Elektronik im Weltall Wie Sensorik, Software und KI die Raumfahrt verändern

Anbieter zum Thema

ESA European Space Agency

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Die Physik der Raketen bleibt dieselbe. Doch Sensorik, Software und autonome Systeme verändern den Raumtransport. ESA-Ingenieurin Kate Underhill erklärt, warum Daten und Energie Grenzen setzen, wo KI helfen kann – und wo nicht.

Kate Underhill arbeitet seit mehr als 20 Jahren in der Raketentechnik. Die Antriebsingenieurin der European Space Agency (ESA) beschäftigte sich lange mit Verbrennung, Werkstoffen und Thermodynamik. Bei der Elektronikkonferenz Pretzl Connect 2026 sprach sie über den Einsatz von Sensoren, Bordcomputer und Software. Die physikalischen Grundlagen der Raketen hätten sich nicht verändert, betonte sie.

„Was sich hingegen verändert, sind die Elektronik, die Intelligenz und die Energieversorgungssysteme an Bord. Darin liegt die Zukunft“, weiß Underhill. Neben wiederverwendbaren Raketen skizzierte sie Fahrzeuge, die Satelliten im Orbit transportieren und warten. Beide Entwicklungen stellen neue Anforderungen an Elektronik und Software. KI ist dafür allerdings nicht überall nötig.

Elektronik zwischen Kälte, Hitze und Vibration

Schon heute läuft der Flug einer Ariane 6 weitgehend automatisiert ab. Bordcomputer verarbeiten Sensordaten, regeln die Flugbahn und lösen Stufentrennungen aus. Dafür braucht es keine lernfähige Software. Was klassische Steuerungstechnik leisten kann, zeigte Ariane 5 beim Start des James-Webb-Weltraumteleskops: Der präzise Einschuss auf die vorgesehene Flugbahn verringerte den Treibstoffbedarf für spätere Kurskorrekturen.

Rund um Antriebe und Treibstoffsysteme treten extreme Bedingungen auf: Kryogener Wasserstoff liegt bei etwa 20 K, also -253 °C. Andere Komponenten werden sehr heiß. Sensoren müssen messen, ohne den Betrieb zu stören. Hinzu kommen Vibrationen, schnelle Druckänderungen und elektromagnetische Störungen. Für langjährige Missionen im Orbit gewinnt zudem die Strahlenbelastung an Bedeutung.

„In der Raumfahrt gehen wir sehr konservativ vor. Elektronik muss unter speziellen Bedingungen funktionieren, deshalb setzen wir auf bewährte Technik. Gegenüber der Consumer-Elektronik liegen wir mindestens zehn Jahre zurück“, erklärte Underhill. Dabei verfolgt die Raumfahrt andere Prioritäten als die Unterhaltungselektronik: Fehlertoleranz, Qualifikation und Strahlungsfestigkeit zählen mehr als die neueste Chipgeneration.

Zusätzliche Sensorik braucht Energie und erhöht womöglich die Masse. Underhill nennt drahtlose Sensoren und Energiegewinnung aus Vibrationen als Ansätze. Bei Laserzündungen stellen Leistungsspitzen hohe Anforderungen an kompakte Elektronik. Elektrisch angetriebene Treibstoffpumpen für chemische Raketentriebwerke hält sie eher bei kleineren Antrieben für sinnvoll. Bei großen Systemen könnten Hunderte Kilogramm Batterien nötig werden. Eine untersuchte Zwischenlösung sind Turbopumpen mit elektrischem Anlauf und anschließendem Gasgeneratorbetrieb. Für kleinere Systeme im Orbit kommt auch Solarstrom infrage. Entscheidend sei, ob die zusätzliche Elektronik das Gesamtsystem tatsächlich verbessert.

Sensorik: Wie Raketentriebwerke ihren Zustand verraten

Bei wiederverwendbaren Triebwerken muss sich nach jedem Flug beurteilen lassen, welche Belastungen sie erfahren haben und wie lange sie noch halten. Dafür, so Underhills Ansatz, sollten Fertigungs-, Prüfstands- und Betriebsdaten zusammenfließen. Temperaturen, Druckwerte, Ventilbetätigungen und Schließzeiten könnten Verschleiß und Abweichungen sichtbar machen.

Doch schon die Messung ist schwierig: Underhill nennt Turbinen mit 50.000 min⁻¹. Sensoren dürfen dabei die Betriebsbedingungen nicht verändern. Treibstoffmengen lassen sich bislang teils nur indirekt aus Temperatur- und Durchflusswerten abschätzen. In Schwerelosigkeit wird das noch schwieriger.

