Singapurs CRIMSON-1 bringt Perowskit-Solarzellen und KI ins All

Ein 5-kg-Satellit stellt zwei Technologien auf die Probe

Der Satellit CRIMSON-1 aus Singapur testet rund 520 km über der Erde flexible Perowskit-Solarzellen und künstliche Intelligenz. Damit bringt er zwei Labortechnologien in eine Umgebung, in der Stromversorgung, Wärmeentwicklung und Kommunikationskapazität stark begrenzt sind. Das Raumfahrzeug wiegt 5 kg, misst 30 × 10 × 10 cm und ist für eine einjährige Mission ausgelegt.

Die Nanyang Technological University Singapore (NTU) teilte mit, dass ihr 14. Satellit an Bord einer Falcon-9-Rakete von SpaceX im Rahmen der Mission Transporter-18 von der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien gestartet ist. Der Start erfolgte am 1. Oktober in Kalifornien, was dem 2. Oktober in Singapur entspricht. CRIMSON-1 wurde etwa 55 Minuten nach dem Start ausgesetzt. Die Rakete hatte insgesamt 130 Raumfahrzeuge an Bord.

Die Mission umfasst zwei getrennte Experimente. Bei einem wird die Haltbarkeit und Stromerzeugung von Perowskit-Solarzellen gemessen, die von Forschern der NTU und Singfilm Solar entwickelt wurden, einem Spin-off der National University of Singapore (NUS). Beim anderen werden Satellitenbilder an Bord verarbeitet. Dabei soll getestet werden, ob KI nützliche Informationen erkennen kann, bevor die Bilder zur Erde übertragen werden.

Wichtig ist die Unterscheidung: Die experimentellen Perowskit-Zellen versorgen den Satelliten nicht mit seiner Hauptstromquelle. Während die neuen Zellen parallel getestet werden, liefern herkömmliche Galliumarsenid-Solarzellen den Strom für CRIMSON-1. Mit dem Start des Experiments wird die Möglichkeit geschaffen, Daten zu sammeln. Er beweist jedoch nicht, dass Perowskit-Solarzellen bereits bestehende Stromversorgungssysteme von Raumfahrzeugen ersetzen können.

In ihrer Ankündigung zur CRIMSON-1-Mission schreibt die NTU, dass die Forscher sowohl die Solarleistung im Orbit als auch das Wärmemanagement und den Stromverbrauch des Computersystems bei hoher Auslastung untersuchen werden. Ergebnisse der Experimente wurden bislang nicht bekannt gegeben.

Was ist an dem Solarmodul anders?

Perowskite sind Materialien mit einer bestimmten Kristallstruktur, die zur Umwandlung von Sonnenlicht in Strom genutzt werden können. Interessant sind sie hier, weil sich damit möglicherweise effiziente Solarzellen herstellen lassen, die dünn und leicht sind und aus weithin verfügbaren Materialien gefertigt werden. Bei Raumfahrzeugen kann ein leichteres Stromversorgungssystem mehr Kapazität für andere Ausrüstung schaffen.

Das experimentelle Modul von Singfilm Solar ist flexibel und auf ultradünnem Glas aufgebaut. Hou Yi, Assistenzprofessor an der NUS und Gründer des Unternehmens, bezeichnet CRIMSON-1 als ersten Raumflug dieses flexiblen Moduls und als ersten Einsatz eines in Singapur hergestellten Solarmoduls im Orbit. Laut NTU ist es auch der erste Raumflug mit Singfilms Technologie.

Bei diesen Angaben muss zwischen einzelnen Solarzellen und einem Modul unterschieden werden, also einer Baugruppe aus mehreren Zellen, die zusammenarbeiten. Die NTU hatte bereits 2023 Perowskit-Zellen an Bord ihres Satelliten ARCADE ins All gebracht. CRIMSON-1 sollte daher nicht als erster Versuch der Universität bezeichnet werden, überhaupt eine Perowskit-Zelle im Weltraum zu testen.

