Von der Kerze zur Glühbirne - Innovative Technologien für künftige Raumfahrtmissionen

Technische Versuchskaninchen

Das Testobjekt liegt ausgebreitet auf dem Tisch - eine Ansammlung grüner Schaltflächen, Platinen, Kabel und Steckverbindungen. Eine Versuchsanordnung flach wie eine Flunder und nicht unbedingt auf den ersten Blick als Satellit zu identifizieren. „Das ist ein Flat-Sat“, erläutert Mehran Sarkarati. Das Modell eines OPS-Satelliten, nur 30 mal 10 Zentimeter groß, kann wie ein kleines Labor genutzt werden. „Daran können wir alle neuen Ideen und Anwendungen tagelang testen“, sagt der Experte für Bodensysteme, der seit 2014 die Abteilung „Applications and Special Projects Data Systems“ im ESOC leitet. Mehran Sarkaratis Team, das aus 15 Mitarbeitern besteht, gehört zum Ground System Engineering Department, dem Teil des ESA-Kontrollzentrums, der sich um die Entwicklung und Betrieb von Bodensystemen für Satelliten und Missionen kümmert.

Der in Berlin und Arizona studierte und promovierte Luft- und Raumfahrttechniker, der außerdem ein Diplom in Informatik hat, ist stets auf der Suche nach innovativen Ansätzen oder neuen Systemen. Je nach Anforderungen der Mission können bis zu 90 Prozent der Funktionalität eines Missionskontrollsystems bei ESA-Missionen wiederverwendet werden. Das senkt nicht nur die Kosten, sondern hat den Vorteil, dass bereits technisch Bewährtes den reibungslosen Betrieb sicherstellt. Das wiederum ist nur durch Umsetzung von seit vielen Jahrzehnten bewährten internationalen Standards möglich. „Die Barriere für neue Anwendungen ist hoch. Es werden nur Funktionen hinzugefügt, die wirklich benötigt werden“, sagt Dr. Sarkarati. Welche das sein könnten oder wie die ESA mit neuen Technologien und Standards künftigen Herausforderungen in der bemannten oder robotischen Raumfahrt begegnen kann, das untersucht sein Team im Advanced Ground Software Apps Lab (AGSA Lab) im ESOC. Sein Lieblingszitat ist ein Satz von Oren Harari: „Die Glühbirne ist nicht aus der ständigen Weiterentwicklung von Kerzen entstanden.“ Das beschreibt den Kern der Arbeit im AGSA Lab und „warum es so wichtig ist, neben unserem anspruchsvollen Tagesgeschäft des Missionsbetriebs auch an zukunftsfähigen Technologien zu forschen“, betont der Wissenschaftler.

Hilfe beim Astronauten und Rover-Training

Wie bereiten sich ESA-Wissenschaftler, Ingenieure oder Astronauten am besten auf zukünftige Erkundungsraumflüge vor oder auf den Betrieb einer Basis auf dem Mond? Also auf Missionen, deren Bedingungen auf der Erde nicht vorhanden und getestet werden können. „Da müssen wir experimentieren und uns neue Ansätze überlegen“, sagt Mehran Sarkarati. Eine Aufgabe, bei der das AGSA Lab mit dem Europäischen Astronautenzentrum EAC in Köln und dem European Space Research and Technlogy Center (ESTEC) im niederländischen Noordwijk zusammenarbeitet. Software Anwendungen wie Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) bieten ganz neue Möglichkeiten für die Raumfahrt. Das Darmstädter Lab testet die Software, die die reale Welt erweitert oder ganz neue digitale Welten schafft, unter anderem für das Astronauten-Training. Das Team soll Prototypen und Anwendungen entwickeln für den praktischen Betrieb. Mit Hilfe von Augmented Reality könnte das Kontrollzentrum am Boden beispielsweise der Besatzung auf der Internationalen Raumstation ISS virtuelle Informationen senden, die das Leben dort einfacher machen. „Etwa Abbildungen, die zeigen, welches Kabel, in welchen Anschluss gesteckt werden muss“, nennt Sarkarati ganz pragmatische Hilfen. Eine Telepräsenz von der Erde aus.

