Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart
Dieser atmosphärische Widerstand wird hauptsächlich von atomarem Sauerstoff verursacht. Die Partikel treffen kontinuierlich auf Satelliten in VLEO, beeinflussen deren Flugbahnen, verursachen Oberflächenerosion und begrenzen letztendlich deren Betriebsdauer. Um diese Interaktionen besser zu verstehen, untersucht das Forschungszentrum ATLAS (Advancing Technologies for Low-Altitude Satellites) der Universität Stuttgart die Wechselwirkungen zwischen verdünnten Hochenergieflüssen und Raumfahrzeugoberflächen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wollen die Forschenden Konzepte zur Nutzung der Restatmosphäre entwickeln und neue Konstruktions- und Betriebsstrategien erarbeiten, die Strukturen, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit von VLEO-Satelliten verbessern sollen.
In einem Teilprojekt von ATLAS haben Miklas Schütte vom Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart und Stephen Hocker vom Institut für Funktionelle Materie und Quantentechnologien eine Methode entwickelt, mit der sich die Wechselwirkungen zwischen Gaspartikeln und Satellitenoberflächen in sehr niedrigen Erdumlaufbahnen besser vorhersagen lassen. „Für uns bei ATLAS geht es nicht nur darum, wie wir die Aerodynamik optimieren können, um den Widerstand zu minimieren, sondern auch darum, wie wir die auf Satelliten wirkenden Kräfte nutzen können, um ihre Ausrichtung und Umlaufbahn zu steuern“, erklärte Schütte. In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Physics of Fluids veröffentlichten Artikel zeigt das Team mit einem neuen Rechenmodell, wie Gaspartikel von Oberflächen reflektiert werden, indem diese Wechselwirkungen im kleinsten Maßstab berücksichtigt werden.
In der Nähe der Erde wird die Aerodynamik von Automobilen oder Flugzeugen in der Regel mittels numerischer Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) simuliert, die Gase als kontinuierliche Strömungen behandelt. Da die Atmosphäre in VLEO-Höhen jedoch fast dem Vakuum des Weltraums gleicht, ist sie sehr dünn. Das bedeutet, dass einzelne Gaspartikel in größerem Abstand voneinander liegen und die CFD-Prinzipien nicht gelten.
Forschende verwenden üblicherweise eine Methode namens Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), um den Luftwiderstand von Satelliten in der oberen Atmosphäre vorherzusagen. Aktuelle DSMC-Implementierungen basieren jedoch immer noch auf stark vereinfachten Modellen für Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen. In den meisten Fällen gehen die Modelle davon aus, dass Reflexionen entweder rein spiegelartig oder rein diffus sind, wobei die Partikel in viele Richtungen streuen. Experimentelle Studien zeigen hingegen immer wieder, dass die tatsächlichen Verteilungen der reflektierten Partikel erheblich von diesen idealisierten Annahmen abweichen.
Eine wesentlich präzisere Methode zur Simulation von Partikel-Oberflächen-Wechselwirkungen ist die Molekulardynamik (MD). Basierend auf mathematischen Modellen, die grundlegende physikalische Prinzipien genau wiedergeben, simuliert MD, wie Moleküle auf der Ebene einzelner Atome über sehr kurze Zeiträume miteinander interagieren. Um diese Auflösung zu erreichen, sind Molekulardynamik-Simulationen sehr rechenintensiv und können nur mit Hoch- oder Höchstleistungsrechnern (HPC) wie denen des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart (HLRS) durchgeführt werden.
In einer idealen Welt könnte man MD-Simulationen verwenden, um jede mögliche Wechselwirkung zwischen einem Gaspartikel und einer Oberfläche zu katalogisieren, aber selbst mit den schnellsten Supercomputern von heute wäre dies nicht praktikabel. Darüber hinaus wäre es in dieser Größenordnung unmöglich, einen gesamten Satelliten mit vielen Oberflächen und Winkeln zu modellieren, der sich mit 8.000 Metern pro Sekunde durch den Weltraum bewegt.
