Die Lösung für ein überflüssiges Problem – wann lohnt sich ein Raspberri Pi im Weltraum?

Heute wieder mal Blog zu einem speziellen Thema. Es geht um die für die Raumfahrt geeigneten Computer. Betrachtet man sich die letzten 40 Jahre, so sieht man eine Tendenz: sie haben gegenüber der „irdischen“ Hardware deutlich an Leistung verloren. Als 1981 das Space Shuttle abhob, waren ihre Bordcomputer, die auf der System 360 Architektur basierten, noch deutlich schneller als Computer, die man als Privatperson kaufen konnte (mit einem Großrechner kann man die Rechner natürlich nicht vergleichen, schon allein wegen des Gewichts, Volumens oder Stromverbrauchs, aber Rechner in Raumfahrzeugen haben in etwa das Volumen eines PC. Die Shuttles hatten 32 Bit Prozessoren mit 416 KByte Speicher pro Rechner, ein Heimcomputer wie der ZX80, Ti 99/4a oder VC20 einen 8 Bit Prozessor mit 1 bis 16 KByte Speicher.

Bis Anfang der Neunziger Jahre hatten Mikroprozessoren aufgeholt und zeitweise wurden sogar normale Mikroprozessoren in Raumfahrzeugen verwendet, so ein 8086 in Rosat und ein 386 in Hubble. Seitdem hinkt die weltraumtaugliche Hardware der irdischen hinterher.

Die Anforderungen an die Bauteile sind im Weltraum höher. Man denkt zuerst an die energiereiche Strahlung, sowohl geladene Teilchen, wie die des Sonnenwinds, wie auch ionisierende Strahlung wie Röntgen- oder Gammastrahlung werden von der Erdatmosphäre abgefangen. Sie kann Ströme in einem Schaltelement induzieren oder Bits umkippen lassen. Dazu kommt, dass die Temperaturextreme höher sind. Früher wurden „militärische“ Hardware eingesetzt. Jeder Hersteller hatte eine Fertigungslinien mit „military grade“ Elektronik. Sie hatte eine höhere Toleranz gegenüber zahlreichen Umgebungsparametern und wurde z.B. in Flugzeugen oder Lenkwaffen verwendet. Heute lohnt sich das für die großen Hersteller nicht mehr, denn anders als in den Siebzigern und Achtzigern ist heute der Massenmarkt viel größer als der militärische Markt.

Ein Grund, warum die weltraumtaugliche Hardware hinterhinkt, ist dass die Investitionskosten in neue Fabriken um so höher sind, je kleiner die Strukturbreiten sind. Das kann man mit dem Absatz von einigen Tausend Bauteilen natürlich nicht bei aktuellen Fabs ,die Milliardeninvestition erfordern, rechtfertigen.

Im Einsatz sind heute Prozessoren auf Basis des PowerPC 750 und der Sparc 7 Architektur. Beides sind Prozessorarchitekturen aus der zweiten Hälfte der Neunziger. Entsprechend haben sie Leistungsdaten wie ein PC aus dieser Zeit z.B. einen maximalen Takt von 200 MHz. In den letzten Jahren hat sich wenig getan, wenn dann versucht man auch nicht eine schnellere Architektur zu verwenden, sondern die Architektur mit FPGA zu verbinden, ein FPGA führt dann in der Hardware einen rechenintensiven Algorithmus aus.

Nach dieser Einleitung die heutige Problemstellung: Für das, was die Prozessoren meist leisten müssen, das sind Steuerungsaufgaben reichen sie aus. Eine Parallele kann man zur Makerszene ziehen: die 8 Bit Atmel Mikroprozessoren sind noch deutlich leistungsschwächer, reichen aber für Steuerungsaufgaben vollkommen aus. Schlussendlich muss keine grafische Benutzeroberfläche erstellt werden oder 60 Frames einer Spielszene pro Sekunde neu berechnet werden. Es gibt aber durchaus auch Aufgaben die mehr Rechenleistung erfordern. Erdbeobachtungssatelliten könnten Bilder auswerten und anhand der Helligkeits- und Kontrastverteilung Bilder mit zu vielen Wolken gar nicht abspeichern. Raumsonden können die Belichtungszeit jedes Bildes basierend auf dem letzten optimal anpassen – man muss sich nur Cassinis Aufnahmen der Eismonde ansehen – die Belichtung ist oft zu hoch, und die Bilder extrem hell. Bei Satelliten, die die Erde oder einen Planeten in Streifen kartieren, nimmt die Breite eines Streifens zu den Polen hin ab. Diese Teile müsste man ebenfalls nicht speichern, das bedeutet immerhin das man 57 % mehr pro Tag abbilden kann. Für die heutigen rechenintensivsten Aufgaben der Datenaufbereitung, vor allem Komprimieren und Codieren mit Wiederherstellungsinformationen gibt es aber schon lange Spezialchips.

