Was hat die Flug- und Raumfahrt mit Nachhaltigkeit zu tun? | The European

Das grüne All

Beatrice Bischof23.05.2021Medien, Wissenschaft

Kürzlich habe ich eine Frage gestellt bekommen – als ich über die Raumfahrtindustrie diskutierte: Was hat denn Flug- und Raumfahrt mit Nachhaltigkeit zu tun?
Sehr viel. Ich bin der Frage direkt nachgegangen und war selbst fasziniert. Ein Beitrag von Beatrice Bischof.

Das All, Foto: picture alliance / Zoonar | Irina Dmitrienko

„Die Raumfahrt  gewinnt durch den Klimawandel an Bedeutung“ so Professor Dr. Rolf Jürgen Ahlers vom LR BW, Forum Luft und Raumfahrt Baden Württemberg. Und auch der Bayerische Ministerpräsident Markus Söder  hat  mit seinem Raumfahrtprogramm „Bavaria one“ mit dem er Bayern als führendes Zentrum der deutschen Raumfahrtaktivitäten etablieren will, den Faden 2018 aufgegriffen. Dazu gehört die Gründung der größten Luft- und Raumfahrtfakultät Europas an der TUM mit 700 Millionen Euro. Schwerpunkte sollen Satelliten, Erdbeobachtung, Raketentechnik und Quantensensorik sein. Die Langfriststrategie reicht von der Erdvermessung bis hin zu Space Start-Ups.

Dass Satellitentechnik Geoinformationen für beispielsweise die Landwirtschaft liefert, die in Kombination mit der Sensorik in Landmaschinen zu Effizienzsteigerungen führt, ist längst bekannt.  Die Einführung des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo wird zahlreiche neue Anwendungen hervorbringen und vorhandene optimieren. Neben der Land und Forstwirtschaft gilt das auch für die Vermessung, die Katastrophendienste oder die Verkehrsleitsysteme. Ein Merkmal wird dabei der hohe Bedarf an qualifizierten Mitarbeitern sein. Auch beim unbemannten Fliegen zeichnet sich eine spannende Entwicklung ab.

Dabei  ist für die gesamte Luft und Raumfahrt die Reduzierung der CO2 Belastung ein großes Thema, die Flugzeuge müssen leichter und effizienter werden, der Einsatz von Leichtbaumaterialien wird steigen, ebenso ist wie in der Automobilbranche die Elektrifizierung des Antriebs ein Thema.

Das Thema „greener aircraft“ ist ein interdisziplinäres Thema, wie die gesamte Luft und Raumfahrt. Es erfordert die Verbindung verschiedener Technologien. Die Zulieferer nutzen dabei ihre Kompetenzen aus der Automobilindustrie, der Textilindustrie, der Medizintechnik, der Informations-und Kommunikationstechnik und dem Werkzeugmaschinenbau für die Weitergabe der Wissensverwertung. Dieses Wissen fließt in die Entwicklung und Fertigung neuer Flugzeuge und Satelliten, und wirkt auf diese wieder zurück. Es entstehen neuartige Anwendungen.

Anwendungen wie sie zum Beispiel im Katalog der Satellitentechnologie von Airbus zu finden sind. Satelliten wie etwa Pléiades Neo, eine neue optische Satellitenkonstellation. Sie liefert raumbezogene Aufklärung. Das ist ein neuer Zweig nachrichtendienstlicher Aufklärung. Ihr Ziel ist die Gewinnung von Nachrichten aus der Auswertung von Bildern und raumbezogenen Informationen (Geodaten) über Gegenstände und Ereignisse bezogen auf Raum und Zeit, laut Definition.  In der praktischen Anwendung heißt das, Informationen basierend auf Überwachungen ermöglichen rechtzeitig informierte Entscheidungen. Neben dem Verteidigungsbereich betrifft das aber auch die zivile Nutzung  bei der Landwirtschaft (Forstwirtschaft), den maritimen Bereich,  sowie den Urbanen…und das in hoher Präzision. Diese Informationen können und werden auch genutzt unter dem Begriff „Sustainable Space“.  Wie das funktioniert? Die Satellitenbildtechnik wird mit AI und Wertungs- oder Validierungswerkzeugen (validationboots) kombiniert. Wiederum als Beispiel im Bereich der Forstwirtschaft soll damit eine unabhängige Bewertungsgrundlage zur Verfügung gestellt werden, um unnötige Entforstungen zu stoppen. Startling, entwickelt von Airbus und der Earth Worm Foundation soll den Landgebrauch und die Entforstung überwachen. Dem Bereich „Sustainable Space“ wird bei Airus eine eigene Sparte gewidmet.

