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Satelliten: Livestream aus dem All

Transport
Livestream aus dem All

(Bild: NASA)

Hunderte neuer Mini-Satelliten sind in den vergangenen Jahren ins All gestartet. Ihre Bilder können helfen, Waldbrände und Fluten in den Griff zu bekommen, wecken aber auch Begehrlichkeiten bei Militär und Nachrichtendiensten.

104 auf einen Streich. Genau 104 Satelliten, die meisten nicht größer als ein Schuhkarton, hat eine einzige indische Rakete vom Typ PSLV im Februar vergangenen Jahres in einer niedrigen Erdumlaufbahn ausgesetzt. Weltrekord – und ein sicheres Zeichen, dass das Satellitengeschäft im Umbruch ist.

Jahrzehntelang war die Branche ein reichlich exklusiver Club. Nur wenige Unternehmen konnten es sich leisten, riesige und entsprechend teure Erdtrabanten ins All zu schicken. Die Satelliten, im Schnitt mehr als zwei Tonnen schwer und mitunter so groß wie ein Reisebus, funktionierten zwar annähernd perfekt, ihr Bau und ihr Start waren allerdings so aufwendig, dass nur wenige Späher die Erde ins Visier nehmen konnten. Die Abdeckung aus dem All ließ folglich zu wünschen übrig.

Das ändert sich gerade grundlegend. Kleine Trabanten, wie die sogenannten Cubesats, machen sich im Orbit breit. Klein- und Kleinstsatelliten können zwar in der Regel sehr viel weniger, sie sind dafür aber nur wenige Kilogramm schwer, haben in ihrer einfachsten Form nur eine Kantenlänge von jeweils zehn Zentimetern und können dadurch – wie beim Start der indischen PSLV-Rakete – in rauen Mengen ins All bugsiert werden. Eine zweite Entwicklung ist aber mindestens ebenso wichtig: Neue technische Lösungen automatisieren die Auswertung der Satellitenaufnahmen zunehmend. Künstliche Intelligenz ersetzt den menschlichen Blick, denn von Hand analysieren lassen sich die Unmengen von Daten längst nicht mehr.

Satellitenbilder vom Schwarm (0 Bilder) [1]

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Insbesondere in der Erdbeobachtung eröffnet das völlig neue Möglichkeiten. Große Satellitenflotten, geschickt um den Globus verteilt, können Waldbrände und Überschwemmungen beinahe in Echtzeit entdecken – genauso wie die Folgen des Klimawandels. Sie helfen Ökonomen, weltweite Warenströme zu verfolgen. Sie wecken allerdings auch Begehrlichkeiten bei Militärs und Nachrichtendiensten.

"Wir können tägliche Veränderungen auf der Erde nur dann beobachten, wenn wir auch täglich frische Bilder haben", sagt Marcus Apel, Strategiechef für Europa beim kalifornischen Start-up Planet. Dem Unternehmen aus dem Silicon Valley, dessen Europazentrale am Berliner Kranzlereck liegt, gehörten allein 88 der 104 Satelliten, die im vergangenen Jahr vom indischen Satish-Dhawan-Raumfahrtzentrum ins All gebracht wurden. Doves – auf Deutsch: Tauben – nennt Planet die gut vier Kilogramm schweren Mini-Satelliten mit den Abmessungen von drei Cubesats.

Ihre Bahnen ziehen die Späher in einem etwa 500 Kilometer hohen, sogenannten sonnensynchronen Orbit. Dieser führt beinahe über die Pole und ist so ausgerichtet, dass er mit der Rotation der Erde übereinstimmt. Dadurch überfliegen sie jeden Punkt der Erdoberfläche Tag für Tag zur selben Uhrzeit. Eine starr nach unten gerichtete Kamera nimmt dabei kontinuierlich Bilder auf. Wenig später folgt im gleichen Orbit, wie an einer Perlenkette, die nächste Taube.

Da sich die Erdkugel derweil weitergedreht hat, fotografiert sie die direkt daneben liegenden Örtlichkeiten. Linie für Linie entsteht so ein Bild der kompletten Landmasse des Planeten. Und das Tag für Tag, mit einer Auflösung von drei bis fünf Metern. Die Kameras können neben dem sichtbaren Licht auch Infrarotstrahlung aufnehmen. Wer höher aufgelöste Bilder benötigt, kann auf 13 sogenannte Skysats zurückgreifen, hochgenaue Satelliten mit 70 Zentimetern Auflösung. Im April 2017 hat sie eine Google-Tochter von Planet übernommen.

