Im Jahr 2017 begann ein großer internationaler Rummel um die Weltraumforschung und Luxemburg: Luxemburg verabschiedete einen gesetzlichen Rahmen für die Nutzung von Weltraumressourcen und startete die Initiative spaceresources.lu, um Unternehmen im Raumfahrtsektor anzuziehen. Im Jahr 2020 wurde das Europäische Innovationszentrum für Weltraumressourcen (ESRIC) eröffnet und im selben Jahr wurde die Weltraumrobotik Teil der nationalen Forschungsprioritäten Luxemburgs.
Luxemburg hat sich schon früh in der Erforschung von Weltraumressourcen einen Namen gemacht. Mehrere Forschungsprojekte befassen sich mit dem Thema, das von vielen als eine Art letzte Bastion angesehen wird. Seit 2016 wächst der Raumfahrtsektor im Großherzogtum rasant: Rund 75 Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind im Raumfahrtsektor tätig und beschäftigen fast 1.200 Menschen.
Die Mondoberfläche simulieren
Ein starker Kontrast zwischen Licht und Schatten, die kraterartige Oberfläche ist körnig und staubig. Mit einer Bewegung, die der eines Panzers nicht unähnlich ist, rollt ein Rover am Rand des Kraters heran. Was sich wie der Mond anhört, ist in Wirklichkeit ein 80 m2 großes Labor, in dem 20.000 kg Basaltschotter den Untergrund des Mondes simulieren. Überall mit Sensoren ausgestattet, können Studenten und Forscher ihre Künstlich Intelligenz (KI) Algorithmen und die Bewegungen der Roboter millimetergenau überwachen.
Das LunaLab, das im Rahmen des Interdisciplinary Space Masters der Universität Luxemburg eröffnet wurde, ist eine der wenigen Einrichtungen weltweit, die mondähnliche Bedingungen simuliert.
„Neue Unternehmen konzentrieren sich auf neue Aktivitäten, bei denen Robotik essenziell ist – wie zum Beispiel die Erforschung des Weltraums. Im LunaLab konzentrieren wir uns auf die Simulation des visuellen Erscheinungsbildes des Mondes, so dass wir KI-Algorithmen für die Lokalisierung, Kartierung, Trajektorienplanung und Steuerung – im Grunde die autonome Navigation der Roboter – testen können“
Prof Miguel Olivares-Mendez
Prof Miguel Olivares-Mendez, der das LunaLab leitet, arbeitet mit seiner 15-köpfigen Forschungsgruppe SpaceR an der Entwicklung von KI-Algorithmen zur autonomen Navigation in verschiedenen Forschungsbereichen mit Bezug zum Weltraum. Dazu gehören die orbitale Robotik – Raumfahrzeuge oder Satelliten, die bestimmte Aufgaben im Weltraum autonom, teilautonom oder ferngesteuert ausführen können.
Zur planetaren Robotik gehören Lander, Rover, Hopper und andere mobile Systeme zur Erkundung von Himmelskörpern und zum Auffinden, Identifizieren, Extrahieren und Sammeln von Weltraumressourcen für deren Nutzung im Weltraum (ISRU). Konkrete Beispiele für die Orbitalrobotik sind Satelliten und Raumfahrzeuge, die mit Robotikwerkzeugen wie Roboterarmen oder robotischen Andocksystemen für On-Orbit-Services wie Betankung, Wartung, Re-/De-Orbit, etc. ausgestattet sind, mit kollaborativen und nicht-kollaborativen Zielen. Beides zusammen wird als Space Robotics definiert.
Gemeinsam mit Prof. Gilbert Fridgen (FNR-Paypal PEARL Lehrstuhl) hat Miguel ein neues Weltraumforschungsprojekt gestartet, in dem die Wissenschaftler Weltraumroboter entwickeln, die einer vorgegebenen Governance folgen (RegTech) und autonome wirtschaftliche Entscheidungen treffen (FinTech), um gemeinsam kollaborative Multi-Roboter-Systeme zu schaffen. Diese Art der dynamischen Zusammenarbeit zwischen Weltraumrobotern könnte die Marktbarrieren im Raumfahrtsektor senken und die gesamte Branche verändern.
Einem Lunar Rover beibringen, allein auf dem Mond zu navigieren
Bei der Erforschung des Weltraums ist Zeit alles. Die Zeit, die ein Mondrover zur Erfüllung seiner Mission hat, ist begrenzt und im Idealfall sollte keine Zeit verschwendet werden – ein Mondrover sollte herausfinden, wie er so schnell wie möglich von A nach B kommt.
„Jede Autonomie, die man dem Roboter geben kann, erhöht die Menge an Wissenschaft, die man in der Missionszeit erledigen kann“ – Philippe Ludivig, ein Forscher der an der Entwicklung eines Navigationssystems für einen kleinen Mondrover gearbeitet hat.