Auf das Klima bezogen werden Satelliten eingesetzt um den Klimawandel zu überwachen. Airbus ist im Erdbeobachtungssatellitenprogramm der European Space Agency (ESA) engagiert, mit seinen 12 Copernicus Missionen. Heute sind 27 der Satelliten involviert den Klimawandel zu überwachen, zusätzliche 10 sind in der Entwicklung.  Die „Satellitenflotte“ misst folgende Bereiche: wichtige atmosphärische Bestandteile, Land und Meerestopographie, Luftqualität, Temperatur und Feuchtigkeit, Schnee und Eisbedeckung. Satelliten liefern den Wissenschaftlern ein besseres Verständnis des Erdsystems und seiner Evolution, helfen Regierungen und humanitären Organisationen sich auf den Notfall vorzubereiten und ihn zu handhaben, generieren den Umweltfußabdruck großer Industrien.  Im Einzelnen beschäftigt sich dabei zum Beispiel Aelus mit dem Einfluss der Windmuster auf globaler Ebene, die Airbus Satellitenflotte liefert Geo-Intelligenz im Bereich Optik u.a. Pléiades und Radar. Biomass soll das CO2, das von Bäumen aufgefangen wird, überwachen.  Das Raumschiff trägt das erste Radar, das ganz außergewöhnlich akkurate Landkarten tropischer, gemäßigter und nördlicher Waldbiomasse erstellt, die mit der Erfassung am Boden nicht erzielt werden können. Copernicus und die Sentinel Familie sind der größte Lieferant von Daten zur Erdbeobachtung, Earth Care beobachtet den Einfluss von Wolken und kleinen Partikeln auf die Erdstrahlung. MetOp-SG trägt via Spektral-und Raummessung  zur meteorologischen Voraussage bei, Merlin soll Treibhausgase und die Erderwärmung von 2024 untersuchen, Microcarb misst das Niveau von CO2, indem er mittels Spektrometer sichtbare und fast Infrarot- Wellenlängen untersucht.

Aber nicht nur in Europa und den USA werden Satelliten ins All geschickt, die der Überwachung der Umwelt dienen. Auch in den Vereinigten Arabischen Emiraten, konkret in Dubai, hat man mit dem DM SAT-1 den ersten nanometrischen Umweltsatelliten der Region, ausgerüstet mit der neuesten Technologie zur Überwachung der Umwelt ins All geschickt. Er sammelt und analysiert Klimadaten, misst Umweltverschmutzung und Treibhausgase. Damit dient DM SAT-1 der Dubai Clean Energy Strategy 2050, der UAE Energy Strategy 2050 und dem UAE National Climate Change Plan 2017-2050, der die Verpflichtung des Landes gemäß des Abkommens von Paris unterstreicht. Der DM SAT-1 ist mit einem Polarimeter und zwei Spektrometern ausgerüstet.  Das Ziel ist es langfristige Pläne zur Bekämpfung des Klimawandels zu entwickeln, Informationen und Daten  zur Überwachung der Treibhausgasemissionen werden geliefert, außerdem soll der Anteil der CO2 Emissionen im Hinblick auf das Bruttosozialprodukt von Dubai 2021 kalkuliert werden. Der Umwelteinfluss und die Effektivität des Outputs der UAE Energiestrategie 2050 wird untersucht, um den Beitrag zum nationalen System für Treibhausgasemissionen im Management des Klimawandelplans 2017-2050 zu leisten.  Auch Dubai setzt mit seiner Mission zum Mars und dem Raumfahrtprogramm sowie dem Mohammed Bin Rashid Aerospace Hub, dem größten integrierten Ökosystem seiner Art im Bereich Luft- und Raumfahrt, ganz  groß auf Luft-und Raumfahrt.

