Vyoma: Alarmsystem für Weltraumschrott
Ist der Orbit leer? Wie sonst ist zu erklären, dass schwere Kollisionen von Satelliten mit herumfliegenden Schrottteilen in Hypergeschwindigkeit ausbleiben? Das kommt angesichts der bereits angehäuften Müllmengen einem Wunder gleich. Viele Wunder werden noch nötig sein. Denn die Zahl der Flugobjekte in der Erdumlaufbahn wächst bis 2030 rasant von 4.000 auf 100.000. Um Schlimmeres zu verhindern, entwickelt das Start-Up Vyoma ein Warn- und Navigationssystem für Satellitenbetreiber. Ab 2025 will es mit nur zwölf eigens entwickelten Satelliten den gesamten niedrigen Orbit bis 2000 Kilometer Höhe nahezu in Echtzeit kontrollieren - auch dank Künstlicher Intelligenz.
23. März 2022 - Von Rüdiger Köhn, München
Ein 14 Gramm schweres Kunststoffteil kann mit der in der Erdumlaufbahn üblichen Geschwindigkeit von mehreren zehntausend Kilometern in der Stunde einen veritablen Aluminiumblock in Teile zerschießen. Noch leichtere Objekte mit einer Größe von weniger als ein Zentimeter werden im Orbit zu gefährlichen Geschossen, die womöglich nur die Solar-Paneele eines Satelliten treffen, jedoch den Orbiter auch komplett zerstören können. Nach einer Studie der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) fliegen etwa 36.500 Schrottteile mit einer Größe von mindestens 10 Zentimeter oder eines Tennisballs herum; eine Million Objekte zwischen 1 und 10 Zentimeter, 330 Millionen Stücke zwischen 1 Millimeter und 1 Zentimeter.
Das 14 Gramm leichte Plastikstück, das einen Aluminiumblock mit Hyperschallgeschwindigkeit zerschmettert, ist nichts verglichen mit den mehr als 8500 Tonnen Weltraummüll, der zurzeit in der Umlaufbahn zu einem unkalkuilierbaren Risiko für Satellitenbetreiber wird. Und jährlich kommen Tonnen hinzu: Laut ESA wurden vergangenes Jahr knapp 2500 neue Objekte identifiziert; darunter waren fast 1500 neue Satelliten, der Rest ist Müll. Viele Teile verglühen in der Erdatmosphäre, werden alte Satelliten kontrolliert auf der Rückkehr zur Erde so vernichtet. Aber eben bei weitem nicht alles.
Christoph Bamann Fotos Vyoma
Christoph Bamann bleibt vorerst nichts anderes übrig, als im Kampf gegen Weltraumschrott mit Statistiken, Sateliitenfotos und mit Teleskop-Beobachtungen von der Erde aus zu arbeiten. Geht es nach diesen Statistiken, hätte die Kollision eines Satelliten mit einem größeren Schrottteilchen längst wieder erfolgen müssen. Das passierte bis dato durchschnittlich einmal in zehn Jahren. „Wenn man sich die statistischen Modelle anschaut, wäre das eigentlich schon überfällig“, sagt der Mitgründer von Vyoma, ein im August 2020 gegründetes Start-Up zum Aufbau einer satellitengestützten Beobachtung von Schrott im Orbit. Denn der letzte größere Vorfall wurde 2009 registriert, als ein Iridium-Satellit mit einem bereits abgeschalteten russischen Kosmos zusammenstieß. Oftmals kann man aber auch gar nicht beurteilen, ob Weltraumschrott tatsächlich für den Funktionsausfall eines Trabanten ursächlich ist. Im September 2019 hatte die ESA nach eigenen Angaben erstmals ein Ausweichmanöber einleiten müssen, da ein Zusammenstoß seines Aeolus mit einem Startlink-Satelliten drohte. Das Manöver war erfolgreich, Aeolus konnte seine Mission unbeschadet weiter ausüben. Unklar bleibt indes, ob es trotz des prognostizerten hohen Kollisionsrisikos tatsächlich zu einem zerstörerischen Rendevouz gekommen wäre.
