Wenn KI beginnt, „in den Weltraum vorzustoßen“, ist ein neuer Zyklus der kommerziellen Raumfahrt angebrochen?

Die kommerzielle Raumfahrt tritt in eine neue Phase ein. Da die Hürden für den Zugang zum Weltraum allmählich sinken, verlagert sich auch der Fokus der Branche: Statt nur darüber zu diskutieren, ob Raketen fliegen und Satelliten in die Umlaufbahn gelangen können, interessiert sich die Öffentlichkeit zunehmend dafür, welche neuen industriellen Kapazitäten der Weltraum noch tragen kann. Neben der Kommunikation werden Berechnungen, Energie, Halbleiter und sogar On-Orbit-Dienste in dieselbe industrielle Landschaft integriert, und die Grenzen der kommerziellen Raumfahrt erweitern sich entsprechend.

XIE Hongjun, Vorsitzender und Geschäftsführer von Interstellar Sky Computing (CEIBS DBA 2022), ist seit langem in der vordersten Linie der kommerziellen Raumfahrt tätig. Seiner Ansicht nach ist der Prozess, in dem die kommerzielle Raumfahrt von der „Zugänglichkeit zum Weltraum“ zur „Wirtschaftsführung im Weltraum“ übergeht, der wirklich bemerkenswerte Punkt in der nächsten Phase. In diesem Wandel wird die weltraumbasierte Rechenkapazität, die mit der rasanten Entwicklung der künstlichen Intelligenz entstanden ist, wahrscheinlich zu einem wichtigen Durchbruchspunkt.

Zuerst die „Raumfahrt“ erschwinglich machen

Um die kommerzielle Raumfahrt zu verstehen, kommt man an einem realistischsten Problem nicht vorbei: den Kosten. Egal ob man in Zukunft Kommunikation, Rechenleistung, Tiefenraumerkundung oder Ressourcenentwicklung im Weltraum durchführen möchte, der erste Schritt besteht immer darin, Dinge von der Erde dorthin zu transportieren. Raketen sind daher seit jeher das grundlegendste Glied der kommerziellen Raumfahrt und der Schlüssel dafür, ob die Kosten gesenkt werden können.

Die wiederverwendbaren Raketen erregen Aufmerksamkeit, und der Grund dafür ist eigentlich nicht kompliziert. Frühere Raketen haben ihre Aufgabe im Grunde nach einem einzigen Start erfüllt, was aus wirtschaftlicher Sicht einem sehr teuren Einwegprodukt entspricht. Wenn eine Rakete mehrfach verwendet werden kann, lassen sich die Herstellungskosten auf mehr Aufgaben verteilen. Mit steigender Anzahl von Starts werden Produktion, Betrieb und Lieferkette leichter skalierbar.

Nach Beobachtungen der inländischen Branche liegen die Kosten derzeit für die Beförderung eines Kilogramms Nutzlast in die Zielumlaufbahn mit Einwegraketen bei etwa 50.000 bis 100.000 RMB. Mit der zunehmenden Reife der wiederverwendbaren Technologie gehe ich persönlich davon aus, dass in den nächsten 3 Jahren ein Kostenniveau von 10.000 bis 20.000 RMB pro kg ein relativ üblicher Standard werden könnte. Wenn danach eine zweistufige Wiederverwendung weiter realisiert werden kann, könnten die Kosten pro kg in etwa 5 Jahren auf einige tausend RMB sinken.

Diese Veränderung wirkt sich nicht nur auf die Kosten von Raketenunternehmen aus. Viele frühere Weltraumprojekte scheiterten nicht an technischen Unmöglichkeiten, sondern an der unwirtschaftlichen Kalkulation. Die Kosten für den Transport eines Kilogramms Materials in den Weltraum wirken sich direkt darauf aus, wie groß ein Satellit ausgelegt werden kann und wie viele Geräte er tragen kann. Sie bestimmen auch, ob viele ursprünglich in der Konzeptionsphase befindliche Geschäftsmodelle die Chance haben, umgesetzt zu werden.

Wenn die Transportkosten weiter sinken, können immer mehr Objekte in den Weltraum befördert werden. Früher musste man möglicherweise nur leichte Satelliten mit relativ einheitlichen Funktionen in Betracht ziehen, in Zukunft können mehr Rechengeräte, Energiegeräte und Kommunikationsgeräte in die Planung einbezogen werden. Erst danach gibt es die Voraussetzungen, um über groß angelegte Weltrauminfrastrukturen zu diskutieren.

