KI-Unterstützung für die Astronauten der Internationalen Raumstation HPE darf zweiten Weltraum-Computer zur ISS schicken

Am 20. Februar 2021 ist es soweit: Der „Spaceborne Computer-2“ von Hewlett Packard Enterprise (HPE) wird mit der Frachtmission „Cygnus NG-15“ zur Internationalen Raumstation (ISS) gebracht. Dort soll der Rechner in den kommenden zwei bis drei Jahren Forschungsprojekten dienen.

Edge Computing ist in der IT-Welt in aller Munde. „Der Weltraum aber“, so Mark Fernandez, Solution Architect, Converged Edge Systems bei HPE und Principal Investigator für Spaceborne Computer-2 (SBC-2), „ist, wenn man so will, die Edge der Edge.“ Und die Erwartungen an das Nachfolgemodell von „Spaceborn 1“ sind hoch.

Die Astronauten und Weltraumforscher an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) sollen die Dauer von Experimenten von Monaten auf Minuten verkürzen können. Die Einsatzfelder reichen von der medizinischen Bildverarbeitung und DNA-Sequenzierung bis zur Analyse von Daten aus einer Vielzahl von Sensoren und Satelliten.

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Und das, obwohl nicht einmal alle Untersuchungen an SBC-1 abgeschlossen sind. Covid19 macht der Auswertung ein Stich durch die Rechnung. Zum Beispiel sollten detaillierte Erkenntnisse vorliegen, wie sich SSDs in der Schwerelosigkeit verhalten, ob sich etwa die Lese- oder Schreibgeschwindigkeit verändert. Und weil Untersuchungsergebnisse fehlen, wollte Fernandez viele verschiedene Speichertechniken ins Weltall schicken, um hernach die heraus zu sortieren, welche sich als ungeeigneter entpuppten.

Doch auch hier schob die Pandemie einen Riegel vor. Die Speicher waren nicht rechtzeitig zu bekommen – kaum zu glauben bei einem derart prestigeträchtigen Projekt. Immerhin ist das Projekt Teil der NASA-Mission für bemannte Raumfahrt zum Mond, Mars und darüber hinaus, wo zuverlässige Datenverarbeitung und Kommunikation entscheidende Voraussetzung sind.

Standardserver und modifizierte Sytemsoftware

Mit dem Spaceborne Computer-2 wird das Konzept seines Vorgängers weiterentwickelt. Schon bei Nummer 1 wurde getestet, ob nur mittels Software gehärtete, handelsübliche Standard-Server den Erschütterungen eines Raketenstarts ins All standhalten und unter Weltraumbedingungen wie Schwerelosigkeit und starker kosmischer Strahlung fehlerfrei funktionieren können.

Dafür sind die normalerweise in einem System-Management untergebrachten Funktionen wie Connectivity und Sicherheit in die komplett redundant ausgelegten Rechner gewandert, sodass jeder für sich autonom funktionieren kann. Der Spaceborne Computer-2 bietet im Vergleich zum Vorgänger die doppelte Rechenleistung und beruht auf so genannten Edge-Computing-Systemen in Kombination mit handelsüblichen Servern, die auch bei vielen Unternehmen im Einsatz sind.

Allein die Unterbringung unterscheidet sich. Das 'Rack' ist hinten abgerundet; alle Bauteile in der ISS seien zylindrisch, erläutert Fernandez.

Versorgt werden die Rechner mit Gleichstrom, quasi direkt aus den Solarflügeln der ISS. Diese umrundet übrigens in circa 90 Minuten die Erde, sodass die Zeit, die sie im Schatten verbringt, überschaubar ist. Dennoch gibt es eine Batterie-basierte Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Um längere Energie-Engpässe überstehen zu können, lassen sich die Rechner in acht Stufen schlafen legen. Um die Rechner zu kühlen, sind sie an den Wasserkreislauf der ISS angeschlossen.

