Raumfahrttechnik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Die Wissenschaft stünde im Bereich der Raumfahrt 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", beschreibt Kayal sein Projekt. 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."

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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? Kayal denkt dabei an die fernere Zukunft: 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 Wissenschaftler. 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."

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 (30 mal 20 mal 10 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. Kayal hat diese Zukunftsmission namens SONATE-X schon fest in seinem Forschungsplan – das X steht für extraterrestrisch.

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.

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