Computer im Weltall!

Am 12. April war „Internationaler Tag der bemannten Raumfahrt“. Deshalb möchten wir ein bisschen über Computer im Weltall sprechen: Wie sie aussehen, was sie machen und warum sie geschützt werden müssen.

Der Einsatz von Computern in der Raumfahrt wächst immer stärker an, genau wie in allen anderen Teilen unseres täglichen Lebens. Große, blinkende Kontrollkonsolen wurden von Laptops ersetzt, die von überall in der International Space Station (ISS) mit einem Mainframe verbunden werden können. Sie ermöglichen den Astronauten Zugriff auf alle wichtigen Daten oder auch die Eingabe von Befehlen. Natürlich sind das keine üblichen Laptops und Bordcomputer, und auch wenn heute immer öfter normale Standard-Computer verwendet werden, haben diese hier doch einige interessante Funktionen.

Design

Ein Außenstehender wäre von den Kontrolleinheiten moderner Raumschiffe ziemlich beeindruckt; wenn man genau darüber nachdenkt, wäre er von den alten genau so beeindruckt. Man sieht eine einfache Metallbox mit ein paar farbigen Anschlüssen. Das war’s. Kein USB-Anschluss, kein Display, manchmal nicht mal eine Tastatur. Eigentlich sieht das Ganze eher altmodisch aus. Das liegt an der Ausfallsicherheit, die oberste Priorität hat.

Dank dem modularen Aufbau kann jede Einheit, egal ob es sich um einen Prozessor, einen Speicherchip oder ein Input-Output-System handelt, ganz einfach herausgenommen und durch ein neues Modul ersetzt werde. Das ermöglicht schnelle und einfache Wartung, die im Raumschiff enorm wichtig ist, da die Weltraumstrahlung die Elektronik beeinflusst und Fehlfunktionen auslösen kann.

Auf der ISS gibt es viele Computer. Manche sind sogar an der Außenhülle angebracht, und um sie zu reparieren müssen die Astronauten draußen im Weltraum arbeiten. Pro Jahr müssen etwa 20 Computer repariert werden.

Performance

Die am meisten auf der ISS verwendete Hardware ist zur Zeit der Intel 80386SX, der vor zwanzig Jahren in vielen PCs eingesetzt wurde. Verglichen mit aktuellen Prozessoren ist seine Leistung recht unspektakulär. Aber das ist kein Argument, denn die heutige riesige Rechenpower wird vor allem für erstaunliche Spielegrafiken und Bedienoberflächen benötigt. Die grundlegenden Aufgaben im Weltraum können mit einfachen Mitteln erledigt werden. Immerhin haben die Menschen auch schon vor langer Zeit Mondmissionen planen können.

Der Hauptgrund, warum die Weltraumcomputer „veraltet“ sind, ist die enorm lange Zeit, die man benötigt, um einen zu bauen. Manchmal dauert das Jahrzehnte. Die Ziele für zukünftige Missionen werden zusammen mit den entsprechenden technischen Anforderungen für den Computer erarbeitetet; das wird mit dem Gedanken an moderne und bewährte Technologien gemacht. Ältere CPUs haben aber noch einen weiteren Vorteil – sie brauchen nicht viel Strom, denn jedes Watt zählt.

Je einfacher, desto besser

Auch wenn ein Raumschiff selbst eine sehr komplexe und anspruchsvolle Maschine ist, so ist sein Kontrollsystem doch recht einfach und besteht aus Basis-Einheiten, die eine begrenzte Anzahl von Operationen durchführen können. Je weniger ein Computermodul machen kann, desto stabiler und ausfallsicherer läuft es. Und es ist einfacher, auftauchende Probleme zu lösen, wenn das überhaupt nötig ist.