Anders als das Vorgängermodell ist Spaceborne Computer-2 mit auch Grafikprozessoren ausgestattet. Denn es sollen Projekte mit Künstlicher Intelligenz und Maschinellem Lernen umgesetzt werden. So sind Satelliten- und Kameradaten auszuwerten, etwa Aufnahmen von den Polkappen und medizinische Röntgenbilder.

Garrett Reismann, ehemaliger NASA-Astronaut – er gehörte 2008 zur 16. Langzeitbesatzung der ISS (STS-123), flog mit der Raumfähre Atlantis, führte 2010 zwei Außeneinsätze aus und wechselte 2011 zum Raumfahrtunternehmen SpaceX, wo er die Rakete Falcon und das Raumschiff Dragon für bemannte Einsätze mitgestaltete – erläuterte als Keynote-Sprecher auf der Dynatrace-Veranstaltung „Perform 21“vergangene Woche, dass die Besatzung einer Marsmission etwa drei Jahre kein Krankenhaus zu sehen bekäme. Zur Vorbereitung darauf ist also die Auswertung der medizinischen Daten von den Astronauten immens wichtig. Darüber hinaus betont Reisman, wie wichtig Intelligenz an Bord sei.

Zu seiner NASA-Zeit hätten die Astronauten die Flugbahn noch mehr oder minder manuell berechnen müssen. Ein Vertun? Ausgeschlossen, da ein solcher Fehler im wahrsten Sinne tödlich gewesen wäre. Er kritisiert, dass die US-Raumfahrtbehörde lange Zeit zu wenig in Innovationen investiert habe, was letztlich die Raumfahrt quasi zum Erliegen gebracht habe und letztlich die Türen für die Privatwirtschaft geöffnet und die NASA aus ihrer Komfortzone heraus gerissen habe. Bevor er zu SpaceX gewechselt sei, hätten auf der ISS noch 386er Rechner gewerkelt.

Rechen-Power und Künstliche Intelligenz

Intelligente Systeme an Bord eröffneten erst die Möglichkeit, sich neuen Aufgaben zu widmen. Die Programme an Bord der ISS hätten lange Zeit eigentlich nur Prozess- und Kontrolldienste verrichtet. Müssten die Astronauten sich zudem auch noch überwiegend manuell um diese kümmern, sei eine Weiterentwicklung der Forschung an Bord oder gar die Vorbereitung eines Marsbesuchs unmöglich.

Zum Beispiel wäre es denkbar, Onkologen oder Fachkräfte aus anderen Bereichen mitzunehmen, die nicht vorab das gesamte Astronautenwissen anhäufen müssten. Eine Art Grundausbildung würde reichen und sie könnten sich intensiv um ihre Forschungen kümmern.

Jedenfalls sollen die Astronauten auf der ISS durch die Verfügbarkeit der Rechenkapazitäten von Spaceborn Computer-2 nicht auf die Server auf der Erde angewiesen sein. Das Kriterium ist wichtig, da die Signalübertragung sehr lange dauern kann – zwischen Erde und Mars beispielsweise rund 20 Minuten. Allerdings gibt es bei der NASA ein genaues Abbild der ISS-Rechner auf dem Boden – das war beim Einsatz von Spaceborn-1 auch schon so.

Konkret sollen mit dem neuen Weltraum-Computer unter anderem Forschungsprojekte in den folgenden Bereichen durchgeführt werden:

• Echtzeit-Überwachung des Gesundheitszustands der Astronauten durch die Verarbeitung von Röntgenbildern, Sonogrammen und anderen medizinischen Daten.

• Auswertung von Sensordaten: Es gibt Hunderte von Sensoren, die von der NASA und anderen Organisationen auf der ISS und auf Satelliten angebracht wurden. Sie sammeln riesige Datenmengen, die eine große Netzwerkbandbreite benötigen würden, falls sie für eine Analyse zur Erde geschickt werden müssten. Mit Hochleistungsrechnern im Weltraum können Forscher Bild- oder Signaldaten bestimmter Szenarien direkt an Bord auswerten, zum Beispiel die Verkehrsentwicklung und die Anzahl der Autos auf Straßen und Parkplätzen, die Luftqualität durch Messung der Emissionswerte und anderer Schadstoffe in der Atmosphäre, oder die Verfolgung von Objekten, die sich im Weltraum und in der Atmosphäre bewegen – also von Flugzeugen bis Raketenstarts.

