16.02.2023

KI und Klimaforschung: IBM und NASA kündigen Kooperation an

Wie werden sich Hitzewellen auf Ernteerträge auswirken oder welche Auswirkungen haben Waldbrände auf die Luftqualität? Diese und weitere Fragen sollen in Zukunft durch künstliche Intelligenz und eine Zusammenarbeit der NASA und IBM einfacher beantwortet werden können.
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(c) Adobestock/dizamel

1972 erhielt die Menschheit einen Einblick, der sonst nur Astronaut:innen vorbehalten war. Damals entstand das erste detaillierte Foto der Erde aus dem Weltall. Bekannt ist es unter dem Namen “Blue Marble”, und aufgenommen wurde es von Astronauten der NASA. „Wir sind so weit gereist, um den Mond zu erforschen, und das Wichtigste ist, dass wir die Erde entdeckt haben“, sagte damals der Astronaut William Anders.

Kooperation für die Klimaforschung

Heute gibt es weit mehr Aufnahmen des Planeten. Mit Stand Dezember 2022 befinden sich laut European Space Agency insgesamt 9800 Satelliten im All. Um diese Datenmengen für die Klimaforschung zu nutzen, braucht es Analysen. Künstliche Intelligenz (KI) kann dabei eine wichtige Rolle spielen. Laut Harald Rieder, Klimaforscher an der Universität für Bodenkultur, spielt KI in der Klimaforschung zunehmend eine Rolle. Im momentanen Forschungsbetrieb seien KI-Methoden aber nur eine von vielen Analysetechniken und unterschiedlich weit verbreitet. Eine breitere Anwendung von KI sei aber absehbar.

Anfang Februar gaben IBM und die NASA bekannt, im Bereich der Klimaforschung zusammenzuarbeiten. Im Rahmen der gemeinsamen Arbeit wird die KI-Grundlagen-Modell-Technologie zum ersten Mal auf die Satellitendaten der NASA angewandt, was eine Reihe von neuen Projekten ermöglichen und die Klimaforschung voranbringen soll. Die Zusammenarbeit sei wichtig, denn laut NASA könne der Aufbau dieser Modelle nicht von kleinen Teams bewältigt werden. Man brauche dafür verschiedene Perspektiven, Fähigkeiten und Ressourcen.

“Generell ist es zu begrüßen, wenn Forschungseinrichtungen und der Privatsektor kooperieren, um Methodiken und Anwendungsfelder weiterzuentwickeln. Wichtig ist, dass die erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse auch breit verfügbar gemacht werden. Sollte aus solchen Bestrebungen allerdings eine Monopolstellung erwachsen, wäre dies kritisch zu sehen“, erklärt Rieder.

Grundlagen Modelle in der Klimaforschung

Die Berge an Daten und die zunehmende Komplexität von KI stellen Forscher:innen vor Herausforderungen. NASA Wissenschafter:innen gaben an, bisher für jeden Datensatz ein neues Modell erstellen zu müssen. Das sei jetzt anders: Da IBM Grundlagen-Modelle für die Anwendung von maschinellem Lernen nutzt. Grundlagen-Modelle finden in großen Datenbergen, auch ohne Anweisung, die zugrunde liegende Struktur.

Ein weiteres Problem war bisher ein Mangel an Trainingsdaten. Zum Beispiel mussten Bäume oder Pflanzen auf Satellitendaten vorab von Expert:innen identifiziert und bestimmt werden, bevor die künstliche Intelligenz davon lernen konnte. Grundlagen-Modelle können aber auch Rohdaten nutzen, wodurch Zeit eingespart wird. Nach ausgiebigem Training kann die Technologie so auch völlig neue Fragen beantworten und Aufgaben lösen. Damit ist der Algorithmus vielfach einsetzbar.

