Die Erdumlaufbahn wird gesättigt.
Heute umkreisen rund 16.000 Satelliten unseren Planeten und unterstützen alles von GPS-Navigation und Wettervorhersage bis hin zu Bankgeschäften, Notfalldiensten und Internetkommunikation.
Alle paar Wochen werden Dutzende weitere freigelassen. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass die Gesamtzahl der Satelliten in diesem Jahrzehnt 100.000 überschreiten könnte, und konservativere Schätzungen gehen davon aus, dass bis 2030 bis zu 60.000 Satelliten landen werden, eine immer noch erstaunliche Zahl.
Dieses schnelle Wachstum stellt eine große Herausforderung dar. Wie können wir eine zunehmend überfüllte Umlaufbahn sicher bewältigen und gleichzeitig sicherstellen, dass die Satelliten, auf die wir angewiesen sind, weiterhin zuverlässig funktionieren?
Die Risiken sind nicht schwer vorstellbar. Große Satellitenkonstellationen erhöhen die Lichtverschmutzung und andere Störungen der Astronomie und des Nachthimmels. Mehr Satelliten bedeuten mehr Verkehr, größere Kollisionsrisiken und eine zunehmende Menge an Weltraummüll.
Im schlimmsten Fall kann Weltraumschrott eine unkontrollierte Kettenreaktion namens Kessler-Syndrom auslösen, die die Erde in eine Trümmerwolke einhüllen und ihre Umlaufbahn unbrauchbar machen würde, ohne dass Satelliten oder andere Weltraummissionen gestartet werden könnten.
Auch wenn dies nicht der Fall ist, können alte oder beschädigte Satelliten zu einer Gefahr werden, wenn sie ihren Betrieb einstellen, mit anderen Objekten kollidieren oder schließlich unkontrolliert wieder in die Atmosphäre eindringen.
Dies wirft ein praktisches Problem auf: Satelliten können nicht einfach zur Reparatur mit nach Hause genommen werden. Wie warten wir also Zehntausende Maschinen, die sich Hunderte Kilometer über der Erde befinden?
Das Gespräch, CC BY-SA-Satelliten halten nicht ewig
Die Herausforderung der Satellitenwartung wurde im März dieses Jahres deutlicher, als ein großer NASA-Satellit unkontrolliert wieder in die Erdatmosphäre eindrang.
Die US Space Force bestätigte, dass das Raumschiff über dem Ostpazifik wieder eingedrungen ist und die NASA erwartete, dass der größte Teil davon verglühen würde, obwohl einige Komponenten möglicherweise überlebt haben. Das Ereignis erregte weltweite Aufmerksamkeit, da Experten seinen Abstieg verfolgten und abschätzten, wohin Trümmer fallen könnten, einschließlich der Möglichkeit, dass große Trümmer eines Tages besiedelte Gebiete beschädigen könnten.
Der Vorfall war eine Erinnerung daran, dass Satelliten nicht ewig halten. Wie jede Maschine altern sie. Batterien werden schwächer, elektronische Komponenten verschleißen und die rauen Bedingungen im Weltraum fordern langsam ihren Tribut.
Allerdings können wir Satelliten im Gegensatz zu Flugzeugen oder Autos nicht einfach in eine Reparaturwerkstatt bringen.
Nach dem Start müssen sie weiterhin in einer Umgebung intensiver Strahlung, extremer Temperaturschwankungen und ständiger mechanischer Belastung betrieben werden. Wartungseinsätze sind technisch möglich, bleiben aber teuer und relativ selten.
Wie halten wir Satelliten „gesund“?
Der Status von Satelliten wird heute weitgehend vom Boden aus überwacht.
Ingenieure erhalten Telemetriedatenströme, die Batterieleistung, Temperaturen, Stromverbrauch und den Status der Bordsysteme anzeigen. Sie analysieren diese Informationen und suchen nach Warnzeichen dafür, dass möglicherweise etwas schiefläuft.