Satelliten-Invasion im All
„Wir sind diejenigen, die das verhindern wollen“, beschreibt Bamann seine Mission. Die Statistiken und bodengestützte Observation durch von Laien betriebene Teleskope ist nur der Übergang zur neuen Technologie, bis Vyoma sein eigentliches Ziel umgesetzt hat: die lücklose, dauerhafte Beobachtung mit einem eigenen Satelliten-Netzwerk im All. Im Herbst 2023 werden zunächst zwei selbst entwickelte Trabanten in die Umlaufbahn geschossen, die mit der Erfassung und Katalogisierung von Schrottteilen beginnen. Eineinhalb Jahre später folgen zehn weitere. Zwölf Satelliten der Größe eines kleinen Kühlschranks reichen aus, um nahezu den gesamten niedrigen Orbit (200 bis 2000 Kilometer Höhe) zu überschauen. Dann arbeitet ein Warnsystem, das Satelliten vor Kollisionen schützen und Betreibern im Ernstfall Ausweichoptionen berechnen soll. Mit Luisa Buinhas und Stefan Frey, beide 34 Jahre, hat Bamann, 33 Jahre, - allesamt Luft- und Raumfahrtexperten - Vyoma gegründet. Das ist kein Kunstname, auch wenn er so klingt. „Vyoma“ kommt aus dem Sanskrit und heißt „Himmel“.
Abscannen mit optischen Kameras in ständig gleitenden Bewegungen
Und der wird in den nächsten Jahren noch viel voller - damit weiter zugemüllt. In zehn Jahren, zitiert Bamann Prognosen, werde die Zahl von derzeit 4000 aktiven Satelliten auf etwa 100.000 Objekte wachsen. „New Space“-Unternehmen schießen in den nächsten Jahren Kleinsatelliten in Massen allein für die kabellose Internet-Versorgung auf der Erde ins All. Dazu gehören Space X von Tesla-Gründer Elon Musk mit Starlink und andere Anbieter wie Kuiper, Athena oder One Web.
Noch arbeitet Vyoma mit 15 Partnern zusammen, die rund um die Welt Teleskope aufgestellt haben; in Namibia, Chile, Japan, USA und Europa. Die ersten beiden Satelliten haben die Gründer schon entwickelt. In den nächsten Wochen fallen Entscheidungen, wer sie baut und wer sie in einer Trägerrakete zum Bestimmungsort transportiert. „Wir befinden uns in der heißen Phase, gewissermaßen auf der Zielgeraden", kündigt Bamann an. Namen kann er noch nicht nennen. Wird Space X oder ArianeGroup die Trabanten, 60 mal 60 Zentimenter groß und 100 Kilogramm schwer, Huckepack nehmen? Der Start der beiden ersten Micro-Satelliten ist für Oktober 2023 geplant; nur drei Jahre nach Gründung von Vyoma. Wenige Monate später nehmen sie ihre Arbeit auf und machen mit optischen Kameras die von der Sonne angestrahlten Schrottteilchen ausfindig. Entwicklung, Bau, Transport der beiden Boxen ins All sowie deren Betrieb kosten rund 10 Millionen Euro. Davon stammt der größte Teil aus der in den nächsten Wochen erfolgenden Serie-A-Finanzierung.
Vyoma-Infrastruktur im Orbit steht 2025
Im Frühjahr 2025 folgen die anderen zehn Satelliten, die neben optischen Teleskopen dann wohl zusätzlich mit Laser-Scannern ausgestattet werden könnten. Mit dem Dutzend steht damit die Konstellation, mit der das Unternehmen mit Doppelsitz München und Darmstadt (dem Sitz der ESA) dann die Müllteile scannt, deren Flugbahnen und Geschwindigkeit in bislang nicht bekannter Präzision und fast in Echtzeit berechnet, Satellitenbetreiber vor Kollisionen warnt, die rechtzeitig von Vyoma vorgeschlagene Ausweichmanöver einleiten können. „Wir werden 90 bis 95 Prozent aller gefährlichen Objekte in der Umlaufbahn ein bis zwei Mal am Tag erfassen und einen Katalog mit Objekten von mehr als ein Zentimeter erstellen“, sagt Bamann. Sehr schnell, meint er, würde dieser Katalog 300.000 bis 400.000 Teile umfassen.
