Allzu besonders schaut er nicht aus, ja geradezu gewöhnlich. Und doch soll dieser Computerchip die Raumfahrt in die Zukunft führen. (Bildquelle: NASA/Ryan Lannom)

Die NASA steht seit Anbeginn ihrer Existenz im Jahr 1958 vor großen Aufgaben. Das Besondere prägt den Alltag, das Bahnbrechende ist der Auftrag. Doch wären die Erfolge ohne ein kleines Stück bearbeitetes Silizium unmöglich. Denn angefangen mit der Mondlandung über das Voyager-Programm bis zu heutigen Missionen setzte jedes Raumschiff auf spezielle Hardware, um seine Mission zu erfüllen.

Jetzt stellt die Raumfahrtagentur die nächste Generation an Technik vor, die alle bisherigen Versionen übertreffen soll.

Merkmale der HPSC-Prozessorfamilie

Der Name des neuen Rechen-Rückrats der Raumfahrt ist Programm: NASA High-Performance Spaceflight Computing (HPSC), zu Deutsch: Hochleistungs-Raumfahrt-Computer.

Im Vergleich zu aktuellen Weltraumchips soll der HPSC nach NASA-Angaben die 100-fache Rechenleistung bieten. Zudem können Missionsplaner mehrere Chips miteinander per Advanced Ethernet kombinieren.

Die kleinen Rechenhirne arbeiten dann zwar weiter unabhängig, kommunizieren jedoch in Echtzeit miteinander. Überdies ermöglicht die offene, Industriestandards nutzende Architektur, dass sich unterschiedlichste Sensoren, Steuerungen oder sonstige Hardware ansprechen lassen.

Starlink-Satelliten von SpaceX im Orbit. Sie sind nach Zahlen die Könige, keine Art kommt derart so häufig vor, wie sie. (Bild: Ahmad über Adobe Stock)

Schlafen, um auf Reisen Strom zu sparen

Um Energie zu sparen, kann der Chip selbst Teilbereiche einzeln deaktivieren. Bei Reisen, die mitunter Jahrzehnte in Anspruch nehmen, braucht es manche Geräte und entsprechend bestimmte Bereiche der CPUs nur phasenweise.

Diese Fähigkeit mag langweilig klingen, bedeutet aber vor allem bei Operationen mit Rovern oder Sonden im äußeren Sonnensystem überlebensnotwendige Kontrolle. Selbst wenige Watt geringerer Dauerverbrauch machen mitunter den Unterschied zwischen Fehlschlag und Erfolg einer Mission aus. Berühmte Beispiele, die gerne einen HPSC-Chip an Bord gehabt hätten, finden sich in den Voyager-Sonden. Ihr Stromverbrauch bereitet den Ingenieuren seit langem Kopfzerbrechen.

Die Raumfahrzeuge gehören zu einer kleinen Elitegruppe mit Kurs interstellarer Raum. Ein Video zu unseren »Botschaftern für die Ewigkeit« findet ihr hier:

2:17 Das sind unsere Botschafter für die Ewigkeit jenseits des Sonnensystems - mit an Bord Clyde Tombaugh

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Der Strahlungspanzer des Rechenhirns

Doch die Computerchips im Inneren aller Sonden, Satelliten oder Raumschiffe müssen mehr als nur möglichst schnell sowie effizient viele Daten verarbeiten. Sie haben allzeit zu funktionieren – selbst bei schlimmstem Weltraumwetter aus geladenen Teilchen, die sogar Transformatoren auf der Erdoberfläche gefährden.

Je nach Einsatzort benötigen sie unterschiedliche Grade an Schutz vor Strahlung. Die Hauptquelle für diese Gefahr ist die Sonne, die stetig geladene Teilchen aussendet. Hinzu kommt die kosmische Strahlung. Treffen die Ionen auf Elektronik, drohen Fehler im Speicher oder bei laufenden Berechnungen. Kommt es schlimmer, drohen gar dauerhafte Schäden an der Hardware.