Geschrumpfte Schaltkreise, hochauflösende Mini-Kameras, leistungsfähige Batterien und Solarzellen haben das möglich gemacht. Aber auch eine komplett neue Denkweise. "Agile Aerospace", nennt Apel das Prinzip – agile Luft- und Raumfahrt, analog zur agilen Software-Entwicklung. Statt wie bislang alle Systeme mehrfach redundant auszulegen, statt jede Schraube monatelang für den Einsatz im All zu qualifizieren und dadurch viel Zeit und noch mehr Geld zu verpulvern, zeigen die neuen Raumfahrtunternehmen Mut zur Lücke – und zum Scheitern: Startunfälle sind in diesem Zeitalter nicht mehr als ein Schluckauf. Früher bedeuteten sie eine Katastrophe, schließlich waren Milliardeninvestitionen Schrott, und ein Nachbau dauerte mehrere Jahre. Als aber im Oktober 2014 eine amerikanische Antares-Rakete explodierte und Planet 26 Satelliten auf einen Streich verlor, hat das Unglück den Ausbau der Satellitenflotte nur um wenige Monate verzögert.

Erreichen sie das All, fordern der geringe Preis und der simple Aufbau natürlich ihren Tribut: Die Lebensdauer der Späher ist auf drei bis vier Jahre begrenzt. Rund 285 Satelliten hat Planet seit 2013 gestartet, gut 200 Tauben sind aktuell noch am Leben. Aber am Ende macht es die Menge: Fällt einer der nur 30 Zentimeter langen Satelliten aus, übernimmt einfach ein anderer dessen Aufgabe. Oder es werden ein paar neue Tauben losgelassen.

Die kurzen Zyklen geben Planet zudem die Möglichkeit, die Hardware, derzeit Version 13, ständig weiterzuentwickeln. "Ich glaube nicht, dass wir jemals einen Start hatten, bei dem nichts an den Satelliten verbessert worden war", sagt Apel. Für die Zukunft sind Fortschritte bei den aufgenommenen Wellenlängen denkbar, bei der Datenübertragung, bei den sogenannten Reaktionsrädern, die dem Satelliten einen kleinen Drehimpuls verpassen und damit der Steuerung dienen. Auch Triebwerke könnten die Späher irgendwann einmal bekommen.

Planet, im Jahr 2010 von drei ehemaligen Ingenieuren der US-Raumfahrtbehörde Nasa ganz klischeehaft in einer Garage in San Francisco gegründet, ist das einzige Satellitenunternehmen, das seinen Kunden eine tagesaktuelle Abdeckung der Landmassen der Erde verspricht. Es ist aber nicht allein. Mehr als 500 Mini-Satelliten sind schon heute rund um den Globus unterwegs. Unternehmen wie Spire oder Fleet verfolgen die Transpondersignale von Schiffen und Flugzeugen oder helfen, Wettervorhersagen zu verbessern. Künftig sollen sie zudem Milliarden von Sensoren und schlaue Geräte in entlegenen Regionen der Welt mit dem globalen Computernetzwerk verbinden – als Teil des Internets der Dinge. Mehr als 6200 kleine Satelliten, so Schätzungen des auf Raumfahrt spezialisierten Beratungsunternehmens Euroconsult, könnten in den nächsten zehn Jahren gestartet werden. Ein Markt von mehr als 30 Milliarden Dollar.

Das Geschäftsmodell wird – auf lange Sicht – allerdings nur unter zwei Bedingungen funktionieren. Erstens müssen sich auch die nötigen Raketen finden lassen. In der Vergangenheit war das gar nicht so einfach. Seine ersten Taubenschwärme, auf Englisch "flocks" genannt, hat Planet noch von der Internationalen Raumstation ISS losgelassen. Sie besitzt eine spezielle Startvorrichtung für Cubesats. Die meisten Doves sind allerdings per Anhalter ins All gekommen: Wenn beim Start eines großen Satelliten noch etwas Platz ist, verkaufen Raketenbetreiber solche Mitfluggelegenheiten gern an Cubesat-Konstrukteure.