Simulation einer Kollision Foto ESA
Das Warnsystem von Vyoma erlaubt die genaue Erfassung von deutlich kleineren Teilen. Ziel ist eine sehr viel schnellere Vorwarnung, damit Betreiber ihre Satelliten aus einer potentiellen Gefahrenzone navigieren können. Es bleibt so auch wesentlich mehr Zeit für Entscheidungen. „Wir werden so etwas wie Fluglotsen für sie sein“, sagt Bamann. Das seien die Hauptkunden. Nach nur drei Jahren werden die Vyoma-Gründer etwas geschafft haben, wofür etablierte Raumfahrtunternehmen mitunter mehr als ein Jahrzehnt benötigen.
„Wir profitieren stark von der New-Space-Technologie und von anderen Start-Ups“, stellt Bamann fest. Der Bau des selbst entwickelten High-Tech-Teleskops und des Satelliten wie auch die Wahl der Trägerrakete erfolge dadurch schneller und sei kostengünstiger. „Und natürlich versuchen wir auch praktikabel zu sein.“ In der etablierten Industrie von Airbus, Ariane, OHB und auch der ESA sind bislang Qualitätsansprüche auf höchstem Niveau heilig gewesen. Da nimmt die New-Space-Branche auch mal eine Abkürzung. Es müsse nicht immer alles 100 Prozent sein. „Wir machen unter Umständen auch einmal Abstriche in der Performance, wenn wir so schneller sein können.“ Würde man nämlich fünf Jahre an einem perfekten Ergebnis laborieren, gäbe es Vyoma gar nicht mehr, lacht Bamann.
Stefan Frey
Es war Stefan Frey, der den Anstoß zu Vyoma gegeben hat. Er arbeitete fünf Jahre bei der ESA in Darmstadt im Space and Debris Office, eine für Weltraumschrott zuständige Einheit. Frey erlebte, wie sich ein ESA-Satellit auf Kollisionskurs mit einem Starlink-Satelliten von Space X befand. Es war schwer, auf der amerikanischen Seite zuständige Ansprechpartner zu erreichen. Auch von Satellitenbetreibern, die selbst etwa über eingebaute Kameras in den Satelliten Beobachtungen vornehmen, kamen immer wieder Klagen über zu langsame und unzulängliche Koordinationsprozesse. Frey sprach Bamann und Luisa Buinhas gezielt an,. Sie fanden sich im Herbst 2019 als Gründerteam und wollten so schnell wie möglich eine GmbH gründen, um Aufträge beziehungsweise Projekte etwa von der ESA hereinzuholen, für die sie sich beworben hatten. Sie erhielten ein EXIST-Gründerstipendium vom Staat, waren Teil des ESA Business Incubation Centers und in der Folge ebenso von Xpreneurs, dem Inkubator der TU München. Im September 2020 kamen die ersten beiden Mitarbeiter an Bord; bald will Vyoma zwanzig beschäftigen. Aktuell arbeiten sie an drei ESA-Projekten.
Luisa Buinhas
Die drei Gründer haben sich schon lange zuvor gekannt. Klein und überschaubar ist die Raumfahrt-Szene. Über fünf Jahre sind sie sich auf internationalen Raumfahrt-Konferenzen und bei der ESA immer wieder über den Weg gelaufen; lange bevor überhaupt die Idee eines gemeinsamen Unternehmens geboren war. Ihnen ist gemein, dass sie sich in ihrer Ausbildung und wissenschaftlichen Arbeit damit befassten, wie hoch es im Orbit hergeht.