Die elektrische Kapazitätstomografie erfasst Kapazitätsänderungen zwischen Elektroden und rekonstruiert daraus die Verteilung von Flüssigkeit und Gas im Tank. Bei Bodentests im ESA-Projekt Phoebus wurde das Verfahren an kryogenen Tanks erprobt. Die Bodentests belegen allerdings noch nicht, dass das Verfahren auch unter Schwerelosigkeit einsatzfähig ist.

Underhill entwirft ein Zukunftsszenario: Jedes Triebwerk könnte einen digitalen Zwilling erhalten, der Konstruktions-, Fertigungs- und Betriebsdaten verknüpft. Wie oft wurde ein Ventil betätigt? Wann muss ein Bauteil geprüft werden? Ein elektronisch ausgestattetes Triebwerk könnte nach dem Anschluss an den Prüfstand selbstständig eine Testsequenz ausführen, Ventile betätigen und abweichende Schließzeiten melden. Das beschreibt sie als Möglichkeit, nicht als bereits eingeführtes Gesamtsystem.

Eines der Hindernisse für KI-gestützte Ausfallprognosen ist die schmale Datenbasis. „Wir verfügen noch nicht über besonders viele Triebwerksdaten. Wenn man nur in etwa sechs Triebwerke im Jahr baut, bekommt man auch nur sechs Datensätze. Außerdem testen wir die Triebwerke nicht bis zum Versagen – wir sehen also nicht genau, wo ihre Grenzen liegen“, erläuterte Underhill. Ohne ausreichend aussagekräftige Daten über Ausfälle lassen sich deren Muster nur schwer mit KI erkennen. Darin liegt das Dilemma: Triebwerke sollen nicht versagen, deshalb fehlen gerade die Daten über ihre Ausfallgrenzen. Wiederholte Flüge könnten helfen, zumindest Alterungsprozesse schrittweise besser zu verstehen.

Werkstoffsuche: KI soll Entwicklung und Fertigung verändern

Auch bei der Werkstoffsuche untersucht die ESA KI. Gesucht werden etwa Kupferlegierungen, die Wärme gut ableiten und zugleich mechanisch belastbar sind. Algorithmen könnten geeignete Zusammensetzungen schneller finden.

Simulationen können die Zahl physischer Tests verringern. Bei einfachen Strukturen werden sie laut Underhill bereits eingesetzt. Simulation und Topologieoptimierung sind aber nicht automatisch KI. Versuche zur Topologieoptimierung lieferten vor drei bis vier Jahren interessante Ergebnisse, rechtfertigten damals jedoch den Aufwand für die Problemdefinition nicht. Inzwischen könne sich das geändert haben.

Was additive Fertigung ermöglicht, zeigt Underhill an einem Einspritzkopf: „Herkömmliche Einspritzköpfe bestehen aus mehr als 200 Einzelteilen. Wir haben inzwischen einen Entwurf, den wir als ein einziges Bauteil drucken können.“ Unabhängig davon dokumentierte ArianeGroup 2018 im ESA-Programm ETID erfolgreiche Heißlauftests eines einteilig gedruckten Einspritzkopfs, der ebenfalls eine Konstruktion aus mehr als 200 Teilen ersetzt.

Offen bleibt die Qualitätskontrolle. Beim 3D-Druck entstehen für jede Schicht umfangreiche Prozessdaten, in denen KI Auffälligkeiten erkennen könnte. Wie viel Verantwortung Automatisierung dabei übernehmen darf und wo Menschen kontrollieren müssen, lässt Underhill offen. Für KI-gestützte Konstruktion betont sie dagegen: Ingenieure müssen verstehen, wie die entwickelten Bauteile funktionieren. Neben der Leistung zählt in einer industrialisierten Raumfahrt auch, ob sich Triebwerke zuverlässig und wirtschaftlich fertigen und prüfen lassen.

Autonomie durch KI: Wenn Raumfahrzeuge selbst entscheiden

Underhill skizziert eine Raumfahrtlogistik nach dem Hub-and-Spoke-Prinzip: Wiederverwendbare Raketen liefern zukünftig Fracht in eine erdnahe Umlaufbahn, spezialisierte Fahrzeuge transportieren sie weiter. Später könnten sie Satelliten betanken oder reparieren. Dafür müssen sie Ziele selbst erkennen, deren Bewegung bestimmen und sicher andocken. Bei zeitkritischen Manövern kann nicht jede Entscheidung am Boden fallen. „Die Steuerungszentrale muss an Bord wandern. Hier sehen wir einen Bereich, in dem KI tatsächlich einen Mehrwert bieten kann“, sagte Underhill. Raumfahrzeuge sollen eigenständiger reagieren und miteinander kooperieren, ohne bei jeder Entscheidung auf ein Kontrollzentrum am Boden angewiesen zu sein.