Das neue Experiment baut auf dieser Arbeit auf und erweitert sie um ein flexibles Modul sowie die gemeinsam mit Singfilm entwickelte Technologie. Aussagekräftig wird es durch die Messwerte aus dem Orbit. Dazu gehört die Frage, ob das Modul nach dem Start und längerer Belastung durch die Weltraumbedingungen weiterhin nennenswert Strom erzeugt.

Warum Haltbarkeit ebenso wichtig ist wie Effizienz

Solarzellen für den Einsatz im Weltraum müssen zwei sehr unterschiedlichen Belastungen standhalten: den mechanischen Kräften eines Raketenstarts und den Betriebsbedingungen danach. CRIMSON-1 untersucht die physische Haltbarkeit, den Wirkungsgrad und die tatsächliche Stromerzeugung im niedrigen Erdorbit.

Geplant sind Prüfungen unter Strahlung und im Vakuum sowie bei Temperaturwechseln. Temperaturwechsel sind wiederholte Änderungen der Temperatur, wenn sich ein Raumfahrzeug durch unterschiedliche Lichtverhältnisse bewegt. Sie können Materialien und deren Verbindungen belasten. Strahlung wiederum kann sowohl Solarzellen als auch Elektronik beeinträchtigen.

Der stellvertretende Präsident und Provost der NTU, Professor Christian Wolfrum, sagte, die Mission bringe Solarforschung und KI-Computing in jene Umgebung, in der sich feststellen lasse, ob sie wie vorgesehen funktionieren:

Diese Technologien lassen sich nur unter realen Weltraumbedingungen validieren. Genau das leistet das Satellitenprogramm der NTU seit drei Jahrzehnten. CRIMSON-1 ist unsere 14. Mission.

Die einjährige Testphase soll Erkenntnisse zur Leistung im Zeitverlauf liefern und nicht nur eine einzelne Messung kurz nach dem Aussetzen. Die NTU hat keine konkreten Zielwerte für die akzeptable Stromerzeugung, den Effizienzverlust oder die Materialalterung bekannt gegeben.

Die Kostenvorteile müssen sich im Orbit erst noch zeigen

Perowskite versprechen erhebliche Kostenvorteile, doch bislang handelt es sich dabei um eine Möglichkeit und nicht um eine durch diese Mission belegte Einsparung. Für Galliumarsenid-Solarzellen im Weltraum werden Preise von 250 bis 450 US-Dollar pro Watt genannt. Herkömmliche Siliziumzellen für die Nutzung auf der Erde kosten weniger als 1 US-Dollar pro Watt.

Demnach liegen die genannten Preise für Galliumarsenid mehr als 250- bis 450-mal so hoch wie der Vergleichswert für Silizium. Der Vergleich veranschaulicht den Kostenunterschied zwischen den Technologien, stellt aber keine direkte Gegenüberstellung gleichwertiger Produkte dar. Ein niedriger Preis für eine Solarzelle für den Einsatz auf der Erde belegt nicht, dass sie die Betriebsanforderungen eines Raumfahrzeugs erfüllt.

Für das Perowskit-Modul an Bord von CRIMSON-1 wurde kein Herstellungspreis pro Watt veröffentlicht. Daher lässt sich anhand der Mission bislang nicht berechnen, wie viel Geld ein Satellitenbetreiber durch den Einsatz des Moduls sparen könnte. Auch Zuverlässigkeit, nutzbare Stromerzeugung und Integrationskosten wären entscheidend.

Singfilm meldete 2024 für ein Perowskit-Solarmodul einen Wirkungsgrad von 22,6 Prozent. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil des einfallenden Sonnenlichts in Strom umgewandelt wird. Die Zahl liefert einen Anhaltspunkt für die Entwicklungsarbeit des Unternehmens, ist aber weder eine Messung im Orbit noch ein bekannt gegebenes Leistungsergebnis der CRIMSON-1-Nutzlast.