Der HPSC-Chip ist äußerlich nur durch die Beschriftung von handelsüblichen Modellen zu unterscheiden. (Bildquelle: NASA/Ryan Lannom)

Vor Strahlung schützen folgende Aspekte:

magnetische Felder, wie das unserer Erde
Umhüllung durch Schichten aus Metallen aus schweren Elementen wie Tantal oder Wolfram (wie Abschirmungen bei Nuklearreaktoren).
Strahlungshärtung der Elektronik selbst: Dabei baut die Industrie Chips so, dass geladene Teilchen möglichst wenig anrichten können und wenn Fehler auftreten, sie rasch erkannt werden.
- Härtung im Chip-Design selbst
  - Transistoren werden größer und robuster gebaut als in normalen Chips – das macht sie weniger anfällig, aber auch langsamer und teurer.
  - Kritische Schaltkreise existieren mehrfach. Drei Einheiten berechnen dasselbe, ein Mehrheitsentscheid bestimmt das Ergebnis.
  - Die Technik basiert auf speziellen Schaltkreis-Layouts, die verhindern, dass ein einzelnes Partikel gleich mehrere benachbarte Transistoren stört.
- Software-seitige Fehlerkorrektur: Der Speicher prüft sich ständig selbst und kann einzelne Bit-Fehler (wenn eine Eins ungeplant zur Null umspringt) erkennen und korrigieren, bevor sie Schaden anrichten.

Stellt euch das Schutz-System so vor: Ein Mensch geht täglich im Regen zum Einkaufen. Er mag aber kein Wasser. Seine Unterkleidung durchnässt schnell, deshalb zieht er sich Regenkleidung an (Härtung). Das reicht aber nicht. Nass wird er immer noch, wenn auch nur äußerlich.
Jetzt holt er sich noch einen Regenschirm (Schutzschicht).
Nun ist aber in einem Bein der Regenhose ein Riss und es stürmt an manchen Tagen, weshalb er immer noch Nässe auf die Haut bekommt. Für diesen Fall hat er direkt neue lange Unterwäsche dabei, die er noch im Geschäft vor dem wieder trockenen Heimweg anzieht (Fehlerkorrektur).

Je nachdem, wo der Chip eingesetzt wird, braucht es unterschiedliche Grade an obigem Schutz. Satelliten sind generell sicherer vor geladenen Teilchen, wenn sie näher an der Erde ihre Bahnen drehen. Das gilt bis etwa 2.000 Kilometer Höhe.

Sonden wie Voyager, New Horizons oder auch das »James Webb«-Weltraumteleskop brauchen jedoch Extra-Schutz. Allerdings sind immer schwerere Schutzhüllen nicht mit dem allgemeingültigen Ziel der Gewichtsersparnis in der Raumfahrt vereinbar. Denn jedes Kilo kostet Geld und Energie.

Deshalb liegt der Fokus beim HPSC auch auf der Strahlungshärtung der internen Struktur sowie ausgefeilter Software zur Steuerung und Überwachung.

Forschung, Ruhm und Geld

Die Orbits bis 2.000 Kilometer Höhe gelten als eines der profitabelsten Wirtschaftsfelder des 21. Jahrhunderts. Wir erleben ein fortwährendes Wettrennen um die zweitgrößte Satellitenkonstellation – Platz eins geht mittelfristig uneinholbar an SpaceX, mit buchstäblich sichtbaren Folgen: Derzeit verglühen täglich mehrere Starlink-Satelliten.

Neuartige Chips mögen uns vielleicht alsbald erlauben, bisher unbekannte Facetten des Sonnensystems zu erkunden, doch letztendlich zielt der HPSC eben auch auf den kommerziellen Sektor ab. Im erdnächsten Weltraum warten auf die Hightech-Rechenhirne die profitabelsten Kunden, doch ihren Eintrag in die Geschichtsbücher verdient sich die neue Hardware sicher anderswo: »Für Missionen zum Mond, Mars und darüber hinaus«, wie die NASA schreibt.