Christoph Bamann war bei der ESA in Darmstadt Gastwissenschaftler. Der Augsburger hat an der TU München promoviert. Bis August 2020 war er dort in der Forschung tätig. Die Gründung war für ihn der „einzige logische Schritt“. Denn in seiner Doktorarbeit setzte er sich mit Weltraumschrott und deren Bahn-Bestimmung auseinander. An der TUM School of Management hat er zudem ein Master in Innovationsmanagement und Entrepreneurship gemacht. Betriebswirtschaftslehre sei für ihn von Anfang an immer dabei gewesen. „Mir machen Finanzen einfach Spaß“, lacht er.
Stefan Frey gibt den Anstoß
Welch ein Glück für seinen Kompagnon. „Stefan ist froh, dass ich mich darum kümmere.“ Der Schweizer Stefan Frey hat an der ETH Zürich Maschinenbau studiert und sich schon früh mit dem Weltraum befasst, war dreieinhalb Jahre an der Mailänder Universität, wo er zum Thema Weltraumschrott promovierte und mit seiner Tätigkeit bei der ESA endgütlig zum Experten geworden ist. Die Portugiesin Luisa Buinhas schloss in Lissabon mit einem Bachelor, an der Technischen Universität in Delft mit dem Master ihr Studium in der Raumfahrttechnik ab, forschte sechs Monate am Bostoner Massachusetts Institute of Technology (MIT) und kam schließlich nach München, wo sie bei einem Space-Start-Up begann. Ihre Doktorarbeit schrieb sie an der Hochschule der Bundeswehr München zum Thema Konstellationsdesign im Weltall (Anordnung von Satelliten-Schwärmen im Orbit) und Manöver-Entwicklung. Sie arbeitete für Missionen der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DLR). Alle drei haben letztlich als Doktoranden an Methoden und Algorithmen gearbeitet, um Kollisionsgefahren in der Satellitenindustrie zu erfassen und zu Lösungen zu finden.
Simulation: Einschlag einer 12 Millimeter großen Kugel in eine 8 Zenitmeter dicke Aluminiumplatte mit 7 Kilometer pro Sekunde Foto ESA
lhr Plan sah vor, die Inkubation von Vyoma im August dieses Jahres abzuschließen. Doch alles geht schneller, sei diese Phase schon in den nächsten Wochen abgeschlossen, sagt Bamann. Neben der Entwicklung einer Satelliten-Infrastruktur arbeiten die drei an einer Online-Plattform, die sie Kunden bereits anbieten - bevor Satellit eins und zwei überhaupt im Orbit kreisen. Im Frühjahr 2021 starteten sie das Web-Angebot auf Abo-Basis SaaS (Software as a Service), um den Kunden - vor allem Betreiber von Satelliten - Dienstleistungen und Daten über Kollisionsgefahren zu liefern. Das Teleskop-Netzwerk am Boden ermöglicht, auf Wunsch von Kunden Umlaufbahnen zu überwachen, auch wenn Präzision und die Prognosegenauigkeit noch weit von den Möglichkeiten entfernt ist, die Vyoma mit seinem Netzwerk in der Umlaufbahn einmal bieten will. Aktuell geht es mit einer verbesserten Bild-Prozessierung um die qualitativ hochwertige Weiterverarbeitung von Fotos aus dem All. Mit gesammelten Daten lassen sich immerhin Vorhersagen über Bahnverläufe auch mit Hilfe von Algorithmen simulieren. Aber erst in zwei Jahren beginnt mit den ersten beiden Satelliten der Aufbau einer Datenbasis, die den Einsatz von Künstlicher Intelligenz ermöglicht. Nur durch sie werden am Ende präzsie und sichere Prognosen möglich sein.
