Design: Nasa lässt KI-Software Raumfahrtkomponenten entwerfen

Die von der KI geschaffenen Teile haben seltsame Formen, sind aber leistungsfähiger als Entwürfe von Menschen. Sie könnten künftig mit dem 3D-Drucker hergestellt werden.

Artikel veröffentlicht am 16. Februar 2023, 13:30 Uhr, Werner Pluta

Von KI entworfenes Teil für das Teleskop Excite: fertiger Prototyp nach einer Woche (Bild: Henry Dennis/Nasa)

Design nach dem Vorbild der Evolution: Die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration (Nasa) hat eine Software entwickelt, die Teile für Raumschiffe und andere Geräte für Raumfahrtmissionen entwerfen kann. Die Teile sind robuster und dabei leichter als herkömmliche, die von Menschen entworfen wurden.

Um ein solches Teil zu konstruieren, gibt zunächst ein Mensch Parameter vor: Er definiert Flächen, an denen das Teil mit dem Raumfahrzeug oder einem Instrument verbunden sein wird, sowie die Stellen für Schrauben und Anschlüsse für die Elektronik und andere Hardware. Zudem werden Korridore vorgegeben, die frei bleiben müssen für Sichtlinien von optischen oder Lasersensoren oder für die Montage.

Sobald die Sperrbereiche definiert sind, nimmt die Software ihre Arbeit auf: Eine Künstliche Intelligenz (KI) verbindet die Punkte, ändert und testet die Verbindungen. In Iterationen entsteht so ähnlich wie in der Evolution das Bauteil. Das dauert nur wenige Stunden.

Die Teile sehen fremdartig aus

Das Ergebnis sind komplexe Strukturen, die an Formen in der Natur erinnern und die ein Mensch so kaum entworfen hätte. "Sie sehen etwas fremdartig und seltsam aus", sagte Ryan McClelland. "Aber wenn man sie in ihrer Position sieht, ergibt das Sinn." McClelland ist Ingenieur bei der Nasa und hat sich dort mit dieser Form von KI-gestütztem Design beschäftigt.

Die Designs haben laut McClelland Vorteile: Ihr Gewicht ist um bis zu zwei Drittel geringer als des eines herkömmlichen Bauteils. Die Teile können gefräst werden, weshalb ein Prototyp schnell zur Hand ist. Vom Entwurf über Analyse und Herstellung bis zum fertigen Prototyp könne nur einer Woche dauern, sagte McClelland. Verglichen mit der gewohnten Arbeitsweise sei das "radikal schnell".

Die fertigen Teile seien anschließend genau analysiert worden, um mögliche Bruchstellen zu ermitteln, sagte McClelland. "Wir haben festgestellt, dass das das Risiko tatsächlich verringert. Nach den Belastungsanalysen haben wir festgestellt, dass die vom Algorithmus entworfenen Teile nicht die Belastungskonzentrationen aufweisen, die man bei menschlichen Konstruktionen hat. Die Stressfaktoren sind fast zehnmal niedriger als bei von einem Menschen hergestellten Teilen."

Die Nasa braucht viele maßgefertigte Teile

Für die Nasa habe dieser Designprozess große Vorteile, erklärte der Ingenieur: Ein Motorrad- oder Autohersteller habe vielleicht nur ein einziges Chassisdesign, das er produziere, da dann aber in großen Mengen. "Wir bei der Nasa hingegen stellen jedes Jahr Tausende von maßgefertigten Teilen her."

Eine große Chance sieht er darin, solche Teile dann per 3D-Druck herzustellen. So könnte man beispielsweise Fachwerkstrukturen bauen oder komplexe Systeme, die sich bewegen oder entfalten - und das nicht nur auf der Erde: "Diese Techniken könnten es Nasa und kommerziellen Anbietern ermöglichen, größere Komponenten im Orbit zu bauen, die nicht in eine Standard-Trägerrakete passen. Sie könnten sogar den Bau auf dem Mond oder dem Mars erleichtern, indem sie Materialien verwenden, die an diesen Orten vorkommen."

Die ersten dieser sogenannte Evolved Structures sind bereits im Einsatz: So hat McClelland ein Gerüst für das Exoplanet Climate Infrared Telescope (Excite) entworfen. Excite ist ein Teleskop von der Größe eines SUV, das an einem Ballon aufsteigen soll, um in großer Höhe Exoplaneten zu beobachten. Der erste Aufstieg ist für Herbst dieses Jahres geplant.