„Wir mussten dem Roboter ein gewisses Bewusstsein für sich selbst und seine Umgebung beibringen. Dazu gehört eine genaue Lokalisierung, d. h. eine Einschätzung, wo sich der Roboter im Verhältnis zu seinem Ausgangspunkt befindet. Sobald der Roboter seine Position kennt, kann er feststellen, ob er sich erfolgreich von A nach B bewegt hat,“ erklärt Philippe.
„In diesem Bereich werden aber auch komplexere Formen der Autonomie erforscht, bei denen es auch um die Erkennung und Vermeidung von Hindernissen und die Planung von Wegen geht. Bei Anwendungen auf der Erde wird dieses Lokalisierungsproblem größtenteils durch GPS-Systeme gelöst, aber bei Planetenrobotern liegt die Schwierigkeit darin, dass es keine solchen externen Lokalisierungssysteme gibt. Die Arbeit konzentrierte sich daher auf interne Lokalisierungssysteme, die in kleine Mondroboter eingebaut werden können.“
In der Forschung wird dies als „SLAM“ bezeichnet – „Simultaneous Localisation and Mapping“. Es ermöglicht dem Rover im Wesentlichen, seine Umgebung zu verstehen, was der erste Schritt ist, um in dieser Umgebung autonome Entscheidungen zu treffen.
Bei dem System, an dem Philippe gearbeitet hat, scannt der Lunar Rover jeweils einen Bereich, der als Punktwolke dargestellt wird – eine 3D-Karte der Oberfläche. Stück für Stück erstellt der Rover eine Karte. Der Computer Wissenschaftler arbeitet sowohl mit Mondrovern auf dem ispace-Mondtestgelände in Luxemburg als auch mit Rovern im LunaLab am SnT der Universität Luxemburg, an denen er seine Forschung getestet hat.
Bis 2023 könnte dieses neuartige Navigationssystem in Betrieb sein und eine Schlüsselrolle im ambitionierten Programm von ispace zur Erforschung des Polareises spielen.
„Es ist schön, wenn man abends nach Hause geht, auf den Mond schaut und sagen kann: ‚Da fliegt meine Forschung hin!'“
Philippe Ludivig
Welchen Unterschied hat das Projekt für Luxemburg gemacht? Das LunaLab an der Universität Luxemburg und der Lunar Yard bei ispace in Luxemburg sind beide direkte Früchte dieser Forschung. In Luxemburg gibt es jetzt Einrichtungen, die sich auf das Testen von bildverarbeitungsbasierten Lokalisierungssystemen für die Robotertechnik auf der Mondoberfläche konzentrieren. Derzeit gibt es weltweit nur eine Handvoll ähnlicher Einrichtungen!
Philippe hat seine Forschung im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen dem SnT der Universität Luxemburg und dem japanischen Monderkundungsunternehmen ispace durch. Die FNR verfügt über spezielle Förderprogramme (Industrial Fellowships und BRIDGES), die es Forschern in Luxemburg ermöglichen, mit Unternehmen zusammenzuarbeiten. Philippes Projekt ist eines von mehreren FNR-finanzierten Kooperationen zwischen ispace und Forschern.
Verstehen, wo es Licht und wo es Dunkelheit gibt
Dies ist eine Karte, die das Licht hervorhebt, das auf den Nordpol des Mondes trifft. Warum ist eine solche Karte für Wissenschaftler, die an Lunar-Rovern arbeiten, von Interesse?
Bevor die Menschheit mit der Planung der Erforschung der Ressourcen des Mondes oder Asteroiden beginnen kann, sind gute Karten ein wichtiger Schritt. Rover und Instrumente, die den Mond erkunden könnten, werden wahrscheinlich auf Solarenergie und Batterien angewiesen sein. Karten wie diese zeigen, welche Bereiche viel Licht erhalten – und welche dunkel sind.
Schätze in der riskanten Dunkelheit
Selbst an Orten in der Nähe der Pole, die etwas Sonnenlicht erhalten, muss man wissen, wie viel Sonnenlicht sie erhalten – blöd wäre es, wenn ein Rover lange genug im Dunkeln festsitzt, dass die Batterien leer sind.
Warum nicht einfach dunkle Gebiete meiden? Dauerhaft beleuchtete und dauerhaft dunkle Stellen an den Mondpolen sind ideale Orte für die Erkundung und Erschließung lunarer Ressourcen. Die Rover werden sich in die dunklen Gebiete wagen müssen, denn nur dort kann es Wassereis geben – unerlässlich für jede Hoffnung auf Lebenserhaltung auf dem Mond.