Um dem Ganzen noch einmal einen Boost zu verleihen wird derzeit auch an softwaredefinierten Satelliten und Netzwerklösungen gearbeitet. Geschwindigkeit, Flexibilität und Power zu einem Bruchteil der Kosten von hardwaredefinierten Raumfahrzeugen sollen die Vorteile sein. Das Mittel: die Strahlenrekonfiguration und generische Satelliten via Software. Im geostationären All ist es ein „Gamechanger“ die Fähigkeit zu besitzen den Fußabdruck und die Spektralkraft eines Satelliten erneuern und anpassen  zu können, der 15 Jahre im All bleiben soll. Satelliten im Raum der mittleren Reichweite und der näheren Reichweite profitieren von der Strahllenkung und Gestaltungsfähigkeit der softwaredefinierten Satelliten.  Lockhead Martins erster softwaredefinierter Satellit bewegt sich 2021 in die Vorphase der Testung.  SmartSat kann  mittels einer Computerverarbeitung,  Xavier, die auf Nutzlastdaten zurückgreift, Missionen im Weltraum verändern.  Eutelsat Quantum beispielsweise wird der erste kommerzielle Telekommunikationssatellit weltweit sein, der sich im Weltraum rekonfigurieren kann. Er kann sein Überwachungsgebiet den Anforderungen der Kunden in verschiedenen Regionen in Echtzeit verändern. Kunden können somit  eine konkrete Route aussuchen, um ein Flugzeug oder Schiff zu verfolgen. Das gibt Auslandsmissionen mehr Kontrolle, auch Simulationen durchzuführen. Smart Sat von Lockhead Martin kann sich selbst schneller neu konfigurieren, präzisere Diagnosen erstellen, schneller autonom Cyberbedrohungen erkennen. Doch die softwarebasiereten Satelliten brauchen mehr Nutzlast und die volle Plattform mehr Watts und Überschusskapazität. Die Satellitenkommunikation wird mehr wie die Telekommunikation aussehen, mit ihren Netzwerken und der Vermischung der Verbindungen in den verschiedenen Weiten des Weltraums (LEO; GEO, MEO). Das erfordert Verbindungen zwischen den Satelliten für die Konstellationen und dem Boden. Lockhead Martin schlägt Fortschritte in der AI und dem Maschinellen Lernen vor, die es den smarteren Software definierteren Satelliten ermöglichen effektiver zu kommunizieren.

Zum „Sustainable Space“ gehört es mit zunehmendem „Verkehr im All“ aber auch eine nachhaltige Gesamtlage im All zu erhalten, d. h. das All vom Weltraummüll zu entsorgen. Dazu dienen Technologien wie das „Robotic Telescope“ , das durch Tracking und Überwachung dafür sorgt, dass Satelliten und die internationale Raumstation davor geschützt werden miteinander oder mit Weltraumschrott zu kollidieren. Auch die „Space Harpoon“, die mit Kaltgasgeneratoren abgefeuert wird, soll Müll eliminieren. Das „Space net“ fängt den Müll ein und schafft ihn aus dem All, indem er ihn verlässt und dabei verbrennt. Ein alternatives GPS bestehend aus zwei 2D Kameras und 3D LIDAR, Lichterkennung und Rangierung, soll den Müll mit Hilfe von Bildverarbeitungstechnik orten, die auf dem neuesten Stand mit Navigationsalgorithmen ist. Das Management des Weltraumverkehrs ist ein wichtiges Anliegen, da massive Konstellationen zunehmen. Dazu nimmt Airbus  beispielsweise an einem Konsortium teil, das Space Sustainability Rating (SSR) genannt wird. Es ist ein Konzept, das vom Weltwirtschaftsforum entwickelt wurde und eine Wertung liefert, die aus dem Verhältnis  der Nachhaltigkeit  einer Mission zu seiner Müllemission und der Ausrichtung an internationalen Richtlinien entsteht.

