Open Source: Der nächste Mond-Rover läuft mit freier Software

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2023 wird die NASA den Viper-Rover (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) losschicken, damit er in der Mondoberfläche nach Wassereis sucht. Daraus könnte eines Tages Raketentreibstoff hergestellt werden. Der Rover wird mit Hightech-Instrumenten und -Werkzeugen ausgerüstet sein: Rädern, die sich auf dem staubigen Mondboden gut drehen können, einem Bohrer, der sich in den außerirdischen Boden hineingraben kann und Hardware, die die 14 Tage dauernden Mondnächte überleben kann, in denen die Temperaturen auf bis zu -173 Grad sinken.

Während Vipers Ausrüstung für die Mission weitgehend maßgeschneidert ist, läuft der Rover größtenteils mit Open-Source-Software. Sie ist also frei verwendbar und änderbar. Wenn die Mission erfolgreich ist, wird sie womöglich nicht nur den Grundstein für eine zukünftige Mondkolonie legen, sondern auch die Raumfahrtindustrie dazu veranlassen, ihre Roboter anders zu entwickeln und betreiben.

Bisher denkt man bei Weltraummissionen selten an Open-Source-Technologie. Es kostet enorme Summen etwas Weltraumtaugliches zu bauen, das den Weg zu einem bis zu Hunderttausende Meilen entfernten Ziel findet und dort bestimmte Aufgaben ausführt. Der natürliche Impuls ist meist, das dafür nötige Know-how abzuschirmen. Open-Source-Software dagegen wird oft mit zusammengeschusterter Programmierung für kleinere Projekte wie Hackathons oder Studentendemos in Verbindung gebracht. Der Programmiercode, der Online-Plattformen wie GitHub füllt, ist häufig für jene Gruppen eine kostengünstige Lösung, die wenig Geld und Ressourcen haben, beim Programmieren ganz von vorne anzufangen.

Ab ins All mit Linux

Die Raumfahrtindustrie ist jedoch nicht zuletzt deshalb auf dem Vormarsch, weil der Drang in den Weltraum wächst. Das bedeutet auch Nachfrage nach kostengünstigen und zugänglichen Technologien inklusive Software. Selbst für größere Gruppen wie die NASA, bei denen Geld weniger eine Rolle spielt, kann der Open-Source-Ansatz zu besserer Software führen. "Flugsoftware ist derzeit im Weltraum ziemlich mittelmäßig", sagt Dylan Taylor, Vorsitzender und Geschäftsführer von Voyager Space Holdings. Ein typisches Beispiel dafür ist Boeings Starliner-Testflugfehler 2019, den Softwareprobleme verursacht hatten. Bei Open Source können auch die besten Wissenschaftler bei Problemen auf zusätzliches Fachwissen und das Feedback einer größeren Gemeinschaft zugreifen, genau wie es Amateurentwickler tun.

Wenn Open-Source-Software also gut genug für die NASA ist, sollte es vermutlich auch für alle anderen gut genug sein, die versuchen, einen Roboter von der Erde aus zu steuern. Da immer mehr neue Unternehmen und neue nationale Agenturen auf der ganzen Welt versuchen, ihre eigenen Satelliten und Sonden in den Weltraum zu bringen und dabei die Kosten niedrig zu halten, könnte billigere Robotersoftware, die selbst riskante Weltraummissionen sicher bewältigen kann, ein großer Vorteil sein.

Open-Source-Software kann auch dazu beitragen, den Zugang zum Weltraum billiger zu machen, da sie zu Standards führt, mit denen jeder arbeiten kann. Sie können die hohen Kosten von spezialisierter Programmierung vermeiden helfen. Mit Open-Source-Frameworks haben in der Regel auch frisch gebackene Ingenieure bereits gearbeitet. "Wenn wir das nur nutzen und die Pipeline ihres Universitätswissens zu dem erweitern können, was sie für Flugmissionen verwenden, verkürzt sich die Lernkurve", sagt Terry Fong, Chefrobotiker der Intelligent Robotics Group am NASA Ames Research Center in Kalifornien und stellvertretender Rover für die Viper-Mission. "Es beschleunigt die Umsetzung von Fortschritten aus der Forschungswelt in die Praxis."