Darüber hinaus können Forscher weltweit Spaceborne Computer-2 nutzen – in Verbindung mit der Cloud-Plattform „Microsoft Azure Space“ – Dazu einige Beispiele beziehungsweise Anregungen:

• Simulation und Berechnung von Staubstürmen auf der Erde, um zukünftige Vorhersagen auf dem Mars zu verbessern: Staubstürme können den gesamten roten Planeten bedecken und die Leistung der Solarenergie-Erzeugung verringern, die für die Deckung des Energiebedarfs der Mission entscheidend ist.

• Bewertung des Flüssigkeitsverbrauchs und der Umweltparameter beim Anbau von Pflanzen im Weltraum: Indem Daten aus hydroponischen Prozessen gesammelt und mit großen Datensätzen auf der Erde verglichen werden, lassen sich die Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie unterstützen.

• Analyse von Blitzschlagmustern, die Waldbrände auslösen: Blitzeinschlagmuster können mit Hilfe großer Datenmengen von 4K-Video-Streaming-Kameras ausgewertet werden, die Blitzeinschläge auf der Erde aufzeichnen.

• Analyse medizinischer Ultraschallbilder auf der ISS zur Unterstützung der medizinischen Versorgung von Astronauten.

Einreichungen für Forschungsvorschläge zum Spaceborne Computer-2 sind ab sofort möglich. Mehr dazu auf der Spaceborn-Website.

Auf der Erde bewährt

Die Edge-Computing-Technik von HPE wird auf der Erde typischerweise in unwirtlichen, abgelegenen Umgebungen eingesetzt, etwa in Öl- und Gasraffinerien oder in Fabriken. Spaceborne Computer-2 nutzt das System „HPE Edgeline Converged EL4000“, das Erschütterungen und hohen Temperaturen standhalten kann und speziell zur Analyse von großen Datenmengen verteilter Geräte und Sensoren entwickelt wurde. In Kombination mit dem Server „HPE Proliant DL360“ wird auch das Höchstleistungsrechnen oder Künstliche Intelligenz unterstützt.

Die Vorarbeit

Im November des vergangenen Jahres hatte HPE wesentliche Fortschitte der NASA bekanntgegeben, die dazu dienen, Menschen auf dem Mond landen zu lassen. Voraussetzung dafür seien komplexe Simulationen auf dem „Aitken"-Supercomputer, der von HPE betrieben wird.

Die Mission „Artemis“ soll im Jahr 2024 starten. Geplant ist eine Landung auf dem Südpol.

Es geht um ein besseres Verständnis des Trennungsvorgangs der Raketenantriebe und der Startumgebung im Kennedy Space Center während des Abhebens. Um die rechenintensive Modellierungen und Simulationen insbesondere im Bereich der numerischen Strömungsmechanik (CFD) zu ermöglichen, hat das Cluster, das seit Januar 2021 betriebsbereit ist, mehr Rechenleistung bekommen. In der Erweiterung stecken „AMD Epyc“-Prozessoren der zweiten Generation.

Um alle Variablen während der Stufentrennung beim Start der Artemis-Rakete zu simulieren und zu modellieren, hat die NASA eine Datenbank mit aerodynamischen Daten entwickelt, um die mögliche Positionierung der Booster während der Trennung darzustellen. Bis jetzt konnten 22 verschiedenen Triebwerks-Raketenfahnen, also sich bewegende heiße Abgase, berücksichtigt werden.

De Artemis-Mission soll im Kennedy Space Center, Merritt Island, erfolgen. Die NASA-Forscher der NASA müssen zum Beiepsiel die Auswirkungen der Zündüberdruck- (IOP) und Kanalüberdruckwellen (DOP) verstehen, die hier durch die schnelle Ausdehnung des Gases aus der Raketendüse während des Starts verursacht werden.

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