Dieser Ansatz hat sich über Jahrzehnte bewährt. Aber es könnte immer schwieriger werden, wenn die Satellitenkonstellationen von Dutzenden von Raumfahrzeugen auf Hunderte oder sogar Tausende anwachsen. Menschliche Bediener können jeweils nur eine begrenzte Menge an Informationen überwachen.
Hier können die jüngsten Fortschritte in der künstlichen Intelligenz (KI) helfen. Forscher haben untersucht, wie KI frühe Anzeichen einer Verschlechterung von Satelliten erkennen kann, bevor sie zu missionsbedrohenden Ausfällen führen.
Ein wichtiges Beispiel sind Batterien. Satellitenbatterien verlieren mit der Zeit allmählich an Leistung, ähnlich wie die Batterie in einem Smartphone oder einem Elektrofahrzeug.
Wenn diese Verschlechterung frühzeitig erkannt wird, können Betreiber die Art und Weise, wie ein Satellit genutzt wird, anpassen, seine Betriebslebensdauer verlängern oder unerwartete Ausfälle vermeiden. They could do this by sending new instructions to the satellite, such as reducing power-hungry activities, changing when data are processed or transmitted, or placing non-essential systems into standby.
Unsere aktuelle Forschung nutzte öffentlich verfügbare NASA-Satellitenbatteriedaten, um zu untersuchen, wie maschinelles Lernen (eine Art künstliche Intelligenz) Muster im Zusammenhang mit der Batteriealterung erkennen und die zukünftige Leistung vorhersagen kann.
Das Ziel ähnelt vorausschauenden Wartungssystemen, die bereits in modernen Flugzeugen, Windparks und Produktionsanlagen eingesetzt werden. Anstatt darauf zu warten, dass Geräte ausfallen, sucht die KI nach subtilen Veränderungen, die darauf hindeuten, dass sich möglicherweise Probleme entwickeln.
Satelliten können voneinander lernen
In unserem Ansatz berücksichtigen wir auch föderiertes Lernen.
Normalerweise müssten riesige Mengen an Satellitendaten zur Analyse zur Erde übertragen werden. Dies erfordert Zeit, Bandbreite und Energie. Föderiertes Lernen bietet einen anderen Ansatz. Einzelne Satelliten können aus ihren eigenen Erfahrungen „lernen“ und nützliche Informationen mit anderen Satelliten oder Bodensystemen teilen, ohne ständig alle Rohdaten zu senden.
Vereinfacht ausgedrückt könnten Satelliten sich gegenseitig dabei helfen, potenzielle Ausfälle zu erkennen. Dies könnte im Laufe der Zeit eine kontinuierliche Selbstüberwachung in großen Satellitennetzwerken unterstützen.
Es gibt jedoch wichtige Einschränkungen.
KI kann nicht alle Satellitenausfälle verhindern. Es kann allein weder Weltraumschrott entfernen noch eine Überlastung der Umlaufbahn beheben. Vorhersagemodelle erfordern umfangreiche Tests, wie den Vergleich mit historischen Satellitendaten, simulierten Ausfällen und Laborbatterieexperimenten, bevor sie in die Umlaufbahn gebracht werden. Und jedes autonome Entscheidungssystem muss für sicherheitskritische Anwendungen zuverlässig genug sein und gleichzeitig unter menschlicher Aufsicht stehen.
Die nächste große Herausforderung des neuen Weltraumzeitalters besteht möglicherweise nicht darin, einfach weitere 100.000 Satelliten zu starten. Möglicherweise geht es darum, sicherzustellen, dass diese Satelliten intelligent genug sind, um ihren eigenen Zustand zu überwachen, Probleme frühzeitig zu erkennen und dazu beizutragen, dass die Weltraumdienste, auf die wir angewiesen sind, sicher und zuverlässig funktionieren.