Auch die Decarbonisierung der Luftfahrtindustrie wird vorangetrieben. Die Luftfahrt mit dem Ziel Menschen zu verbinden, ist leider für 2, 5% der menschlich verursachten Treibhausgase verantwortlich. Daher ist die Reduzierung der Emissionen der Flugzeuge, Satelliten und Trägerraketen sowie des industriellen Fußabdrucks, auch der Lieferketten, notwendig. Airbus unterstützt dabei die Ziele der internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO), einer Sonderorganisation der UN, die sich der Förderung eines nachhaltigen Wachstums des globalen zivilen Luftverkehrssystems verschrieben hat. Kernziele sind, ein CO2 neutrales Wachstum von 2020 an, 50% Reduktion der CO2 Emissionen, 2050 sollen die Emissionen die Hälfte von 2005 betragen. Diese Ziele werden in Kooperation mit verschiedenen Organisationen, in denen Airbus eine zentrale Rolle spielt verfolgt. Der Klimaaktionsplan beinhaltet, die Verbrennung in den existierenden Flugzeugen zu verbessern. Die neue treibstoffeffiziente Luftflotte von Airbus erreicht eine Effizienz von 2, 1 % in der letzten Dekade. Es wird in Nullemissionstechnologien investiert, hierzu gehören hybrid elektrische- und Wasserstofftechnologien. Die Entwicklung von nachhaltigen alternativen Brennstoffen soll vorangetrieben, die täglichen Flugrouten optimiert werden, ATM Lösungen und Boden und Luft-Bewegungen gehören dazu, um den Einfluss des Verkehrs auf die Umwelt zu reduzieren. Airbus ist in die „Single European Sky Air Traffic Management Research (SESAR)” involviert.

Auch Getriebehersteller MTU setzt sich das emissionsfreie Fliegen gemäß der Klimavorgaben der Klimakonferenz von Paris zum Ziel. Dabei werden zwei Wege verfolgt, der evolutionäre mit der Weiterentwicklung des Geared Turbo Fans (GTF) und der revolutionäre mit der Elektrifizierung des Antriebsstrang mittels Brennstoffzellen Fying Fuel Cells. Im einen Fall ist die mechanische Lösung ein Untersetzungsgetriebe zwischen Fan und Niedrigdruckwelle, das es allen Komponenten erlaubt im jeweiligen Drehzahloptimum zu laufen. Der Treibstoffverbrauch und Kohlendioxidausstoß werden dabei um 16% verringert, der Lärmteppich um 75%. Im anderen Fall, der revolutionären Variante,  sind es Neuentwicklungen bei denen die Fluggasturbine mit völlig neuen Technologien kombiniert wird wie dem „Composite Cycle Ansatz“. Dabei wird die Turbomaschine mit einer Kolbenmaschine kombiniert.  Bei der „Steam Injected Water Recovering Gas Turbine“ wird ein Dampfkraftprozess in den Gasturbinenprozess integriert und damit die Wärme des Abgasstrahls genutzt. Elektrische Antriebe v.a. durch wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen haben das Potential einen emissionsfreien Luftverkehr ohne Einschränkungen der Transportleistung und Reichweite zu erreichen. Alternative Kraftstoffe, Sustainable Aviation Fuels, SAFs, spielen beim „Clean Engine Konzept“ eine große Rolle. Biomasse, Power to Liquid, liefert dabei die größten Mengen, ist aber in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion, Solaranergie, Sun to Liquid, ist eine weitere Möglichkeit. Doch langfristig soll Wasserstoff im Vergleich zu den PTL Kraftstoffen effizienter und kostengünstiger sein. Hierbei ist keine Anpassung erforderlich. Der Wasserstoff kann in der Fluggasturbine verwendet werden. Und zum Wandel in Elektroenergie werden dann Brennstoffzellen benutzt. Doch das erfordert eine neue Infrastruktur, Industrialisierung, und neue Flugzeugdesigns. Wirtschaftlich sinnvoll  ist die Elektroenergie nur für kleinere Strecken, bei längeren ist es sinnvoll das der Einsatz des Wasserstoffs  in der Gasturbine erfolgt.