Die Forschung der NTU auf diesem Gebiet geht auf eine 2013 in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Arbeit zurück. Sie zeigte, dass sich elektrische Ladungen ungewöhnlich weit durch Perowskit-Materialien bewegen können. Dieser Befund trug dazu bei, ihren hohen Wirkungsgrad bei der Solarenergieumwandlung zu erklären. Spätere Arbeiten konzentrierten sich auf größere Module und Prototypen, die Leistung und Stabilität verbessern sollen. CRIMSON-1 prüft nun, ob die Technologie ihre nützlichen Eigenschaften auch außerhalb des Labors behält.

KI wählt vor der Übertragung nützliche Bilder aus

CRIMSON-1 wird als Singapurs erster Nanosatellit mit KI beschrieben. Bei dem Computerexperiment werden Bilder an Bord analysiert und gefiltert. Dazu gehört die Auswahl wolkenfreier Bilder und das Erkennen möglicher Waldbrände oder Ölverschmutzungen.

Das ist Edge-KI: Dabei werden Daten nahe an ihrem Erfassungsort verarbeitet, statt sämtliche Rohdaten an einen entfernten Computer zu senden. In diesem Fall ist der Satellit selbst der Ort der Verarbeitung. Ziel ist es, nützliche Bilder oder mögliche Warnmeldungen zu Ereignissen zu übertragen, anstatt alle Bilder zur Prüfung an Menschen auf der Erde zu schicken.

Die Kapazität der Satellitenkommunikation ist begrenzt. Eine Filterung der Bilder im Orbit könnte die Menge der übertragenen Rohdaten und den manuellen Sortieraufwand am Boden verringern. Die Mission testet dieses Verfahren; sie verkündet keinen bereits erprobten Dienst zur Erkennung von Katastrophen.

Zur Erkennungsgenauigkeit, zur Rate falscher Warnmeldungen und zur gemessenen Verringerung der übertragenen Datenmenge wurden keine Angaben gemacht. Ein KI-Hinweis auf einen möglichen Brand oder eine Ölverschmutzung ist nicht gleichbedeutend mit einem bestätigten Ereignis. Erst die Ergebnisse des Experiments werden zeigen, ob die Auswahl zuverlässig genug für den operativen Einsatz ist.

Rechenleistung bringt eigenen Strom- und Wärmebedarf mit sich

Die Bildverarbeitung an Bord eines kleinen Raumfahrzeugs bringt einen Zielkonflikt mit sich. Weniger Informationen zur Erde zu senden kann Kommunikationskapazität sparen, doch der KI-Betrieb verbraucht Strom und erzeugt Wärme. Die Forscher von CRIMSON-1 werden untersuchen, wie das Computersystem bei hoher Auslastung mit beidem zurechtkommt.

Das Wärmemanagement ist im Vakuum besonders wichtig: Ein Raumfahrzeug kann sich dort nicht wie ein Computer auf der Erde über die Umgebungsluft abkühlen. Sein Design muss die Wärme durch die Struktur leiten und durch Abstrahlung abgeben. Das Experiment soll zeigen, wie sich die ausgewählte Computerhardware unter diesen Bedingungen verhält.

Die Solar- und Computing-Tests betreffen somit miteinander verbundene technische Herausforderungen, sind jedoch getrennte Experimente. Künftige Raumfahrzeuge mit mehr Rechenleistung an Bord bräuchten Stromversorgungssysteme, die diese Leistung bereitstellen können. CRIMSON-1 testet eine mögliche Solartechnologie für die Zukunft, nutzt zur eigenen Stromversorgung aber bewährte Solarzellen.

Hou nennt die Stromversorgung künftiger Satelliten und mögliche KI-Rechenzentren im Weltraum als Bereiche für weitere Forschung. CRIMSON-1 ist selbst kein operatives KI-Rechenzentrum. Die Mission belegt auch nicht, dass das Perowskit-Modul ein solches versorgen könnte. Sie soll Messwerte liefern, die in spätere Entwürfe einfließen können.

