Wenn die Erde zu weit weg ist
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat begonnen, eine Antwort auf eine zentrale Frage für die astronautische Raumfahrt der Zukunft zu finden: Wie betreibt man ein Raumfahrzeug auf einer Mission, die tief in den Weltraum vorstößt und die Erde zu weit entfernt ist, als dass man der Crew in Echtzeit von der Erde aus helfen könnte? Eine Möglichkeit könnte ein lernendes, smartes Assistenzsystem wie METIS (Mars Exploration Telemetry-driven Information System) sein – die Idee: eine Art zuverlässige reale Version des fiktionalen „HAL 9000“ aus dem Film „2001 – Odyssee im Weltraum“. An dem Konzept wird dort gearbeitet, wo europäische Raumfahrt seit Jahrzehnten im Alltag betrieben wird – im Nationalen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) am DLR-Standort Oberpfaffenhofen.
Bild: NASA
Mit dem GSOC unterstützt das DLR zum Beispiel im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA den Betrieb des Columbus-Moduls auf der Internationalen Raumstation ISS, dem europäischen Anteil an der ISS. Im Kontrollzentrum laufen Telemetriedaten ein, Systeme werden überwacht, Prozeduren abgearbeitet, Dialog mit der Crew geführt, ihre Aktivitäten geplant, Kommandos vorbereitet, Instandhaltungsroutinen initiiert, Anomalien an Bord bewertet. Dieses Zusammenspiel aus Technik, Erfahrung, menschlicher Interaktion zwischen Weltraum und Boden, Regelsystemen und Entscheidungen soll METIS nun im weit entfernten Weltraum übernehmen.
„METIS ist ein Konzept für ein intelligentes Assistenzsystem, das wir am Columbus-Kontrollzentrum gemeinsam mit dem Industriepartner System Vertrieb Alexander SVA GmbH entwickeln“, sagt Carsten Hartmann, der das Projekt METIS für die DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining leitet. „Das System soll lernen, wie der Raumflugbetrieb heute von den Kontrollzentren aus durchgeführt wird – und daraus Werkzeuge für den Betrieb künftiger Missionen ableiten. Zukünftig soll METIS direkt an Bord von Raumfahrzeugen zum Einsatz zu kommen und den Crews unterstützend zur Seite stehen. Das Besondere an METIS ist die Nähe zur Praxis. METIS entsteht nicht aus abstrakten Datensätzen, sondern aus realem Raumfahrtbetrieb, bei dem seit vielen Jahren Daten, Wissen und Erfahrungen am GSOC gesammelt werden.“
Menschen im All entlasten und unterstützen, wenn kein Echtzeitkontakt zur Erde besteht
Der Bedarf entsteht durch die nächsten Schritte, vor denen die astronautische Raumfahrt heute steht. Seit Beginn der astronautischen Raumfahrt arbeiten Menschen im erdnahen Orbit auf Raumstationen oder zwischen Erde und Mond. Bei all diesen Missionen ist die Erde nah genug für einen schnellen Austausch mit den Kontrollzentren, denn die Signallaufzeiten ermöglichen einen Dialog in Echtzeit oder mit leichten Verzögerungen von wenigen Sekunden. Für künftige Missionen jenseits des Mondorbits wird das nicht mehr gelten. Bei Marsmissionen zum Beispiel kann ein Funksignal bis zu 23 Minuten für eine Richtung benötigen. Eine Antwort kann somit erst nach bis zu 46 Minuten vorliegen. In kritischen Situationen ist das zu spät.
Vollständige Autarkie im Deep Space – ein Paradigmenwechsel in der astronautischen Raumfahrt
Dass künftige Crews jenseits des Mondes eigenständig handeln müssen, ist ein Novum. Erreicht werden soll diese Autarkie auf Weltraummissionen durch smarte Systeme, die Daten einordnen, Routinevorgänge steuern, Vorschläge machen und Entscheidungen vorbereiten. METIS ist dabei kein Programm, das einfach „die Kontrolle übernimmt“.
Die Grundidee ist, das System als Multi-Agenten-System aufzubauen. Das Konzept orientiert sich an der menschlichen Entscheidungsfindung, dem sogenannten OODA-Loop: beobachten, beurteilen, entscheiden, handeln – im Englischen „Observe-Orient-Decide-Act“. Ein Monitoring-Agent überwacht eine riesige Menge an Parametern zum Zustand des Raumfahrzeugs. Ein Reasoning-Agent bewertet Anomalien und schlägt Aktivitäten zu deren Lösung vor. Ein Planning-Agent prüft und verändert Abläufe während des laufenden Betriebs. Ein Commanding-Agent unterstützt die Vorbereitung und Ausführung von Kommandos.