Die politischen Komponente verbindet die Technologien mit den Programmen: Grean Deal mit der Digital Strategy. Die EU hat beide Programme gestartet, um 2050 klimaneutral zu sein.  Neben diesen beiden Programmen etablierte sie auch die auf 10 Jahren ausgerichtete „Destination Earth Initiative“, die es beinhaltet einen digitalen Zwilling der Erde zu entwickeln, um die Klimaentwicklung zu kartieren. Das digitale Modell wird zur Vorhersage bestimmter Szenarien, die die Erde betreffen benutzt und ebenso um effektive Lösungen gegen den Klimawandel zu finden.  Das „Earth System Model“ zeigt virtuell alle Prozesse auf der Erdoberfläche-so realistisch wie möglich- den Einfluss der Menschen auf Wasser, Nahrung und Energiemanagement und die Prozesse im physischen Erdsystem. Die Satellitenflotte von Copernicus und die Airbus Earth Observation Satelliten werden das Modell mit großen Mengen an Satellitendaten füttern.  Der digitale Zwilling wird ein Informationssystem sein, das Szenarien entwickelt und testet, die mehr nachhaltige Entwicklung zeigen und die Politik damit besser informieren. Eine bessere Politik ermöglichen. Der digitale Zwilling wird auch für die strategische Planung von Frischwasser und Nahrungsversorgung, Windfarmen und Solarparks benutzt. Das Projekt ist ein Gemeinschaftswerk der European Space Agency (ESA), der European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), dem Swiss National Supercomputing Centre (CSCS), dem Institute for High Performance Computing Systems. Zu dem Schritt  in der digitalen Revolution ist es nach dem stellvertretenden Forschungsdirektor am European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Peter Bauer, notwendig  die Geowissenschaften mit den Computerwissenschaften zu vermählen.  Um Simulationen mit hoher Auflösung zu bekommen und um die komplexen Prozesse des Geosystems darzustellen, müssen die Simulationsprogramme an die neuen Technologien angepasst werden, die eine höhere Rechenleistung haben. Damit das erreicht werden kann, müssen Hardware und Algorithmen gleichzeitig weiterentwickelt werden. Die Forscher sehen ein großes Potential in der AI zur Datensammlung oder der Bearbeitung der Überwachungsdaten, der Darstellung unsicherer physischer Prozesse in den Modellen und Datenkompressionen. AI beschleunigt die Simulationen und filtert die wichtigste Information heraus. Der physische Prozess kann genauer beschrieben werden. Supercomputer basierend auf graphischen Prozesseinheiten scheinen dabei die Vielversprechendsten zu sein. Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen sollte so ein Computer von einem Ort aus operieren, wo CO2 neutral generierte Elektrizität in ausreichendem Maß vorhanden ist.

Um zu einem Resumé der Erörterungen zu kommen: Was sehen wir? Wir sehen, dass die grüne Luft- und Raumfahrt Industrie interdisziplinär aber auch international verzahnt ist, dass Nachhaltigkeit und Technologie, Digitalisierung verbunden sind. Dass wir alle zusammenarbeiten können, um unsere Erde und unser All zu erhalten. Gilt nicht zuletzt im Weltall, auf hoher See das völkerrechtliche Prinzip des „Gemeinsamen Erbes der Menschheit“ , the common heritage of mankind, das es gemeinsam für künftige Generationen zu erhalten gilt.  Zur Diskussion steht übrigens auch das Prinzip auf die globale Kommunikation zwischen Individuen über das Internet darin aufzunehmen.

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