Stattdessen nutzte das ATLAS-Team Molekulardynamik, um einen datengesteuerten, generativen Ansatz des maschinellen Lernens zu unterstützen. Zur Erstellung ihres Datensatzes simulierten sie mit dem Supercomputer Hawk des HLRS 225.000 Partikel-Oberflächen-Kollisionen in VLEO. Sie untersuchten dabei fünf unterschiedliche Geschwindigkeitsgrößen bei jeweils neun verschiedenen Einfallswinkeln. Der Datensatz deckt bei Weitem nicht alle möglichen Wechselwirkungen ab, bietet jedoch ein breites Spektrum potenzieller Winkel und Geschwindigkeiten, die für einen Satelliten in sehr niedrigen Erdumlaufbahnen typisch wären. Unter Verwendung von 128 Kernen auf Hawk dauerte die Erstellung des Datensatzes etwa einen Monat.
Basierend auf den Ergebnissen trainierte das Team einen Algorithmus für maschinelles Lernen. Das resultierende Modell kann automatisch Partikelreflexionen für jede andere Situation innerhalb des Spektrums des VLEO-Regimes vorhersagen, unter anderem Partikel-Oberflächen-Wechselwirkungen, die nicht speziell von den MD-Simulationen abgedeckt wurden. Als die Forschenden die Genauigkeit des resultierenden Modells überprüften, stellten sie fest, dass ihre Ergebnisse sehr nah an die aus den Trainings- und Validierungsdaten herankommen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass das Modell viel effektiver für zuverlässige Vorhersagen ist als bisherige Ansätze.
Schütte entwickelte dieses Modell zu einem Partikelstreukern weiter, den er dann in die DSMC-Simulationsmethode der Plasmasimulationssoftware (PICLas) integrierte. „Mittels der Integration eines Streukerns in DSMC-Methoden lassen sich diese präzisen Simulationen von Partikelreflexionen auf mikroskopischer Ebene auf die makroskopische oder mesoskopische Skala übertragen, die für die tatsächliche Simulation eines Satelliten erforderlich ist“, erklärte Schütte.
Laut Schütte haben die von ihm und seinen Kollegen erzielten Erfolge neue Fragen aufgeworfen, die sie im ATLAS-Projekt genauer untersuchen möchten. Zum einen werden sie überprüfen, inwiefern Einschläge zur Adsorption von atomarem Sauerstoff auf der Satellitenoberfläche führen. Nach der Adsorption können einströmende Sauerstoffatome mit den adsorbierten Spezies reagieren und molekularen Sauerstoff bilden, der schließlich die Oberfläche verlässt. Gleichzeitig können die Einschläge die Oberfläche direkt erodieren. Eine zweite Frage betrifft die Auswirkungen der Rauheit auf die Streuung von Gaspartikeln. Bislang wurde bei den Arbeiten von einer ebenen Oberfläche ausgegangen. Jedoch ist zu erwarten, dass eine realistischere Darstellung der Oberflächentopografie zu anderen Ergebnissen führen könnte. Schließlich können die Forschenden des ATLAS-Projekts verbesserte Modelle der Partikelreflexion nutzen, um die Materialauswahl für den Satellitenbau zu optimieren und so bessere Reflexionseigenschaften für die Steuerung der Raumfahrt und die Stabilität der Umlaufbahn zu erzielen. In der Zwischenzeit wird Schüttes neuer Streukern bereits von anderen Wissenschaftlern innerhalb des ATLAS-Konsortiums verwendet.
Eine weitere Vision ist die Entwicklung von Antriebssystemen, die Sauerstoffmoleküle in VLEO-Umgebungen sammeln und als Treibstoff verwenden, um den Auswirkungen des Luftwiderstands entgegenzuwirken. Das verbesserte Modell der physikalischen Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Oberflächen ist ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung dieses Konzepts. „Nur mit einem genauen Oberflächenmodell können wir einen Einlass entwickeln, der Partikel auf diese Weise auffängt“, sagte Schütte. „Was derzeit noch Theorie ist, könnte in der Realität ein echter Game-Changer werden, der die Kosten drastisch senken und die Lebensdauer von VLEO-Satelliten verlängern würde.“
— Christopher Williams
Schütte M, Hocker S, Lipp H, et al. 2025. A machine learning framework for scattering kernel derivation using molecular dynamics data in very low Earth orbit. Phys Fluids. 37: 093609.
Hawk wurde vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt über das Gauss Centre for Supercomputing (GCS) gefördert.
Als Mitglied des Gauss Centre for Supercomputing ist das HLRS eines der drei Bundeshöchstleistungsrechenzentren.