Künstliche Intelligenz ermöglicht Umsetzung einer Vielfalt an Projekten

Geplant sind mehrere Projekte. Das IBM Geo-Intelligence Basismodell wird mit Rohdaten der NASA trainiert, die Landbedeckungs- und Landnutzungsänderungen aufzeichnen. Mit der Technologie von IBM können die Daten nicht nur sortiert, sondern auch analysiert und große Datensätze nach neuen Erkenntnissen durchsucht werden. Mögliche Einsatzgebiete sind die geographischen Auswirkungen von Naturkatastrophen, herauszufinden wo Wälder abgeholzt werden oder potentielle Lebensräume von Wildtieren zu identifizieren. Das Ziel sei, die Reaktion auf klimabezogene Probleme zu beschleunigen.

Ein weiteres angekündigtes Projekt, ähnelt technologisch ChatGPT. Konkret soll eine Art Suchmaschine für wissenschaftliche Literatur entstehen. Im Gegensatz zu anderen Tools sollen die Antworten der künstlichen Intelligenz mit Zitaten und direkten Links zu den Forschungsarbeiten versehen werden. Wissenschafter:innen der NASA kündigten an, dass die Technologie bereits Mitte 2023 einsatzbereit sein könnte. Verfügbar sollen die Anwendungen nicht nur für Wissenschafter:innen sein, sondern auch für politische Entscheidungsträger:innen und die Öffentlichkeit. Des Weiteren wurde angekündigt, die Technologie auch für Wetter- und Klimavorhersagen zu nutzen.

Auch wenn künstliche Intelligenz zu Fortschritten in der Klimaforschung führen kann, ist die kritische Betrachtung der Technologie essentiell. “Wichtig ist im Kontext Klimaschutz aber auch festzuhalten, dass KI Methoden durch den Energieverbrauch durchaus einen hohen Carbon Footprint aufweisen und daher die Auswahl der KI Anwendungsfelder sehr gut ausgewählt werden muss”, so Rieder.

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Lilly Eichinger, Gründerin und CEO von Satellives: Der erste Flug ihres modularen Satelliten ist für Q1 2029 geplant. | (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Wer heute im All etwas anderes vorhat als Erdbeobachtung oder Kommunikation, stößt schnell an eine Wand. „Wenn du irgendetwas im All machen willst, egal ob Experimente, Manufacturing, Datenspeicherung oder eine Plattform für Quantenkommunikation, dann hast du keine Infrastruktur“, sagt Lilly Eichinger, Gründerin und CEO von Satellives. „Es gibt kaum Plattformanbieter.“ Bisher führe der Weg für solche Missionen im Wesentlichen über die ISS. Deren Betrieb soll 2030 enden, kommerzielle Nachfolgestationen sind in Entwicklung, aber noch keine im Regelbetrieb.

In diese Lücke will das Tullner Startup. Der Ausgangspunkt war das Ergänzungsstudium Extended Studies on Innovation am Innovation Incubation Center (i²c) der TU Wien, wo Eichinger die Idee entwickelte. Kunst und Philosophie hatte sie vor ihrem Physik- und Architekturstudium in Wien studiert.

Der Leporello-Satellit

Das Produkt ist ein flacher Satellit, der aus einzelnen Einheiten besteht: den Tiles, jede fünf Zentimeter hoch und etwa so groß wie eine Pizzaschachtel. „Es sieht aus wie Kacheln, im Grunde wie Solarpaneele, die sich im Orbit entfalten“, sagt sie. „Aber es sind keine Solarpaneele. Es sind voll funktionsfähige Satelliten.“

Der Kniff steckt im Scharnier. Die Einheiten sind verbunden und übereinander gestapelt, ähnlich einem Leporello. Gestapelt passen sie in einen handelsüblichen CubeSat-Dispenser, was die Startkosten drückt. Im Orbit entfalten sie sich zu einer langen Kette: „Wir nennen sie Mosaics Satellites.“

Ein Mosaic von Satellives | (c) Satellives

Der technische Kernclaim betrifft Energie. Pro Einheit könne man bei gleichem Gewicht viermal so viel Energie speichern wie ein durchschnittlicher CubeSat, sagt Eichinger. Der Wert beruht auf eigenen Berechnungen und ist im Flug nicht demonstriert. „Das Einzige, was es im All unbegrenzt gibt, ist Energie.“ Nur lasse sie sich kaum nutzen: Bei CubeSats sei nicht das Einsammeln das Problem, sondern der fehlende Platz für Batterien. Wer energiehungrige Missionen fliegen wolle, habe deshalb nur schlechte Optionen. „Entweder du baust einen 50-Millionen-Dollar-Satelliten, was fast niemand kann, oder du kannst es nicht.“

