Das GPS-Problem im Weltraum

Die meisten Menschen machen sich darüber keine Gedanken: Wenn wir von Satelliten "navigieren" sprechen, dann nutzen diese meist GPS-Signale von — anderen Satelliten. Auf der Erdumlaufbahn funktioniert das wunderbar. Aber fliegen Sie einmal zum Mond, und schon befinden Sie sich in einer navigativen Sackgasse. GPS-Signale reichen einfach nicht so weit. Und selbst in einigen hundert Kilometern Höhe wird es bereits unzuverlässig.

Das wird zum echten Problem. Denn NASA — und zahlreiche andere Raumfahrtbehörden und Unternehmen — denken längst ernsthaft über Mondumlaufbahnen, Mars-Missionen und Satellitenschwärme um andere Planeten nach. Man kann schlecht an einer Tankstelle halten und nach dem Weg fragen, wenn man durchs All treibt.

Also hat NASA das getan, was NASA eben macht: Eine elegante Lösung gefunden, die direkt vor aller Augen lag.

Müll wird zur Navigation

Die Starling-Mission — vier winzige Satelliten, die 2023 ins All geschossen wurden — hat gerade etwas Bemerkenswertes vorgeführt. Ihr FALCON-System (ein etwas sperriger Name für Fast Autonomous Lost-in-space Catalog-based Optical Navigation) kann die genaue Position eines Raumfahrzeugs bestimmen, indem es einfach die Objekte um es herum beobachtet.

Stellen Sie sich das so vor: Sie stehen in einem dunklen Raum und können die Wände nicht sehen. Aber Sie erkennen leuchtende Gegenstände um sich herum. Anhand deren Lage zueinander könnten Sie ungefähr berechnen, wo Sie sich befinden. Genau das macht FALCON — nur dass der "dunkle Raum" das Weltall ist und die "leuchtenden Objekte" aktive Satelliten, ausgediente Satelliten, Raketenoberstufen und allgemeiner Weltraummüll sind.

Das System nutzt die Sternenverfolgungskameras des Raumfahrzeugs. Die dienen normalerweise nur dazu, dem Satelliten seine Ausrichtung anzuzeigen. FALCON nutzt sie allerdings völlig anders. Statt nur Sterne zu betrachten, identifiziert es jedes sichtbare Objekt, gleicht es mit einem öffentlichen Katalog bekannter Weltraumobjekte ab (ja, so ein Katalog existiert tatsächlich) und nutzt diese bestätigten Objekte als Referenzpunkte für die eigene Positionsberechnung.

200 Objekte in drei Tagen — und es werden mehr

Jetzt wird es richtig spannend. Während der Tests identifizierte und verfolgte FALCON Objekte, die von Starlings Kameras erfasst wurden. Es verglich das Gesehene mit den Katalogdaten und nutzte diese Beobachtungen dann nicht nur zur Bestimmung der eigenen Position, sondern auch zur Verbesserung der Umlaufbahn-Vorhersagen für die verfolgten Objekte.

In nur drei Tagen — ohne jeglichen Input von Boden teams — verfeinerte FALCON die Umlaufbahnen von über 200 verschiedenen Objekten. Und das Beste: Die daraus resultierenden Schätzungen waren tatsächlich genauer als die ursprünglichen Katalogdaten. Der Satellit brachte dem System im Grunde etwas Neues über seine Umgebung bei.

Das kommt für mich direkt aus einem Science-Fiction-Film. Raumfahrzeuge, die eigenständig Astronomie betreiben und dabei bessere Ergebnisse liefern als unsere bisherigen Daten. Wow.

Warum das für die Zukunft wichtig ist

Dafür begeistere ich mich aus mehreren Gründen.

Erstens: Denken Sie an das Management von Weltraumverkehr. Wir haben mittlerweile Tausende aktiver Satelliten da oben, und die Zahl wächst rasant. Die Fähigkeit, Objekte zu verfolgen, ohne sich vollständig auf bodengestützte Radarnetzwerke zu verlassen, würde Kollisionsvermeidung erheblich verbessern. Wenn Satelliten sich gegenseitig sehen und diese Informationen teilen können, profitieren alle.

Zweitens — und vielleicht noch aufregender — ist dies genau die Technologie, die wir für die ehrgeizigen Pläne einer Mondstation und zukünftige Mars-Missionen brauchen werden. Wenn Sie versuchen, mehrere Raumfahrzeuge um den Mond zu koordinieren, können Sie nicht ständig nach Hause funken, um herauszufinden, wo sich jeder befindet. Die Verzögerung allein würde Echtzeit-Steuerung unmöglich machen. Aber wenn Ihre Satelliten selbst navigieren können? Das verändert alles.

Das Starling-Team plant, die Technologie später in diesem Jahr noch weiterzuentwickeln. Die vier Raumfahrzeuge sollen ihre Verfolgungsbeobachtungen untereinander teilen und ihre Daten kombinieren, um Positionen gemeinsam zu verfeinern. Stellen Sie sich eine kleine Satelliten-Konstellation vor, die zusammenarbeitet, um ihre eigene Nachbarschaft in Echtzeit zu kartieren. Ziemlich cool, oder?

Von der Stanford-Universität ins All

Ich liebe es, dass dies als universitäres Forschungsprojekt begann. EraDrive — das Unternehmen, das die Technologie jetzt kommerziell vertreibt — kam von der Stanford-Universität durch NASAs SmallSat-Partnerschaftsprogramme. So sollte sich Raumfahrttechnologie entwickeln: Gute Ideen von Forschern aufgreifen, ihnen eine echte Umgebung zum Beweis geben, und wenn sie funktionieren, ihnen helfen, den breiteren Markt zu erreichen.

Wir werden in Zukunft noch viel mehr clevere Software wie diese brauchen, wenn der Weltraum voller wird. GPS kommt nicht so bald zum Mond. Also sollten wir unsere Satelliten lieber lehren, selbst zurechtzukommen.

Und ehrlich gesagt — wenn diese kleinen Raumfahrzeuge mit beliebigen Weltraummüll-Objekten als Wegweiser navigieren können, steckt vielleicht auch eine Lebensweisheit dahinter: Mach das Beste aus dem, was um dich herum ist.