Mondlandung mit freier Software
Das deutsch-österreichische Team "Part Time Scientists" will den von Google ausgeschriebenen Lunar-X-Preis gewinnen und mit einfachen Mitteln eine Mondlandung bewerkstelligen. Die Pläne für den Mond-Rover sind bereits fertig. Die Elektronik für die Raumfahrzeuge muss besonderen Anforderungen genügen. Als Betriebssystem kommt Linux zum Einsatz.
Auch wenn es sich nicht um Vollzeit- sondern um "Teilzeitwissenschaftler" handelt, so wird das Projekt Mondlandung von den Beteiligten mit wissenschaftlicher Akribie angegangen. Neben 23 weiteren Teams bewerben sich die "Part-Time-Scientists" um den von Google ausgeschriebenen und mit 30 Millionen Dollar dotierten Lunar-X-Prize.
Aufgabe ist es, eine Mondlandefähre und einen Mondrover zu konstruieren und auf dem Erdtrabanten zu landen. Der Rover muss dann mindestens 500 Meter fahren und dabei hochauflösende Videos auf die Erde senden.
Liebevolle Handarbeit
Nicht nur der Rover wird von Grund auf selbst entworfen und zusammengebaut, auch der Bordrechner von "Asimov Jr." ist von Platinendesign und -bestückung bis zum Betriebssystem vollständig selbst konstruiert.
Ein weltalltauglicher PC lässt sich nicht "von der Stange" kaufen. Das liegt schon daran, dass gerade moderne CPUs die hohe Strahlenbelastung nicht vertragen, eine große Gefahr besteht zudem darin, dass frei fliegende Protonen Löcher in das Silizium des Chips brennen und ihn damit unbrauchbar machen.
150.000 RAD
Im Weltraum sind Computersysteme einem Vielfachen der Strahlendosis ausgesetzt, die für einen Menschen tödlich ist. Das sind je nach Art der Strahlung um die 1.000 RAD.
"150 kiloRAD soll das Brett schon aushalten" so Projektinitiator Robert Böhme zu ORF.at. Die verwendeten Bauteile sind handverlesene Produkte der Firmen Xilinx und Texas Instruments.
Die fertigen Prototypen der Mainboards werden dann einem Härtetest im Strahlenlabor unterzogen, hier ist man mit mehreren Universitäten und Institutionen im Gespräch.
Ein Power-PC als Herz
In erster Linie handelt es sich bei den Bauteilen um so genannte Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Das sind integrierte Schaltkreise, in denen logische Schaltungen frei programmiert werden können, also eine programmierbare Anordnung von Logik-Gattern.
Die Schaltungsstrukturen werden mittels Hardwarebeschreibungssprachen oder in Form von Schaltplänen erstellt und auf das Bauteil übertragen. Es lassen sich also mit ein- und demselben FPGA (fast) beliebige Schaltungen realisieren.
Zum Beispiel eine Power-PC-Architektur, das heißt eine handelsübliche Power-PC-CPU samt Peripherie wie sie in älteren Apple-Rechnern und zahllosen elektronischen Geräten wie zum Beispiel Sat-Empfängern verbaut sind.
"Asimov Jr." - Teil I
Der Mond-Rover wird vom österreichischen Maschinenbautechniker Jürgen Brandner konstruktiert. Benutzt wurde dafür das 3-D-Konstruktionsprogramm "Solid Works", hergestellt wurde der erste Prototyp von "Asimov Jr.", wie der Rover heißt, nach einem "Rapid Prototyping"-Verfahren, zu dem auch der "3-D-Druck" gehört.
Reserve auf dem Chip
Da FPGas sind zwar relativ immun gegen die Strahlung, aber nicht vor Bitfehlern sicher, die zu "unerwarteten Effekten" führen, plötzliches Rebooten ist noch der angenehmste davon. Doch auch hier hat man vorgesorgt.
Bei jedem verbauten FPGA-Chip bleibt eine große Zahl an möglichen Funktionen vorerst ungenützt, denn diese Logikgatter stehen in Reserve für den Fall, dass Bitfehler auftreten. Diese erkennt ein ebenfalls selbst entworfener ECC-Speicherbaustein, der Fehler korrigiert, indem er den betroffenen Teil der Schaltung bei laufendem Betrieb einfach auf die freigelassenen Gatter überträgt.
"Stinknormaler Linux-Kernel"
Mit 512 MB RAM ist der Bord-PC des Mond-Rovers "Asimov Jr." für Weltraum-Verhältnisse nachgerade verschwenderisch ausgestattet, allerdings gehört das Verarbeiten hochauflösender Videostreams zu den Kernaufgaben des Gerätchens.
Die Arbeit daran sei schon "sehr exotisch, weil die Hardware natürlich ohne Anleitung daherkommt", sagte Software-Entwickler Thomas Kunze zu ORF.at. Das einzige fertige Stück Software, das verwendet wird, sei ein "stinknormaler 2.6er Linux-Kernel", der Rest ist - von der Motorensteuerung angefangen - wiederum reine Handarbeit. Zum Beispiel die Bilderkennung und die zugehörige Logik, denn schließlich muss "Asimov Jr." Hindernisse erkennen, um ihnen ausweichen zu können.
Video-Codecs in der Hardware
Die Codecs für die Videoverarbeitung wiederum müssen für die vorliegende Hardware optimiert werden, wie überhaupt als Regel gelte, dass "möglichst viele Vorgänge in Hardware gegossen" werden müssten, so Kunze.
Und auf die Frage, wie all das in 18 Monaten umgesetzt werden soll, meinte der Software-Entwickler: "Wir können auf sehr viel akademisches Wissen in Deutschland zurückgreifen und das ist ja Gold wert."
Und dafür werden sich die "Part-Time-Scientists" auf ihre Weise revanchieren. Es gibt nämlich einen Punkt, in dem sich dieses Projekt von praktisch allen 23 Mitbewerbern um den Lunar-X-Prize grundlegend unterscheidet.
Von der Konstruktion des Rovers über alle selbstentwickelten Elemente und Module bis zu den Kommunikations-Protokollen werden Elemente des Mondprojekts unter einer "Creative Commons"-Lizenz, andere unter der Gnu Public License bzw. Varianten davon veröffentlicht. (Ausgenommen sind natürlich jene proprietären Teile des Projekts, die kommerzielle Hightech-Firmen beisteuern.)
Damit ist es das erste Raumfahrtprojekt, das in toto unter einem offenen Ansatz entsteht.
Für die bis dato sehr geschlossene Welt der Raumfahrt, in der sozusagen das Patent regiert, ist das ein einmaliger Schritt.
Wie Videostreaming und Kommunikation zwischen Mond-Rover und Erde abgewickelt wird lesen Sie im nächsten Teil der Serie.
(futurezone/Erich Moechel)