Natürlich gibt es für wiederverwendbare Raketen selbst keinen einzigen technischen Weg. Die Rakete kann zum ursprünglichen Startplatz zurückkehren oder auf einer Seeplattform in der Nähe der Flugroute landen. Die Überlegungen hinter den beiden Lösungen sind nicht identisch.

Wenn die Rakete zum Startplatz zurückkehren soll, muss die erste Stufe mehr Treibstoff für die Rückreise reservieren, der sonst zur Erhöhung der Nutzlast verwendet werden könnte. Die Bergung auf See ist kürzer, sodass ein Teil des Treibstoffs eingespart werden kann, aber es müssen zusätzliche Seebergungsplattformen und zugehörige Unterstützungsmaßnahmen bereitgestellt werden. Große Raketen können auch andere Fangverfahren anwenden, um das Gewicht zu reduzieren, das durch Landegestelle entsteht. Allerdings eignet sich diese Lösung nicht für alle Raketen.

Daher ist es bei der Raketenentwicklung schwierig, unabhängig von spezifischen Aufgaben zu beurteilen, welcher Weg der beste ist. Die Größe der Rakete, das Gewicht der Nutzlast, die Zielumlaufbahn, der Bergungsort sowie die technische Erfahrung und Kostenstruktur des Unternehmens wirken sich alle auf die endgültige Entscheidung aus. Im Ingenieurwesen geht es oft nicht darum, ein theoretisch optimales Ergebnis zu finden, sondern unter einer Reihe von Einschränkungen die am besten geeignete Lösung für sich selbst zu ermitteln.

Bei Geschäftsmodellen verhält es sich ähnlich. Ein verständliches Beispiel ist: Große Raketen ähneln eher einem „Linienbus“, der viele Satelliten auf einmal befördern kann, sodass alle gemeinsam die Startkosten teilen. Kleine Raketen ähneln hingegen eher einem „Privatauto“, das besser für Netzergänzungen, Notstarts oder Aufgaben mit besonderen Anforderungen an die Umlaufbahn geeignet ist.

Der Vorteil des „Linienbusses“ liegt in der Niedrigpreisigkeit, aber er erfordert die gemeinsame Nutzung der Kapazität und das Warten auf einen geeigneten Startfenster. Nach dem Erreichen der Umlaufbahn und der Trennung von Rakete und Satellit muss der Satellit oft noch selbst eine Umlaufbahnanpassung durchführen. Die Kosten für eine einzelne Fahrt mit dem „Privatauto“ können höher sein, aber es kann nach den Zeitplänen und Zielen der Kunden arrangiert werden. Erstere verkauft Skaleneffekte, letztere verkauft Effizienz und Sicherheit, und beide Nachfragearten werden langfristig bestehen.

Daher hängt der Wettbewerb in der aktuellen Phase der kommerziellen Raumfahrt nicht nur davon ab, wessen Technologie fortschrittlicher klingt. Noch wichtiger ist, ob man technische Lösungen finden kann, die genau den Marktanforderungen entsprechen, und die Starts kontinuierlich zuverlässiger, häufiger und günstiger gestalten kann. Nur wenn die „Raumfahrt“ nicht mehr so teuer ist, können die nachfolgenden Anwendungen wirklich entfaltet werden.

Künstliche Intelligenz definiert die kommerzielle Raumfahrt neu

Früher dachte man bei der kommerziellen Raumfahrt am häufigsten an die Anwendung im Bereich der Kommunikation. Die Kommunikation über Niedrig-Erdumlaufbahn-Satelliten hat bereits bewiesen, dass die kommerzielle Raumfahrt wirklich in das Leben gewöhnlicher Menschen eintreten kann, anstatt nur für wissenschaftliche Forschungen und spezielle Aufgaben zu dienen.

Die Situation in China ist nicht vollständig identisch mit der in Übersee. Da die inländischen bodenbasierten Kommunikationsinfrastrukturen wie 5G bereits relativ ausgereift sind, ist es für die Niedrig-Erdumlaufbahn-Kommunikation in China schwierig, den Entwicklungspfad der Überseemärkte einfach zu kopieren. Aber in Szenarien wie hoher See, Wüsten, Bergen, Luftfahrt und Notfallkatastrophenhilfe, in denen bodenbasierte Basisstationen keine vollständige Abdeckung erreichen können, besteht nach wie vor ein praktischer Bedarf an Niedrig-Erdumlaufbahn-Kommunikation.