Schon seit vielen Jahre dabei

Die NASA verwendet Open-Source-Software schon seit etwa zehn bis 15 Jahren in vielen Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Die Agentur führt einen sehr umfangreichen Katalog ihrer Open-Source-Programmiercodes. Ihr Einsatz bei Weltraumrobotern steht allerdings noch am Anfang. Eines der Systeme, die die Agentur getestet hat, ist das Robot Operating System (ROS). Es ist eine Sammlung von Open-Source-Software-Frameworks, die von der gemeinnützigen Open Robotics mit Sitz in Mountain View verwaltet und aktualisiert werden. ROS wird bereits beim humanoiden Robonaut 2 verwendet, der bei der Erforschung der Internationalen Raumstation geholfen hat, sowie in den autonomen Astrobee-Robotern, die auf der ISS herumschwirren, um Astronauten bei alltäglichen Aufgaben zu unterstützen.

Das Robot Operating System wird Aufgaben für die Bodenflugkontrolle ausführen. Den Viper-Rover steuern NASA-Mitarbeiter von der Erde aus. Die Bodenflugkontrolle erstellt dann aus den gesammelten Viper-Daten eine Echtzeit-Karte und Renderings der Mondumgebung, mit denen die Fahrer des Rovers sicher navigieren können. Andere Teile der Rover-Software haben ebenfalls Open-Source-Wurzeln: Für Grundfunktionen wie Telemetrie und Speicherverwaltung an Bord ist das Programm "Core Flight System" (cFS) zuständig, das die NASA selbst entwickelt hat und kostenlos auf GitHub zur Verfügung gestellt hat. Vipers Missionsoperationen außerhalb des Rovers selbst werden von Open MCT abgewickelt, einer weiteren NASA-Entwicklung.

Im Vergleich zum Mars ist es sehr schwierig, die Mondumgebung auf der Erde physisch zu simulieren. Das erschwert auch das Testen der Hardware- und Softwarekomponenten von Rovern. Für diese Mission ist es Fong zufolge deshalb sinnvoller, sich auf digitale Simulationen zu stützen, mit denen viele Komponenten des Rovers getestet werden könnten. Dazu gehöre auch die Open-Source-Software.

Rover fast in Echtzeit steuerbar

Die Mission eignet sich darüber hinaus auch deshalb für Open-Source-Software, weil der Mond nahe genug ist, um den Rover nahezu in Echtzeit steuern zu können. Das bedeutet, dass sich ein Teil der Software nicht auf dem Rover selbst befinden muss, sondern auch auf der Erde laufen kann.

"Wir haben beschlossen, das Gehirn des Roboters zwischen Mond und Erde aufzuteilen", sagt Fong. "Das eröffnete die Möglichkeit für Software, die nicht auf strahlungsintensive Flugberechnungen beschränkt ist. Stattdessen können wir handelsübliche Desktops verwenden. So können wir Systeme wie ROS auf der Erde benutzen, das von vielen schon regelmäßig genutzt wird. Wir müssen uns nicht nur auf kundenspezifische Software verlassen."

Viper läuft aber nicht zu 100 Prozent mit Open-Source-Software. Sein Bordflugsystem verwendet beispielsweise äußerst zuverlässige proprietäre Software. Es ist jedoch anzunehmen, dass künftige Missionen Vipers Software übernehmen und erweitern werden. "Ich vermute, dass vielleicht der nächste Rover der NASA Linux ausführen wird", sagt Fong.

Sicherheitsbedenken?

Es wird nicht in allen Fällen möglich sein, Open-Source-Software zu verwenden. Sicherheitsbedenken könnten dazu führen, dass einige Parteien sich vollständig an proprietäre Technologien halten – obwohl ein Plus von Open-Source-Plattformen darin besteht, dass Entwickler häufig Fehler und Patches sehr offen kommunizieren. Fong betont zudem, dass einige Missionen immer zu spezialisiert oder fortgeschritten sein werden, um sich stark auf Open-Source-Technologie verlassen zu können.

Dennoch wendet sich nicht nur die NASA an die Open-Source-Community. Auch Jeff Bezos‘ Raumfahrt-Unternehmen Blue Origin kündigte kürzlich eine Partnerschaft mit mehreren NASA-Gruppen an, um "Roboter-Intelligenz und Autonomie zu programmieren", die auf Open-Source-Frameworks basieren. Kleinere Initiativen wie die in Griechenland ansässige Libre Space Foundation, die Open-Source-Hardware und -Software für kleine Satellitenaktivitäten bereitstellt, werden sicherlich mehr Aufmerksamkeit erhalten, wenn die Raumfahrt immer billiger wird.

"Da gibt es einen Dominoeffekt", sagt Brian Gerkey, Geschäftsführer von Open Robotics. "Sobald eine große Organisation wie die NASA öffentlich sagt: 'Wir verlassen uns auf diese Software', werden auch andere Organisationen bereit sein, ein Risiko einzugehen und Arbeit in die maßgeschneiderte Anpassung zu investieren.“

(vsz)