In Echtzeit in alle Blickrichtungen
„Wir wollen heute schon einen Kundenstamm aufbauen und eine Software anbieten, die wir später sowieso benötigen“, sagt Bamann. Dass das alles noch nicht befriedigend sein kann, weiß er. Aber: „Das ist immer noch besser, als gar keine Daten zu besitzen.“ Es ist eine Trockenübung für den kommerziellen Fall ab 2023, aber mit sehr pragmatischen Elementen. Richtig zur Geltung wird die Vyoma-Technologie unter Einsatz von KI mit den zwölf Satelliten kommen. Als einmalig bezeichnet der Co-Gründer das Teleskop, das nicht nur einen Punkt ansteuert, sondern in alle Blickrichtungen schauen und den Orbit in allen Dimensionen kontinuierlich erfassen kann. Damit seien glatte und langsame Bewegungen möglich, wodurch Bahnen und Umlaufperioden synchronisiert werden könnten. So entsteht ein umfassender, dreidimensionaler Katalog, der laufend aktualisiert wird. Schnell würden die Daten nämlich altern, weil viele Faktoren und somit Unsicherheiten die Umlaufbahnen beinflussten: Sonnenwindaktivitäten, Atmosphärendichte oder Querschnittsfläche der Objekte. Mit jedem Umlauf nimmt die Positionsgenauigkeit ab, weshalb ständige Anpassungen erforderlich sind.
Simulation der ESA: Rund 330 Millionen Teilchen größer als 1 Millimeter sollen im Orbit herumfliegen; 70 Prozent der aktuell katalogisierten größeren Objekte bewegen sich in der niedrigen Umlaufbahn LEO (Low Earth Orbit) bis 2000 Kilometer Höhe.
Neben der Präzision spielt der Zeitfaktor eine große Rolle. Denn mit dem automatisierten System werden Bebachtungszeiträume kürzer, können Maßnahmen wesentlich kurzfristiger als bisher ergriffen, damit Ausweichmanover sehr viel öfter vermieden werden. In der Regel sind heute drei bis sieben Tage Vorwarnzeit erforderlich, um rechtzeitg zu reagieren. Den Prognosezeitraum auf ein oder eineinhalb Tage zu verkürzen, wie es Vyoma ermöglichen wird, bringt gravierende Fortschritte.
Schon heute entstehe ein gewisser Markt für die entwickelten Dienstleistungen, sagt Bamann. Satellitenbetreiber hätten erkannt, sich nicht mehr allein auf eigene Daten verlassen zu können. Er ist ganz entspannt, dass ein anderes junges Unternehmen mit gleicher Zielrichtung eine Konkurrenz werden kann. Das kanadische Start-Up NorthStar Earth & Space baut fast parallel zu Vyoma ein Netz von 52 Satelliten, ausgestattet mit optischen Kameras und Infrarot-Sensoren, auf. Die Systeme verfolgen technologisch unterschiedliche Konzepte. Der Handlungsbedarf im Kampf gegen den orbitalen Müll wird jedenfalls deutlich zunehmen. Es geht schließlich nicht nur um Schaden-Vermeidung und um die Sicherung der für die Erde elementar wichtigen Infrastruktur im All. Es ist ebenso eine Frage der immensen Kosten. Von einem potenziellen Totalausfall eines High-Tech-Gerätes mit Millionenwert abgesehen, sind Ausweichmanöver sehr teuer. Das betrifft das Krisenmanagement am Boden, die Ausfallzeiten der Nutzung für die Zeit des Ausweichens und den Verbrauch von knappem Kraftstoff, was die Mission eines Satelliten verkürzt.
Vyoma-Trio: Frey, Bamann, Buinhas
De facto passieren Kollisionen mit Crash-Folgen bislang äußerst selten. Daher seien rückblickend alle bisherigen eingeleiteten Ausweichmanöver streng genommen gar nicht notwendig gewesen, also „Fehlalarme“, schlussfolgert Bamann. Das Kernziel von Vyoma sei also, Ausweichoperationen zu vermeiden. Aktuell, hat die ESA geschätzt, gebe es jedes Jahr im Schnitt zwei Kollisionsvermeidungsmanöver. Das wird sich allerdings ändern angesichts der anstehenden Materialschlacht im Orbit. Im Jahr 2030, so die Prognose, werde wohl mindestens ein Manöver in der Woche erforderlich sein. „Mit uns“, sagt Christoph Bamann, „könnten wir das wieder auf eines im Jahr reduzieren.“ Und er fügt hinzu: „Also kann man sich 51 Manöver sparen.“