Meine Idee: Anstatt Spezialhardware zu entwickeln, nimmt man normale Hardware und schirmt diese ab. Die Abschirmung erhöht natürlich das Gewicht. Theoretisch kann ich daher einen Punkt bestimmen, ab dem dieses erhöhe Gewicht multipliziert mit den Startkosten pro Kilogramm die niedrigen Kosten für die Hardware erreicht. Alles, was weniger wiegt, ist dann günstiger. Die Preise für Weltraumhardware sind weitestgehend unbekannt, doch ein weltraumtaugliches BAE 750 Board soll 100.000 Dollar kosten.

Das erste was man bei dem Ansatz tun muss, ist es die nötige Abschirmung zu ermitteln. Ich binfür die nötige Abschirmung von der ISS ausgegangen. Die Astronauten verwenden zum Teil normale Konsumerhardware wie Notebooks. Die wird zwar modifiziert, aber das dient vor allem dem Brandschutz. So werden nicht benötigte Schnittstellen versiegelt oder Akkus ausgetauscht oder entfernt. Die Elektronik ist aber dieselbe. Das ist auch logisch, denn die Argonauten selbst dürfen ja auch nicht durch die Strahlung gefährdet sein, das heißt die Abschirmung muss ausreichen das sie keine Gesundheitsgefahr haben und Menschen sind immer noch empfindlicher als Elektronik. (Etwa um den Faktor 5 bis 10).

Die reine Struktur eines ISS Moduls finden wir in den MPLM, Transportmodulen des Space Shuttles. Eines wurde auch zum ISS Modul umgebaut. Bei den normalen ISS Modulen erhält man die Startmasse des Moduls, die durch Installationen höher ist. Ein MPLM wog 4.100 kg bei einem Durchmesser von 4,60 m und 6,4 m Länge. Modelliert als Kreiszylinder, hat es dann eine Oberfläche von 110 m². Bei 4.100 kg Masse wiegt ein Quadratmeter also 37,2 kg, da die Hülle aus Aluminiumlegierungen besteht, ist sie bei einer angenbommenen Dichte von 2,8 g/cm³ rund 13,3 mm dick.

Ich fange mal als möglichem Bordrechner mit einem Raspberry Pi an. Schon das erste Modell war schneller als ein BAE 750. Der aktuelle Pi 4B ist fünfmal schneller als das Erstmodell. Ein aktueller PC Prozessor ist pro Kern nochmals viermal schneller. Wir reden also von einer Steigerung der Geschwindigkeit um einen Faktor von mindestens 10, nimmt man die höhere Kernzahl gegenüber dem BAE 750 hinzu dann ist ein PC Prozessor mehr als 100-mal schneller.

Der Vorteil des Raspberry PI ist, das er sehr kompakt ist. Ein Gehäuse hat Abmessungen von 7 x 9,5 x 3 cm. Mit 13,3 mm Abschirmung wäre das ein Aluminiumblock von 96,6 x 116,6 x 56,6 mm. Die Platine aus diesem Volumen herausgerechnet sind das 636 cm³, die bei einer Dichte von 2,8 g/cm³ rund 1,79 kg wiegen.

Im aktuellen Heft der ct‘ wurden Mini-PC vorgestellt. Der Kleinste hat ein Gehäuse von 175 x 175 x 34 mm. Entsprechend mit 13,3 mm Aluminium abgeschirmt sind es 201,6 x 201,6 x 60,6 mm und ein Gewicht von 4 kg.