Das ESA-Programm InSPoC entwickelt die Grundlagen: InSPoC-1 behandelt Annäherung und Andocken, InSPoC-2 kryogenes Treibstoffmanagement und Betankung, InSPoC-3 gemeinsame Bordintelligenz und die Kooperation von Raumfahrzeugen. Diese Zuordnung stammt aus der offiziellen ESA-Programmbeschreibung. Einsatzbereite Transportflotten gibt es damit noch nicht. Underhill hält Fahrzeuge für denkbar, die zehn oder 15 Jahre im All bleiben und neue Aufgaben per Softwareupdate erhalten.

Als frühen kommerziellen Einsatzbereich nennt Underhill die Lebensdauerverlängerung bestehender Satelliten, etwa durch angekoppelte Servicesysteme oder Betankung. Ersteres ist bereits Praxis: Northrop Grummans MEV-1 dockte am 25. Februar 2020 an Intelsat 901 an und übernahm Antriebsaufgaben, ohne Treibstoff in den Satelliten zu übertragen. Die direkte Betankung im Orbit wird weiterentwickelt. Aufwendigere autonome Reparaturen erwartet Underhill später.

Souveränität: Wie eigenständig kann Europas Raumfahrt sein?

Mehr Elektronik schafft neue Abhängigkeiten. Europa verfügt über eigene Halbleiterhersteller und Fertigungskapazitäten, bleibt bei bestimmten Chips, Rohstoffen und Fertigungstechnologien aber auf außereuropäische Lieferanten angewiesen. Die ESA untersucht laut Underhill, welche kritischen Komponenten sich aus europäischen Quellen beziehen lassen.

In der Q&A-Session schildert Underhill ein Beschaffungsproblem: Ihr Team wollte für einen Versuch 20 Laserdioden beschaffen. Der angefragte Anbieter habe jedoch eine Mindestbestellmenge von 10.000 Stück genannt. Werden solche Technologien auch außerhalb der Raumfahrt verkauft, können die Stückkosten sinken.

In der Debatte über internationale Kooperationen verwies Underhill auf wechselnde politische Prioritäten und die beendete Zusammenarbeit mit Russland bei einer Marsmission. Europa brauche trotz sinnvoller Partnerschaften eigene Schlüsselkompetenzen: „Wir brauchen Souveränität. In diesen Schlüsselbereichen müssen wir eigenständig sein“, sagte sie. Sie meinte den Zugang zum All, Positionsbestimmung, Telekommunikation und Erdbeobachtungsdaten.

Später sprach Underhill über US-Exportkontrollen als weitere Abhängigkeit. Je nach Einstufung und Zielland können ITAR oder EAR die Weitergabe bestimmter Komponenten einschränken. Ein generelles Verbot, amerikanische und chinesische Bauteile zu kombinieren, folgt daraus nicht.

Für Underhill geht es auch um die Beherrschung digitaler Entwicklungs- und Fertigungsprozesse. Sie fragt, wie sich verhindern lässt, dass eine Konstruktionsdatei auf dem Weg zum Hersteller unbemerkt verändert wird. Ebenso müssen Antriebsingenieure, Elektronikentwickler und KI-Fachleute besser zusammenarbeiten. Häufig sprechen sie, wie Underhill in der Q&A-Session schildert, fachlich unterschiedliche Sprachen. Entscheidend sind deshalb Ingenieure, die Anforderungen zwischen den Disziplinen übersetzen und die Systeme zusammenführen.

Klassische Steueralgorithmen: Nicht alles braucht KI

Underhill fordert keine KI um jeden Preis: „Für die Flugprogramme und Raketenstarts brauchen wir mit unseren heutigen Systemen und unserer Software meiner Ansicht nach gar nicht so viel mehr Intelligenz. Im Weltraum selbst könnte sie dagegen tatsächlich einen größeren Nutzen bringen“, so die Einschätzung der Ingenieurin. Langfristige Missionen könnten von KI profitieren. Wo klassische Steueralgorithmen ihre Aufgabe erfüllen, braucht es dagegen nicht mehr Komplexität. Der nächste Entwicklungsschritt der Raumfahrt liegt deshalb nicht darin, überall KI einzubauen. Entscheidend ist, wo zusätzliche Elektronik eine Aufgabe tatsächlich besser löst. Sensoren, Rechenleistung und zusätzliche Elektronik brauchen Strom, Platz und Qualifizierung – komplexere Software muss überprüft werden. Ob sich der Aufwand lohnt, entscheidet die Aufgabe des Gesamtsystems.  (mc)

(ID:50991070)