Auch die Software sollte vorhersehbar sein. Es werden Echtzeit-Betriebssysteme verwendet, die nicht viel „Spekulation“ zulassen. Das stellt sofortige Reaktion des Systems und seine Funktionsfähigkeit sicher. Während Windows dazu tendiert, für einige Zeit „nachzudenken“, verschwendet das Weltraum-Echtzeit-OS keine Zeit zum Puffern. Die spezielle Raumschiff-Software ist ebenfalls so programmiert, dass sie keine System-Ressourcen verschwendet, weder den RAM-Speicher, noch die CPU-Last.

Patches, Updates und Fehlersuche

Natürlich gibt es so etwas wie eine perfekte Software nicht, und ein Programmfehler kann durch zahlreiche Prüfungen schlüpfen. Der entsprechende Computer kann dann Tausende – oder im Falle von Weltraumsonden – Millionen Meilen entfernt sein, was die Fehlerbehebung nicht gerade einfach macht. Deshalb ist es das Beste, eine Simulation der Software auf einem kompletten Nachbau des Weltraumcomputers hier auf der Erde laufen zu lassen. Erst kürzlich wurde diese Methode verwendet, um die Weltraumsonde Voyager 2 neu zu „booten“, die vor 40 Jahren gestartet wurde und mittlerweile das Sonnensystem verlassen haben müsste.

Im letzten Jahr hat sie aufgrund von Hardware-Fehlfunktionen zufällige Signale statt zusammenhängender Daten gesendet. Glücklicherweise steht ein zweites Modell des Computers im Voyager-2-Labor der NASA; die NASA-Spezialisten simulierten dort das Problem und bemerkten, dass es durch einen schadhaften Speichersektor verursacht wurde. Also wurde ein Patch (ein Software-Update, das die Probleme behebt) per Funk an Voyager gesendet. Damit war die Sonde repariert und nahm ihre Übertragungen aus den Tiefen des Weltalls wieder auf. Und das könnte sie auch noch die nächsten 40 Jahre machen, bis sie die Signalgrenze erreicht. Oder bis sie von Aliens aufgegriffen wird.

Der Mars-Rover Spirit würde kürzlich ähnlich behandelt. Denn nicht nur Ihr privater Computer braucht hin und wieder eine Reparatur und regelmäßige Updates.

Informationen, die nicht verloren gehen sollten

Die Erforschung des Weltalls ist kostspielig, egal ob sie unbemannt oder bemannt vorgenommen wird. Sie braucht viel Zeit, Geld und Vorbereitung. Die kleinste Störung, die einen Datenverlust hervorruft, bedeutet, dass all diese Anstrengungen umsonst waren. Um solche Probleme zu verhindern, benötigen die Weltraumcomputer zahlreiche Backup-Systeme. Oft werden dafür verschiedene Speicher-Typen benutzt. Etwa Flash-Speicher neben Magnetbändern, so dass zumindest ein Backup überlebt. Das System ist nicht so viel anders, wie Backups, die zum Speichern Ihrer Lieblings-Songs oder Urlaubsbilder genutzt werden, die zwar großen ideellen Wert haben, aber nicht ganz so teuer sind, wie die Daten, die im Weltraum gesammelt werden.

Moderne Zeiten

Jedes Mitglied der ISS-Mannschaft hat einen Lenovo-ThinkPad-Laptop, der über einen speziellen Bus an die verschiedenen Systeme der Station angeschlossen werden kann.

Dank moderner Technologien können die Astronauten heute im Web surfen und mit Ihren Familien auf der Erde sprechen. Der Kommunikationskanal ist geschützt und es gibt einen speziellen Schutz-Puffer, um die Astronauten vor den Gefahren des Webs zu schützen. Außerdem wird für die Kommunikation ein separater Computer genutzt, der nicht mit den lebenswichtigen Geräten der ISS verbunden ist. Diese Sicherheitsmaßnahmen haben sich bereits als sinnvoll erwiesen: Bei einem Flug im Jahr 2007 wurde auf dem Laptop eines Astronauten das Schadprogramm „Gammima“ entdeckt. Die Laptops waren nicht durch eine Antiviren-Lösung geschützt, doch die NASA hat nach diesem Vorfall angefangen, über so einen Schutz nachzudenken.