Ausblickend ist es auch nicht unbedingt so, dass Satellitenkommunikation und bodenbasierte Kommunikation sich gegenseitig verdrängen. Die Branche neigt zu der Annahme, dass sich beide allmählich verschmelzen werden. Bodennetze versorgen dicht besiedelte Gebiete, während Satelliten die Bereiche abdecken, die früher schwer zu erreichen waren. Die Nutzer werden am Ende nur spüren, dass das Netzwerk kontinuierlicher geworden ist, ohne bewusst zu unterscheiden, ob das Signal von der Erde oder aus dem Weltraum stammt.

Neben der Kommunikation verdient auch der Bereich der weltraumbasierten Rechenkapazität Aufmerksamkeit.

Warum sollte man Rechenkapazität in den Weltraum bringen? Der direkteste Grund ist, dass die künstliche Intelligenz den Bedarf an Rechenkapazität und Energie rasch erhöht. Ein großes bodenbasiertes Rechenzentrum benötigt nicht nur Chips und Server, sondern auch Land, Strom und Kühlsysteme. Der Bedarf an Rechenkapazität wächst schnell, aber die Entwicklung von Energie, Stromnetzen und Infrastrukturen hat ihre eigenen Zyklen – der Widerspruch zwischen beiden wird immer deutlicher.

Der Weltraum bietet eine andere Möglichkeit. Einerseits können Satelliten direkt Sonnenenergie nutzen. Andererseits stammen viele Daten ohnehin aus dem Weltraum, beispielsweise aus Fernerkundung und Meteorologie. Wenn alle Rohdaten zuerst zur Erde zurückübertragen und dann zur Verarbeitung in das Rechenzentrum geschickt werden, erhöht dies die Übertragungsstufen und die Verarbeitungszeit.

Wenn ein Teil der Daten direkt im Orbit verarbeitet werden kann und am Ende nur die wirklich wertvollen Ergebnisse zur Erde zurückgeschickt werden, ist die Effizienz möglicherweise höher. Besonders in Szenarien mit hohen Anforderungen an die Echtzeitleistung ist diese Methode wertvoller.

Daher handelt es sich bei der weltraumbasierten Rechenkapazität nicht einfach darum, bodenbasierte Rechenzentren unverändert auf Satelliten zu übertragen. Viel wichtiger ist es, neu zu überlegen: Wo die Daten entstehen, wo die Berechnung am sinnvollsten durchgeführt werden kann.

Ob ein Geschäftsmodell funktionieren kann, hängt letztendlich von den Kosten ab. Nach unseren eigenen Berechnungen liegen die Bau- und Betriebskosten für Rechencluster gleicher Größe im Weltraum unter den aktuellen Bedingungen von Transportmitteln, Satelliten und Chips noch mehrfach über den Kosten auf der Erde.

Aber es ist bemerkenswert, dass dieser Unterschied nicht mehr mehrere Größenordnungen beträgt. Solange die Kosten für Raketen, Satelliten und Chips weiter sinken, kann die weltraumbasierte Rechenkapazität allmählich eine Phase erreichen, in der die wirtschaftliche Kalkulation ernsthaft in Betracht gezogen werden kann.

Die Wiederverwendbarkeit von Raketen senkt die Transportkosten, und die Massenproduktion von Satelliten drückt den Preis für jeden einzelnen Satelliten. Nach meiner persönlichen Einschätzung können sich in den nächsten etwa 3 Jahren in bestimmten spezifischen Szenarien die Baukosten von weltraumbasierten Rechenzentren und bodenbasierten Rechenzentren allmählich annähern.

Wenn die Baukosten beider Seiten relativ nah beieinander liegen, wird die Bedeutung der Energiekosten deutlich. Bodenbasierte Rechenzentren benötigen kontinuierlich Strom, während der Weltraum Sonnenenergie nutzen kann. Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet kann die wirtschaftliche Bilanz der weltraumbasierten Rechenkapazität ganz anders aussehen als heute.

Das bedeutet jedoch nicht, dass alle Berechnungen in den Weltraum verlegt werden sollten. Die realistischere Situation in der Zukunft wird wahrscheinlich sein, dass bodenbasierte und weltraumbasierte Rechenkapazität langfristig nebeneinander bestehen.