Wer die Mission entwickelt, umgesetzt und ermöglicht hat

Das Satellite Research Centre der NTU leitet die Mission und bündelt Raumfahrzeugtechnik, Startvorbereitungen, Missionskontrolle und den Betrieb im Orbit. Die NTU zufolge arbeiteten ihre Forscher mit dem Startintegrator Exolaunch zusammen, der Startkapazität, Missionsmanagement sowie Integrations- und Aussetzungsdienste bereitstellte. CRIMSON-1 wurde mit Exolaunchs EXOpod-Nova-System ausgesetzt.

Die Berichte unterscheiden sich bei der Beschreibung des Raumfahrzeugbaus. Einer nennt das singapurische Unternehmen Satoro Space als Hersteller und sagt, dass die KI-Technologie der NTU und die experimentellen Solarzellen in das Raumfahrzeug integriert wurden. Ein anderer schreibt den Bau dem Satellite Research Centre der NTU zu. In ihrer Mitteilung bezeichnet die NTU das Zentrum als Missionsleiter und erklärt, dass einheimische Industriepartner beteiligt waren. Wie die Fertigungsarbeiten aufgeteilt waren, wird jedoch nicht näher erläutert.

Die Infocomm Media Development Authority (IMDA) unterstützte die Mission, indem sie über die Internationale Fernmeldeunion (ITU) Satellitenfrequenzen und Orbitressourcen sicherte. Mit Frequenzen sind die Funkbereiche gemeint, die für die Kommunikation zwischen einem Satelliten und Bodenstationen genutzt werden.

Zur Bilanz der Universität gehört der Start von X-SAT im Jahr 2011, Singapurs erstem im Land gebauten Satelliten. Ihre 13. Mission, VELOX-AM, startete im Juli 2023 und schloss laut NTU ihre Mission ab, bevor sie im August 2026 aus dem Orbit eintrat. CRIMSON-1 setzt das Programm zum Bau, Test und Betrieb von Raumfahrzeugen fort.

Singapurs Förderprogramm verbindet Entwicklung und Tests im Weltraum

CRIMSON-1 gehört zu den ersten Projekten, die von der National Space Agency of Singapore (NSAS) im Rahmen des Space Access Programme gefördert werden. Dieses Programm ist Teil des Space Technology Development Programme. Dafür hat Singapur seit 2022 insgesamt 210 Millionen Singapur-Dollar (S$) für Weltraumforschung und den Ausbau nationaler Kompetenzen vorgesehen.

Auf der am 17. März 2026 aktualisierten Seite zum Space Technology Development Programme heißt es, das Office for Space Technology and Industry habe 2024 weitere 60 Millionen Singapur-Dollar gesichert. Das Programm STDP 2.0 soll demnach ab 2025 fortgeführt werden. Aus der Seite geht nicht hervor, dass diese 60 Millionen Singapur-Dollar zusätzlich zu den für das Programm genannten 210 Millionen zu addieren sind.

Das Programm umfasst drei Förderbereiche: Technologieentwicklung, Validierung und Erprobung sowie Zugang zum Weltraum. Der letzte Bereich unterstützt Tests, mit denen die Flugerprobung einer Technologie dokumentiert wird. Solche Aufzeichnungen belegen, dass sie im Weltraum eingesetzt wurde. Als Beispiele nennt das Programm Solarzellen, fortschrittliche Materialien, Computersysteme und andere Nutzlasten.

Lokale Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industriepartner können sich bewerben. Ausländische Organisationen müssen lokale Partner hinzuziehen. Erdbeobachtung und Satellitenkommunikation gehören zu den Schwerpunktbereichen. Außerdem prüft die NSAS Möglichkeiten für die Wartung von Raumfahrzeugen im Orbit, die Fertigung im Weltraum und die Weltraum-Lebenswissenschaften.