Das Columbus-Modul der ISS dient als Inspiration für METIS und liefert zum Beispiel Betriebslogik, Prozeduren, historische Telemetrie und dokumentierte Anomalien. Hinzu kommt das Erfahrungswissen der Flight Controller. Sie bewerten nicht nur einzelne Messwerte, sondern verstehen, was ein Wert im Zusammenhang mit einer Aktivität, einer Systemkonfiguration oder einer früheren Abweichung bedeutet und können entsprechend reagieren. All das bildet die riesige Datenbasis, mit der METIS trainiert wird.
Um das nötige Lageverständnis zu erlangen, sind die jahrzehntelang archivierten Telemetriedaten besonders wertvoll. Eine Lage richtig einschätzen zu können, ist besonders in einer abgeschlossenen Hightech-Umgebung eines Raumschiffs höchst komplex. Diese Komplexität gehört zu den größten Herausforderungen für autonome Assistenzsysteme. So kann ein Temperaturwert unauffällig sein – oder ein Hinweis auf ein ernstes Problem. Eine Verzögerung im Tagesplan kann harmlos sein – oder Auswirkungen auf weitere Aktivitäten an Bord eines Raumfahrzeugs und die Sicherheit haben. Ein Alarm kann auf eine echte Anomalie hindeuten – oder durch einen bekannten Funktionstest ausgelöst werden. METIS wird solche Zusammenhänge künftig schneller erfassen und für Astronautinnen und Astronauten nachvollziehbar machen.
Nachvollziehbarkeit – der Schlüssel zum Vertrauen von Menschen in KI-Assistenz
Ein Assistenzsystem kann noch so schnell Ergebnisse liefern. Ob diese in einem konkreten Fall als zuverlässig oder als seltsame „KI-Halluzination“ bewertet werden, hängt entscheidend von den Vorerfahrungen der Menschen mit ihren virtuellen Assistenten ab. Bereits vor einem – vielleicht kritischen – Vorfall muss die KI beweisen, dass sie vertrauenswürdig und verlässlich ist. Dies benötigt im Vorfeld eine längere gemeinsame Zeit und dabei stets die maximale Transparenz der Ausgabe der „Maschine“. Darum ist deren Nachvollziehbarkeit ein zentraler Baustein der METIS-Architektur. Das Assistenzsystem muss immer erklären können, warum es eine Situation wie bewertet. Und es muss seine Grenzen kennen und stets menschliche Eingriffe ermöglichen. Schließlich soll kein „HAL 9000“ wie in Kubricks Film entstehen, der die Anweisungen der Besatzung ignorieren kann.
METIS ist aktuell noch kein operatives System für den laufenden Raumfahrtbetrieb, sondern besteht aus bodengebundenen Prototypen. Getestet wird das System bislang am Columbus-Simulator am Boden. Dort lassen sich Aktivitäten, Telemetrie und Anomalien untersuchen, ohne in den realen Betrieb im Erdorbit einzugreifen. Das prägt grundsätzlich das Selbstverständnis der Raumfahrtforschung: Neue Systeme müssen schrittweise erprobt, validiert und verstanden werden, bevor sie sicherheitsrelevante Aufgaben übernehmen können. Ziel des METIS-Teams ist es, das System auf der Internationalen Raumstation ISS – und damit in einem realen Umfeld einer astronautischen Weltraummission – zu testen, sobald es den entsprechenden technologischen Reifegrat erreicht hat.
DLR-Weltraumforschung am Nationalen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC)
Ein Assistenzsystem wie METIS zeigt das Potenzial der Forschungsaktivitäten am Nationale Raumfahrtkontrollzentrum (German Space Operations Center, kurz GSOC). Dort verbindet das DLR zwei Welten: Aus der Erfahrung aus dem Betrieb auf der ISS entstehen zugleich forschungsseitig immer wieder Ideen und Wissen für Technologien und Missionskonzepte, die die astronautische Raumfahrt in den 2030er Jahren deutlich weiterbringen können – nach dem Mond zum Mars und auch darüber hinaus.