Es ist eine äußerst günstige Möglichkeit, ins All zu kommen, allerdings auch eine ziemlich unflexible, ein logistischer Albtraum: Auf die Mitflugtermine muss oft lange gewartet werden. Zudem passen die Umlaufbahnen der großen Satelliten, die von den Raketen zwangsläufig angesteuert werden, meist nicht mit den gewünschten Bahnen der Cubesats überein. "Bislang bekommen wir unsere Satelliten nur dann in den optimalen Orbit, wenn wir sehr viel Geld dafür bezahlen", sagt Marcus Apel. So würde es beispielsweise 20 Millionen Dollar kosten, eine indische PSLV nur zu diesem Zwecke zu chartern.

Start-ups wie Rocket Lab wollen das ändern. Das US-Unternehmen hat unlängst damit begonnen, von Neuseeland aus eine kleine, neuartige Rakete ins All zu schicken: die Electron. Ihre Konstrukteure verzichten auf allzu großen Schnickschnack. Die Turbopumpe zum Beispiel, die Treibstoff mit immensem Druck in die Brennkammer presst und bei großen Raketen einem eigenen Triebwerk gleicht, wird bei der Electron elektrisch betrieben. Sie kommt aus dem 3D-Drucker und hat die Größe einer Getränkedose. Das spart Geld und Gewicht. Damit kann sie zwar nach Angaben von Rocket Lab nur 150 Kilogramm transportieren, für Cubesats aber würde es reichen. Bislang jedenfalls geht das Konzept auf. Beim zweiten Testflug im Januar 2018 wuchtete die Rakete drei Mini-Satelliten ins All.

Ein Kilogramm Nutzlast schlägt mit 49.000 Dollar zu Buche. Damit ist der Transport zwar rund zehnmal teurer als eine Mitfahrgelegenheit auf der Falcon 9 von SpaceX. Aber dafür exklusiv. Marcus Apel glaubt daher, dass die Zukunft in den flexibel einsetzbaren Mini-Raketen liegt. "Solch kleine Systeme können häufig starten, das macht Sinn für uns." Auch andere Unternehmen scheinen auf diesen Markt zu hoffen. Darunter finden sich etwa Vulcan Aerospace vom Microsoft-Mitgründer Paul Allen oder Virgin Orbit vom britischen Milliardär Richard Branson. Sie wollen ihre Mini-Raketen zunächst mit riesigen Flugzeugen in etwa zehn Kilometer Höhe bringen. Erst dort sollen Launcher One und Stratolaunch die Triebwerke zünden. Bislang laufen erste Tests am Boden. Hinzu kommen zahlreiche weitere Projekte. Carlos Niederstrasser, Ingenieur beim Raumfahrtunternehmen Orbital ATK, versucht Buch zu führen über die kleinen Raketen. Er kommt auf weltweit 35 Systeme, die sich in Entwicklung befinden. Weitere 30 Projekte wurden zumindest angekündigt.

Die zweite Bedingung, damit das neue Zeitalter der Erdbeobachtung tatsächlich eintritt: Die Unternehmen müssen zeigen, dass ihre Bilder einen wirklichen Mehrwert bieten. Erste Ideen existieren bereits, und sie bergen zumindest die Hoffnung darauf, dass die Cubesats bei der Lösung von ein paar großen Problemen helfen können.

Ein Blick in den Kundenstamm des Cubesat-Anbieters Planet zeigt die Möglichkeiten. Das Unternehmen hat nach eigenen Angaben Abnehmer in mehr als hundert Ländern. Sie nutzen die Satellitenbilder, um die fortschreitende Abholzung in Staaten wie Peru oder Vietnam zu beobachten. Sie zählen Stroh- und Ziegeldächer in ländlichen Landstrichen, ein Zeichen des relativen Wohlstands, und bauen daraus einen Armutsindex auf. Oder sie beobachten landwirtschaftliche Flächen und schätzen den voraussichtlichen Ernteertrag ab.