In beiden Fällen gibt es Optimierungen. Die Höhe beider Gehäuse wird durch die Schnittstellen bestimmt, beim PC auch durch den Lüfter. Bei einem Alublock als Kühlkörper ist der verzichtbar und Schnittstellen kann man an jede Seite legen, um zwei Buchsen übereinander zu vermeiden. Zudem ist nicht gesagt, dass eine Platine nur einseitig bestückt sein muss und man kann die Breite verkürzen und dafür mehrere Platinen übereinander montieren. Bei mehreren Bordcomputern (zur Redundanz) kann man diese zusammenlegen und so ebenfalls Abschirmung sparen.

Doch auch 4 kg im Worst Case sind eine Ansage. Bei 100.000 Dollar pro weltraumtauglichem Mainboard muss der Transportpreis pro Kilogramm 25.000 Dollar erreichen, um äquivalente Kosten zu verursachen. Ein Vergleich mit Startpreisen zeigt, dass fast jede Rakete in den LEO niedriger liegt, auch im GTO ist das noch so. Im GEO – entsprechendes gilt wegen der Geschwindigkeit auch für Venus- oder Marsmissionen – liegt eine Ariane 5 leicht drüber, eine Ariane 6 deutlich darunter. Bei SpaceX hängt es von der Satellitenmasse ab, da hier keine Doppelstarts zur maximalen Nutzlastausnutzung möglich sind. Beim Raspberry PI ist durch das geringere Gewicht der Vorteil sogar noch größer.

Dafür bekäme man aber auch mehr Rechenleistung. Sofern die benötigt wird, wäre die Abschirmung also eine Alternative. Die Idee ist ja nicht neu. Bei JUNO wurde nicht nur der Bordcomputer, sondern alle Teile die eine Elektronik enthielten wie die Inertialplattform in einen „Safe“, einem Kasten aus Titan mit dicken Wänden verpackt. Nur hat man eben nicht jedes Teil abgeschirmt, sondern alle zusammen. Damit kommt die normale weltraumtaugliche Hardware auch bei Jupiter zurecht, obwohl die Hardware 1000-mal höherer Strahlung ausgesetzt ist. (weltraumtaugliche Hardware ist zehn bis zwanzigmal strahlungstoleranter als kommerzielle). Das müsste dann auch eine Reduktion in einem Erd- oder Sonnenorbit um den Faktor 1000 bewirken und damit wäre man selbst im Van Allen Strahlungsgürtel weit unter den maximalen Dosen. Die Abschirmung des Safes von Juno ist vergleichbar mit der oben angenommen (1 cm dicke Titanwände, entsprechend 45 kg/m²).

Kurz: Wenn man den Bedarf nach mehr Rechenleistung hat, wäre es meiner Ansicht nach eine gute Idee, auf einer Technologiemission einfach mal kommerzielle Designs in dieser Art abgeschirmt zu testen. Was der Vorschlag natürlich offen lässt ist die Lebensdauer. Kommerzielle geostationäre Satelliten haben eine Designlebensdauer von 10 bis 15 Jahren und leben oft noch länger. Raumsonden sind noch länger in Betrieb. Ob kommerzielle Prozessoren wie auch die anderen Komponenten eines Mainboards so lange durchhalten? Hier dürften PCs oder Server schon wegen der Verbesserung der Rechenleistung, Neueinführung von Peripherie mit anderen Schnittstellen viel früher ausgewechselt worden sein.

Hier mal ein kleiner Vergleich der Rechenleistung aktuell verwendeter Prozessoren und dem Raspberry Pi:

Rechner	Raspberry Pi	BAE RAD 750	Leon 2 FT
Basisarchitektur:	ARMv6, (Raspberry Pi 1) ARMv8 (Pi 2-4)	Power PC 750	SPARC V8
Basisarchitektur vorgestellt:	ARMv6: 2002 ARMv8: 2011	1997	1992
Dhrystone/MHz	1,86 – 3,76	1,97	0,9
Dhrystone	Pi 4B: 5656	393	90
Maximale Taktfrequenz:	700 – 1800 MHz	200	100

Es gibt von beiden Prozessoren neuere Versionen. Während der Leon 3 nur ein kleines Upgrade vom Leon 2 ist (1,4 Dhrystone/Mhz anstatt 0,9) hat der neue RAD5545 von BAE vier Prozessorkerne, wird in einem fünfmal kleineren Prozess hergestellt und erreicht dann bei 1 GHz 5600 Dhrystones, zieht also mit dem aktuellen Raspberry Pi 4B gleich.