Bei CRIMSON-1 bildet die Flugerprobung die Verbindung zwischen Forschung und einer möglichen kommerziellen Nutzung. Ein erfolgreicher Start ist ein Meilenstein. Der Nachweis, dass ein Modul oder Computersystem unter Orbitbedingungen weiterhin funktioniert, ist ein eigener Meilenstein, den potenzielle Kunden bewerten können.

Meilensteine und nächste Schritte

Die Mission vereint mehr als ein Jahrzehnt Solar- und Satellitenforschung. Die wichtigsten Daten zeigen diese Entwicklung:

• 2011: X-SAT, Singapurs erster im Land gebauter Satellit, startet.
• 2013: Forscher der NTU veröffentlichen in Science Erkenntnisse zum Transport elektrischer Ladungen durch Perowskit-Materialien.
• Ab 2022: Singapur stellt 210 Millionen Singapur-Dollar für das Space Technology Development Programme bereit.
• 2023: Die NTU bringt Perowskit-Zellen an Bord von ARCADE ins All; VELOX-AM startet im Juli.
• 2024: Singfilm meldet einen Wirkungsgrad von 22,6 Prozent für ein Solarmodul, und die Regierung sichert weitere 60 Millionen Singapur-Dollar für die Entwicklung von Weltraumtechnologie.
• August 2026: VELOX-AM tritt laut NTU nach Abschluss seiner Mission aus dem Orbit ein.
• 1. Oktober in Kalifornien, 2. Oktober in Singapur: CRIMSON-1 startet zu einer geplanten einjährigen Mission.

In ihrer Mitteilung nennt die NTU den Starttag und -monat, aber kein ausdrückliches Startjahr. Die Angaben zum 1. und 2. Oktober beziehen sich auf den Zeitunterschied zwischen Kalifornien und Singapur, nicht auf zwei separate Starts.

Der nächste wesentliche Meilenstein sind die Leistungsdaten. Ein Termin für die Veröffentlichung erster Ergebnisse wurde nicht bekannt gegeben. Auch ein Zeitplan für Berichte zum Leistungsabfall der Solarzellen, zur KI-Genauigkeit oder zum Stromverbrauch des Computersystems liegt nicht vor.

Unabhängig davon untersuchen die NTU und das japanische Technologieunternehmen Fusic KI-Systeme am Boden, die bei der Missionsplanung, der Zuweisung von Bodenstationen, Routineabläufen und der frühzeitigen Erkennung technischer Probleme helfen sollen. Diese Arbeit betrifft die Steuerung von Satelliten von der Erde aus, während CRIMSON-1 die Bildverarbeitung an Bord eines Raumfahrzeugs testet.

Die wichtigsten Punkte

• CRIMSON-1 ist der 14. Satellit der NTU und ein 5 kg schweres Raumfahrzeug, das rund 520 km über der Erde ausgesetzt wurde.
• Die geplante Mission dauert ein Jahr und testet Perowskit-Solarzellen sowie die KI-gestützte Bildverarbeitung.
• Galliumarsenid-Solarzellen liefern den Hauptstrom für den Satelliten; die Perowskit-Zellen sind experimentelle Nutzlasten.
• Das flexible Modul von Singfilm besteht aus ultradünnem Glas. Die NTU testete bereits 2023 Perowskit-Zellen an Bord von ARCADE.
• Die Forscher messen die Haltbarkeit und Stromerzeugung der Solarzellen sowie Wärmemanagement und Stromverbrauch des Computersystems.
• Singapurs Space Access Programme fördert die Mission. Es ist Teil einer seit 2022 bestehenden Zusage von 210 Millionen Singapur-Dollar für die Entwicklung von Weltraumtechnologie.
• Leistungsdaten aus dem Orbit und ein Termin für die Veröffentlichung erster Ergebnisse wurden nicht bekannt gegeben.