Sogar die Sklaverei haben Forscher im Visier. Der Politologe Kevin Bales von der Universität Nottingham hat eine Region untersucht, die sich von Pakistan über Indien und Nepal bis nach Bangladesch erstreckt. Sie gilt als Brennpunkt moderner Sklavenhaltung. Forscher nennen sie "Ziegelsteingürtel", weil sich dort Ziegelei an Ziegelei reiht, erkennbar an ihrer charakteristischen ovalen Form. Dort werden Arbeitsmigranten oft als Zwangsarbeiter festgehalten und ausgebeutet. Bales nun zählte die Ziegeleien und kam auf mehr als 55.000 – und an jeder könnten "einige Dutzend" Menschen Steine brennen. Bisher ist die Auswertung langsam und mühselig, weil Freiwillige die Satellitenbilder auswerten müssen. Bales beispielsweise konnte für sein Sklaverei-Projekt "stets nur dort nachschauen, wo wir ohnehin mit einem Ziegelsteingürtel rechneten", erzählt der Forscher. Alle anderen Regionen musste er im Dunkeln lassen. Er hofft allerdings, dass ihm künftig eine künstliche Intelligenz zur Hand gehen wird. "Der nächste Schritt wird sein, dass uns der Computer sagen soll, wo sich solche Regionen befinden."

Derartige Algorithmen könnten aber nicht nur Bales Problem lösen – sondern ein Hindernis beseitigen, das derzeit die gesamte Cubesat-Branche bremst. Allein Planet erstellt Tag für Tag knapp 1,5 Millionen Satellitenaufnahmen. Rund sieben Terabyte an Daten kommen dabei zusammen. "Das kann niemand mehr händisch analysieren", sagt Damian Borth, Abteilungsleiter Deep Learning beim Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern. "Hier ist eine Automatisierung sehr, sehr wichtig." Fortschritte bei der automatischen Bildverarbeitung, vor allem durch das Deep Learning, haben zwar in den vergangenen Jahren bemerkenswerte Erfolge gezeigt. Auf Satellitenbilder lassen sich die Verfahren aber nicht eins zu eins übertragen – unter anderem weil es dort mehr als die üblichen drei Farbkanäle gibt. Doch das kann auch ein großer Vorteil sein. Um beispielsweise Waldbrände automatisch zu erkennen und voraussagen zu können, wie das Feuer sich weiter ausbreitet, nutzten die Forscher des DFKI zusätzlich den Infrarotkanal der Satellitenbilder.

Da Pflanzen Infrarot sehr viel stärker reflektieren als die nackte Erde, kann man gut erkennen, wie viel Vegetation vorhanden ist. "Und Vegetation ist Brennstoff für das Feuer. Umgekehrt wird es dort, wo es gebrannt hat, nicht noch mal brennen. Also kann man so lernen, wohin das Feuer sich entwickeln könnte", sagt Borth. Das kanadische Start-up Tanka hat aus dieser Idee ein Geschäft gemacht: Basierend auf Satellitenbildern von Planet und selbst entwickelter Software meldet Tanka der kanadischen Regierung täglich alle Waldbrände, die in den letzten 24 Stunden entstanden sind – und liefert eine Prognose über deren Ausbreitung.

Um die maschinelle Analyse von Satellitenbildern auf breiter Front voranzubringen, unterstützt das DFKI seit vergangenem Jahr einen internationalen Wettkampf: die Multimedia Satellite Challenge. Die Teilnehmer, im Jahr 2017 waren es 15 Teams mit zusammen 60 Projekten, sollen Software entwickeln, die für jeden Bildpunkt einer Satellitenaufnahme erkennt, ob der jeweilige Fleck überschwemmt ist. Flüsse und Seen, die nicht über die Ufer getreten sind, müssen dabei zuverlässig von überfluteten Regionen unterschieden werden – auch wenn die jeweiligen Pixel einfach nur Wasser zeigen.

Die Teilnehmer der Challenge nutzten tiefe neuronale Netze, die mit Hunderten von Aufnahmen der Cubesat-Firma Planet trainiert wurden. Nach Ende der Trainingsphase lag die Übereinstimmung zwischen einem vom neuronalen Netz erstellten Überschwemmungsbild und einer von Menschen klassifizierten Karte bei 65 Prozent. "Das ist überraschend gut", sagt Borth. Mit einer Software, die Bilder überfluteter Landstriche aus sozialen Medien fischt und so wertvolle Kontext-Informationen liefert, versuchen die Forscher die Genauigkeit des Systems weiter zu steigern. Außerdem wollen sie topografische Informationen einbauen, um die Entwicklung von Fluten vorhersagen zu können.