Auf dem EAC-Gelände in Köln wird derzeit eine Kuppel gebaut, in dem eine unwirtliche Umgebung entstehen soll, die der Vorbereitung künftiger Mond- und Mars-Missionen dient. Astronauten sollen sich hier bewegen und auch neue Mond-Rover getestet werden. Ergänzt wird die tatsächlich vorhandene Landschaft durch Virtual und Augmented Reality-Anwendungen. „Es ist dieselbe Technologie wie für die Spieleentwicklung, nur wir nutzen sie für die Modellierung wissenschaftlicher Simulationen“, sagt ESA-Experte Sarkarati.

Training im Virtuellen Raum

Im Lab im Kontrollzentrum Darmstadt wird am VR-Training schon gearbeitet. Wer die schwere, schwarze Brille aufsetzt, befindet sich plötzlich in einem virtuellen Raum in der internationalen Raumstation ISS, in dem ein Feuer lodert. Mit Hilfe zweier Teaser muss ein Feuerlöscher gegriffen, müssen Rauch und Flammen gelöscht werden. Eine Temperaturanzeige zeigt an, ob die Löschaktion erfolgreich ist. Statt der Temperatur könnte aber auch der Energieverbrauch sichtbar werden, ob eine Tür aufgeht, Luft hereinströmt oder Licht eingeschaltet wird, sagt Sarkarati. „Wir bringen so die Physik in die Simulation und integrieren das VR mit den traditionellen Simulation- und Missionskontrollsystemen.“ Das kann ein wichtiger Bestandteil für das Astronauten-Training werden.

Es sind Vorbereitungen für eine Art Schattenmission. Exomars wird 2020 starten und einen Rover auf den roten Planeten bringen. Mit der Entwicklung der Robotik, sagt Mehran Sarkarati, ist das ESOC Darmstadt nicht direkt befasst, „aber wir müssen dennoch kompetent und auf den Betrieb von Robotik-Mission vorbereitet sein“. Denkbar sind unterschiedliche Szenarien – etwa, dass Kommandos vom Kontrollzentrum an den Rover erfolgen, Astronauten in einer Raumstation um den Mond oder Marsumlaufbahn aber zusätzliche weitere, präzisere Aktionen vornehmen. Welche Kommunikation ist dafür nötig, welche Operationskonzepte, wer übernimmt welche Aufgaben, welche neue Software-Anwendungen werden gebraucht? Fragen, bei deren Lösung das Lab helfen soll. Nötig sind großangelegte Simulationen. Das Programm METERON schafft die Infrastruktur dafür, so der ESA-Experte.

Zusammenarbeit mit Universitäten

Vier Studenten und zwei Doktoranden arbeiten 2017 in der Abteilung und forschen im Lab mit. Auf die Zusammenarbeit mit Universitäten legt das ESOC Wert. Kooperationspartner in einem gemeinsamen Doktoranden-Programm sind unter anderem die TU Graz und die Technische Universität in Würzburg. Dabei geht es unter anderem um die Entwicklung von Apps, mit deren Hilfe die Teams am Boden mit dem Satelliten kommunizieren können. „Der Satellit funktioniert in diesem Fall wie eine Art iPhone“, veranschaulicht Sarkarati die Vorgehensweise. Eine weitere Doktorarbeit befasst sich mit NetSat, mit dem autonomen  Betrieb und der internen Kommunikation von Cube-Satelliten, die in Formation  fliegen. Wie lässt sich der Betrieb von Satelliten in einer Konstellation automatisieren? Wie verlaufen Logik und Befehlskette? Vom Boden aus an einen oder mehrere Satelliten oder an eine Sonde, die die Daten an die anderen weitergibt? Innovative Themen, die ESOC und Hochschulen gemeinsam auswählen.

Christian Körnig studiert Physik und Informatik an der Universität Mainz. Der Masterstudent macht seit März ein halbjähriges Praktikum am Lab. „Die Technik, mit der wir hier arbeiten können, ist toll“, berichtet er. Raumfahrt begeistert ihn, in den nächsten Semestern will er sich auf Astronomie spezialisieren. „Ich will später in die Forschung gehen“, erzählt er. Seine Begeisterung teilen auch der Spanier Victor und die Informatikstudentin Magda aus Polen, die ebenfalls im Team von Mehran Sarkarati mitarbeiten. Victor wird nach seinem Praktikum sogar in Darmstadt bleiben. Er hat im Anschluss eine Stelle bei einem Software-Unternehmen gefunden, das mit dem ESOC kooperiert.

 

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