Das erste industrielle Doktorat von GTD

Alejandro Sabán (Barcelona, 1996) ist Ingenieur für Luft- und Raumfahrtsysteme und -software bei GTD und hat das erste industrielle Doktorat des Unternehmens abgeschlossen, das sich auf autonome Flugsicherheitssysteme (AFSS) im Rahmen des europäischen Projekts SALTO konzentriert. Seine Forschung, verfügbar auf TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) und veröffentlicht in Acta Astronautica, behandelt eine der größten Herausforderungen des New Space: wie sich bei wiederverwendbaren Trägerraketen mit hoher Kadenz und reduzierten Betriebskosten die Flugsicherheit gewährleisten lässt.

Der Weg zu einem industriellen Doktorat

Industrielle Doktorate ermöglichen es Forschenden, akademische Arbeit mit realen Anwendungen zu verbinden. Alejandro erläutert, wie er sein Doktorat bei GTD strukturiert hat, um sowohl seiner Forschung als auch dem Betrieb des Unternehmens zu nutzen.

Wie entstand die Idee, ein industrielles Doktorat bei GTD zu machen?

Alejandro: Während meiner akademischen Laufbahn fand ich die Forschung wirklich interessant und entwickelte ein langfristiges Interesse an einer Promotion. Ich begann bei GTD als Masterpraktikant, und als ich meinen Master abschloss, wurde ich fest angestellt. Während meiner Tätigkeit dort sah ich, dass das Unternehmen dank der F&E-Projekte, die es über verschiedene europäische Programme wie Horizont Europa durchführt, die Möglichkeit zu einer Promotion bieten konnte.

Ich entdeckte, dass es eine Teilzeitmodalität gab: Man ist nicht zu 100 % der Doktorarbeit gewidmet, sondern zu fünfzig Prozent, und die anderen fünfzig Prozent kann man anderen Projekten des Unternehmens widmen. Die Promotion war mit dem Projekt SALTO verknüpft, das zum Forschungsschwerpunkt wurde. Das ist es, was ich getan habe. Ich habe an SALTO gearbeitet, aber parallel war ich in Andøya, in Esrange und bei Ausschreibungen tätig.

Auf diese Weise verlor GTD nicht die Kontrolle über meine Tätigkeiten. Der Einzige, der eine Förderung erhielt, war der Doktorand, für Studiengebühren und Mobilität. Weder die Universität noch das Unternehmen erhielten Geld. Es ist eher eine strategische Vereinbarung. Ich wollte die Promotion im Unternehmen machen, ohne den Betrieb zu beeinträchtigen, und am Ende hat diese Formel für alle funktioniert. Ich konnte weiterhin zu allen Projekten beitragen, während ich forschte.

Forschung im Unternehmen, Validierung an der Universität

Welche Rolle spielte GTD bei all dem?

Alejandro: Die Rolle von GTD war wie bei jedem Horizont-Europa-Projekt. Das Projekt ist Teil von SALTO, einer Zusammenarbeit zwischen Unternehmen und Institutionen. Wir waren im Arbeitspaket 11.6. Meine Aufgabe war der gesamte Bereich des technischen Managements des Projekts: alle technischen Entscheidungen zu treffen, der Systemvorschlag, die Umsetzung. Für sie ist es ein Projekt wie jedes andere. Es ist wie SAMMBA, ENVOL, wie all diese Projekte.

Und die Universität?

Alejandro: Im Wesentlichen wurde die Forschung bei GTD durchgeführt. Die Universität lieferte Feedback auf einer eher akademischen Ebene, dazu, wie man die Dissertation verfasst. Und dann einige Kontakte, die wir für KI-Themen hatten, um zu sehen, welche KI-Funktionen wir integrieren könnten, aber am Ende haben wir aufgrund von Zertifizierungsfragen keine integriert.

Sichtbarkeit und Chancen: über die Forschung hinaus

Welchen Wert bringt dieses Projekt Ihrer Meinung nach für GTD?