Dazu kommt Modularität. „Die meisten Satelliten sind One-Trick-Ponys“, sagt Eichinger. An die Plattform lassen sich dagegen Produktionsboxen andocken. Zwei Tiles würden nach ihrer Rechnung reichen, um einen kleinen 3D-Drucker dauerhaft zu versorgen und gleichzeitig als Plattform für Quantenkommunikation oder Datenspeicherung zu dienen.

Flache Satelliten an sich sind nicht neu, das räumt Eichinger ein: Starlink stapelt sie längst, weil sich so Startkosten sparen lassen. Neu sei die Kombination aus flachem Formfaktor und echter Modularität. Das Patent dafür ist nach ihren Angaben bei der WIPO und in Österreich angemeldet, zunächst bewusst auf ihren Namen und nicht auf die Gesellschaft. Ende Juli wurde es an die Gesellschaft übertragen. Ab einem gewissen Punkt, sagt sie, mache staatsnahe oder fremdgehaltene IP ein Unternehmen für Investor:innen unattraktiv.

Gegen den Hype

Rechenzentren im Orbit sind für Satellives selbst ein Zielmarkt. Beim Hype darum bremst Eichinger trotzdem. „Alle sagen: Bringt die Datenspeicher ins All, dort ist es kalt. So funktioniert das nicht.“ Kühlung sei auch oben nötig. Wäre das der einzige Punkt, sagt sie, bräuchte es den Orbit gar nicht: „Warum bringt man die Daten dann nicht in die Arktis? Dort kann man sie kühlen.“ Der größte Engpass sei das Wärmemanagement: Im Vakuum lasse sich ein Rechenzentrum nur schwer kühlen. Dazu kämen Verarbeitung und Downlink per Laserkommunikation, beides brauche kontinuierlich hohe Energie. Ein riesiges und künftig sehr relevantes Geschäftsfeld sei es dennoch.

Satellives-Gründerin Lilly Eichinger im Gespräch mit brutkasten-Chefredakteur Martin Pacher. (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Verglühen lassen will sie nichts. „Wir planen, zu 100 Prozent nachhaltig zu operieren.“ Der übliche Wiedereintritt am Missionsende erzeuge giftige Gase. „Okay, nicht ein einzelner CubeSat. Aber wenn es eine Million sind oder zehntausend im Jahr, dann summiert sich das.“ Beschädigte Tiles sollen stattdessen über einen Reentry-Service zurückkommen und recycelt werden.

Kapitalbedarf

Firmensitz ist Tulln, weil Satellives über das AplusB-Scale-up-Programm vom accent Inkubator begleitet wird, bis Ende Januar 2027. Das Headquarter soll langfristig in Wien liegen. Das Kernteam umfasst laut Website vier Personen: neben Eichinger als CEO ein Technical Co-Founder, ein Operations Co-Founder und eine weitere Person im Bereich Operations.

Der Kapitalbedarf: rund 1,6 Millionen Euro für 18 Monate. Die Hälfte davon soll aus Förderungen und von Business Angels kommen. „Wir arbeiten da gerade wirklich zehn Stunden am Tag dran“, sagt Eichinger. Erst mit dem Geld könne man Ingenieur:innen einstellen und vom Prototyping in den echten Bau wechseln. Dazu sucht das Startup 25.000 bis 50.000 Euro für die Patentanmeldung in weiteren Ländern.

Das Ziel: zwei Einheiten, erste On-Orbit-Demonstration in Q1 2029, die bereits Pilotkund:innen bedienen soll. Das Fernziel formuliert sie größer. „Österreich kann für Space das werden, was Estland für die Digitalisierung ist. Es ist ein kleines Land, niemand hätte erwartet, dass Estland zum digitalen Hub wird. Aber sie sind es geworden, und sie rocken es.“

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