Beispielsweise erfordert das Training von allgemeinen großen Modellen die kontinuierliche Eingabe großer Datenmengen, und die Bedingungen für Netzwerk, Speicherung und Rechenkapazität auf der Erde sind ausgereifter. Solche Aufgaben sind nach wie vor besser auf der Erde aufgehoben. Aber in einigen vertikalen Bereichen ist die Situation anders. Die Meteorologie ist ein typisches Beispiel: Viele ihrer Daten werden ohnehin von Satelliten erfasst. Wenn Modell und Rechenkapazität ebenfalls im Weltraum vorhanden sind, kann der Zwischenschritt der Datenübertragung reduziert werden.

In Zukunft werden wir bei der Planung einer Berechnungsaufgabe möglicherweise nicht nur berücksichtigen, wie viel Rechenkapazität benötigt wird, sondern auch, woher die Daten stammen, wie schnell die Ergebnisse verfügbar sein müssen und wo die Berechnung am kostengünstigsten ist.

Aus dieser Sicht betrachtet besteht die Veränderung, die die künstliche Intelligenz der kommerziellen Raumfahrt bringt, nicht nur aus einer zusätzlichen Anwendung. Früher konzentrierte man sich hauptsächlich darauf, Möglichkeiten zu finden, Objekte in den Weltraum zu befördern. Nun entsteht eine weitere Nachfrage: Die Probleme der Kommunikation, Berechnung und Energie auf der Erde treiben die Menschen dazu an, nach Lösungen im Weltraum zu suchen.

Der echte Wettbewerb ist der Aufbau von weltraumbasierten Infrastrukturen

Allerdings bedeutet die Beförderung einiger Server oder einiger Satelliten in den Weltraum noch keine echte weltraumbasierte Infrastruktur. Eine Infrastruktur bedeutet, dass sie langfristig betrieben, gewartet und aktualisiert werden kann, und dass hinter ihr ein industrielles Unterstützungssystem steht.

Das erste Problem, dem sich die weltraumbasierte Rechenkapazität stellen muss, ist die Kühlung. Bei bodenbasierten Chips kann die Wärme durch Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und andere Methoden abgeführt werden. Aber der Weltraum ist eine Vakuumumgebung ohne Luftkonvektion. Die von Chips erzeugte Wärme muss zuerst auf Strahlplatten übertragen und dann durch Strahlung abgeführt werden.

Das Prinzip ist nicht kompliziert, das wirklich Schwierige ist die ingenieurmäßige Umsetzung. Leistungsstarke Chips erzeugen große Wärmemengen, und die Wärmemenge, die eine Strahlplatte pro Flächeneinheit abführen kann, ist begrenzt. Je größer die Rechenkapazität ist, desto größer muss die Strahlfläche sein. Dies wirkt sich direkt auf die Strukturauslegung und die Entfaltungsweise des Satelliten aus und beeinflusst sogar die Art und Weise, wie die Rakete startet.

Daher ist die Kühlung kein unüberwindbares Problem, aber die Industrie muss die ingenieurmäßigen Fähigkeiten schrittweise aufbauen.

Beim Chips verhält es sich ähnlich. Viele Menschen gehen selbstverständlich davon aus, dass man die heute auf der Erde ausgereiften Rechenkarten einfach in den Weltraum schicken kann – das ist aber nicht so einfach. Die Temperatur-, Strahlungs- und Hochenergiepartikelumgebung im Weltraum unterscheidet sich stark von der auf der Erde, was die Stabilität der Chips beeinträchtigen und im schlimmsten Fall die Bauteile beschädigen kann.

Das bedeutet, dass Chips, die wirklich für die weltraumbasierte Rechenkapazität geeignet sind, nicht nur auf die Eigenschaften des Chips selbst abzielen dürfen. Von Design, Waferfertigung, Gehäuse und Test bis hin zur abschließenden Überprüfung zusammen mit dem Satelliten müssen alle Schritte an die Weltraumumgebung angepasst werden. Die weltraumbasierte Rechenkapazität ist daher nicht nur eine Angelegenheit von Raumfahrtunternehmen, sondern wird auch die Halbleiterindustrie einbeziehen.

Energie ist ein weiterer wichtiger Bereich. Wenn die weltraumbasierte Rechenkapaz