Mit Algorithmen gegen den Kollaps im Weltraum

Forschende der TU Braunschweig und der ESA haben Algorithmen entwickelt, mit denen sich Satelliten gegenseitig ausweichen können. Solche Methoden könnten im Kampf gegen Weltraumschrott bitter nötig werden.

Forschende der TU Darmstadt und der ESA haben einen Algorithmus entwickelt, mit dem sich in Zukunft Kollisionen in den Erdorbits vermeiden lassen könnten. Das Besondere laut TU Darmstadt: Das Verfahren ist bei der Zahl der Schrottobjekte und Satelliten nach oben kaum limitiert, wohingegen die bisherigen Algorithmen absehbar an ihre Leistungsgrenze stoßen.

Immer mehr Weltraumschrott

Bis heute sind insgesamt annähernd 16 000 Satelliten gestartet worden – alleine 2400 im Jahr 2020 –, von denen 8000 noch manövrierfähig sind. Vor allem durch zwei Kollisionen, aber auch durch z. B. explodierende Raketenstufen ist die Anzahl der Teile im Orbit allerdings stark angestiegen. Etwa 30 000 Objekte werden heute kontinuierlich in ihren Bahnen überwacht.

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Schätzungen gehen davon aus, dass sich in den Orbits noch weitere 100 Mio. Objekte befinden, die zu klein für eine sensorgestützte Überwachung sind. Wegen ihrer hohen Geschwindigkeiten sind allerdings auch solche kleinen Objekte eine Gefahr für Satelliten – sie erhöhen auch das Risiko für weitere Kollisionen.

Ausweichmanöver zur Kollisionsvermeidung

Soll verhindert werden, dass ein Satellit mit einem Schrottobjekt kollidiert, müssen zunächst die Bahndaten beider Objekte bekannt sein. Daraus können Prognosen für die Position der Objekte in der nahen Zukunft abgeleitet werden – und eine Kollisionswahrscheinlichkeit, die umso genauer ausfällt, je eher sich die Objekte begegnen. Satellitenbetreiber nutzen diese Information, um ihre Satelliten gezielt anzuheben oder abzusenken.

Das Problem: Die heutige Strategie der Ausweichmanöver stößt an ihre Grenzen, weil die Orbits bereits zu voll sind. Zudem werden durch neue Sensoren zusätzliche – bislang unbekannte – Objekte überwacht.

Neuer Algorithmus der TU Darmstadt

Bislang werden die Vergleiche der Bahndaten zwischen Objekten paarweise durchgeführt; laut TU Darmstadt führt das zu einer quadratischen Anzahl von Satellitenpaaren, deren Kollisionsrisiko dann nacheinander ausgeschlossen werden muss. Die Zahl der Rechnungen steigt also quadratisch mit der Zahl der Objekte an.

Die TU Darmstadt schlägt einen anderen Algorithmus vor. „Wir wollten eine größere Anzahl von Objekten berücksichtigen. Dies erforderte einen neuen und effizienten Algorithmus“, sagt Felix Wolf, Leiter des Fachgebiets Parallele Programmierung.

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Anstelle der paarweisen Bahnvergleiche schlägt das Team aus Darmstadt räumliche Datenstrukturen und Parallelisierungsmethoden vor und spricht von einer „gitterbasierten Variante“. Die Objekte würden in Gitterzellen eingeteilt, die jeweils einen kleinen Teil des erdnahen Weltraums repräsentieren. Nur noch innerhalb dieser Zellen und der direkten Nachbarzellen müssten Objekte miteinander verglichen werden.

In einer Mitteilung der TU Darmstadt heißt es, man habe zeigen können, dass sich die Vorhersage drohender Kollisionen deutlich beschleunigen lässt. Mit dem Verfahren könnten bis zu 1 Mio. Objekte überwacht werden. „Unsere Berechnungsmethoden ermöglichen es, alle Objekte im Weltraum, die in naher Zukunft verfolgt werden können, auf mögliche Kollisionen zu untersuchen“, sagt Wolf.