Auch Cubesat-Anbieter Planet hat die Möglichkeiten der KI-Systeme erkannt. Das Unternehmen versucht daher, sich vom Anbieter reiner Satellitenbilder zu einem, so Apel, "intelligenten Informationslieferanten" zu wandeln. Algorithmen für maschinelles Lernen sollen den Bilderberg analysieren und von sich aus interessante Veränderungen erkennen. William Marshall, einer der drei Planet-Gründer, vergleicht den Ansatz bereits mit dem Vorgehen von Google: Der Suchmaschinenriese indiziere das Internet, um es durchsuchbar zu machen, Planet kümmere sich um Veränderungen auf der Erde. Wer wissen wolle, wie viele Gebäude derzeit in Shanghai gebaut würden, finde solche Informationen künftig in der Planet-Suchmaschine. Mitte des Jahres könnte die erste Testversion online gehen.

Und es soll nicht bei Standbildern bleiben. Das US-Start-up EarthNow, das unter anderem von Microsoft-Gründer Bill Gates und dem Luftfahrtkonzern Airbus finanziert wird, hat vor einigen Wochen angekündigt, eine Konstellation aus bis zu 500 Videosatelliten zu starten. Die Späher sollen Liveaufnahmen von jedem Punkt des Planeten zur Erde funken. Sie könnten dabei die Wanderung von Buckelwalen ebenso beobachten wie illegale Fischer oder unkontrollierte Waldbrände. Die Satelliten würden, so heißt es bei EarthNow, über eine intelligente Bildverarbeitung verfügen, wodurch die zu übertragende Datenmenge "um mehrere Größenordnungen" reduziert werden könne. "Sollte das gelingen, dann könnten wir Veränderungen viel besser erkennen und den globalen Puls der Erde quasi fortwährend messen", sagt Borth. Bislang ist das YouTube aus dem All allerdings nur eine Ankündigung. Noch ist zum Beispiel nicht klar, welche Auflösung die vermutlich 250 Kilogramm schweren Videospäher haben werden und wie sie die Unmengen an Daten zur Erde funken sollen.

Die Begehrlichkeiten sind dennoch geweckt. Und sie machen Datenschützer nervös. Denn so gern Planet die sozialen und humanistischen Einsatzgebiete seiner Aufnahmen in den Vordergrund rückt – das große Geld dürfte aus anderen Quellen kommen. Das Unternehmen arbeitet beispielsweise mit Spionageagenturen zusammen. Vergangenen Herbst wurde zum Beispiel ein 20 Millionen Dollar umfassender Vertrag mit der US-Behörde für geheimdienstliche Aufklärung geschlossen, der National Geospatial-Intelligence Agency. Auch die Militärs interessieren sich für die billige Bilderwelt. Das US-Start-up BlackSky aus Seattle, das gemeinsam mit den europäischen Firmen Telespazio und Thales Alenia Space 60 hochauflösende Erdbeobachtungssatelliten ins All bringen will, hat Anfang des Jahres einen 16-Millionen-Dollar-Auftrag der US-Luftwaffe erhalten. Zehn Millionen Dollar warten zudem auf das Team, das der Forschungsagentur des Pentagons beweist, innerhalb weniger Tage zweimal Mini-Satelliten von einem kurz zuvor bekannt gegebenen Ort ins All bringen zu können.

Die Spionage wird sich nicht auf Militäranlagen beschränken: Das kalifornische Start-up Orbital Insight bietet beispielsweise Datenreihen zum Straßenbau in China, zum weltweiten Abbau von Eisenerz, zur Auslastung der Parkplätze vor amerikanischen Einkaufszentren oder der Autostellplätze vor einem Autowerk – gewonnen aus Satellitenbildern. Diese Informationen können wertvolle Hinweise auf die wirtschaftliche Entwicklung geben, verraten, ob eine Supermarktkette kurz vor der Pleite steht oder ein Autohersteller Absatzprobleme hat. Als Reaktion, erzählt Damian Borth, hätten erste Autohersteller bereits begonnen, die Parkplätze ihrer Werke zu überdachen.


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