Alejandro: Was es ermöglicht hat, ist, die geleistete Arbeit sichtbar zu machen und sogar die Aufmerksamkeit einer Person der ESA und eines ehemaligen ESA-Mitarbeiters, der nun an der TU Delft ist, zu gewinnen, um Teil der Prüfungskommission der Dissertation zu sein. Und gerade eben hat uns der von der ESA gesagt, dass eine Ausschreibung (ITT) herauskommen wird, die uns interessieren könnte.

Ein abgeleitetes Projekt könnte entstehen. Es war eine Möglichkeit, sichtbar zu machen, was wir tun: „Hört zu, wir machen das, wir arbeiten daran.“

„Wenn man zu einer Konferenz wie dem IAC geht, sind alle großen Unternehmen der Branche dort. Wenn man die geleistete Arbeit sichtbar macht, sehen andere Akteure, was man tut, und sagen: ‚Ah, GTD macht das.‘ Was etwas ist, das uns bei GTD fehlt.“

Alejandro: Neulich sagten uns die anderen Unternehmen: „Auf eurer Website sieht man nicht all die Projekte, die ihr macht, aber nach dem, was ihr uns erzählt, macht ihr viele Dinge, von denen wir nichts wussten, und wir kannten eure Fähigkeiten in manchen Bereichen nicht.“ Es ist also auch eine weitere Möglichkeit, die im Unternehmen geleistete Arbeit bekannt zu machen. Und die Fähigkeiten, die es besitzt.

Veröffentlichungen in Zeitschriften und auf Konferenzen machen die Arbeit, die man leistet, sichtbar. Das ist innerhalb der Gemeinschaft recht wichtig, denn wenn man zu einer Konferenz geht, insbesondere zu Konferenzen wie dem IAC, sind alle großen Unternehmen der Branche dort. Wenn man also die geleistete Arbeit sichtbar macht, hat man die Möglichkeit, dass andere Akteure die Arbeit, die man leistet, sehen und sagen: „Wow, das muss ich machen.“ Und dann denken sie: „Ah, GTD macht das.“

Die technische Herausforderung: Warum brauchen wir eine autonome Flugsicherheit?

Warum ist dieses System für die Industrie wichtig?

Alejandro: Diese Art von System, die Flugsicherheit, ist für jede Mission erforderlich. Bislang ist es etwas Zusätzliches, bei dem eine Person am Boden überwacht und einen Knopf drückt.

Bislang hat das hervorragend funktioniert, weil wir Einwegfahrzeuge hatten. Wir hatten Anforderungen, die mit einem Bediener am Boden und den Bodensystemen, die man hat, gut abgedeckt werden.

Was passiert, wenn man dies auf eine häufigere Kadenz skaliert und die Betriebskosten senken will, was eine der Forderungen der Industrie ist? Hier beginnt man, auf Probleme zu stoßen: Wenn man die Kadenz erhöht, benötigt man zwischen den Kampagnen eine Konfigurationsphase für alle Bodensysteme und eine Schulung der Bediener. Hier hat man bereits einen Engpass bei den Systemen.

Dann, auf der Ebene der Betriebskosten, hat man hohe Kosten, die aus der gesamten Bodeninfrastruktur resultieren, die man hat. Man hat überall verteilte Radare. Man hat verteilte Telemetriestationen und Telekommandostationen. Man muss eine direkte Sichtlinie zur Trägerrakete haben, um die Mission aus Sicherheitsgründen verfolgen zu können.

So sehr, dass sogar die Anzahl der Umlaufbahnen, die an einem Weltraumbahnhof genutzt werden können, allein deshalb reduziert werden kann, weil man nicht über die Bodeninfrastruktur verfügt. Wenn man in Französisch-Guayana ist, kann man theoretisch in jeden Azimut starten, man kann in jedem Orbitbereich starten. Aber als sie mit den Operationen Richtung Norden begannen, mussten sie ein neues Radar installieren. Das war seinerzeit ein begrenzender Faktor. Entwicklungskosten für die Installation des neuen Radars und mehr Infrastruktur, was die Betriebskosten erhöhte. Wenn man also Kosten senken will, muss man versuchen, die Infrastruktur, die Abhängigkeit von der Bodeninfrastruktur, zu reduzieren.

„Man hat überall verteilte Radare, Telemetriestationen, Telekommando... All das erhöht die Betriebskosten. Wenn man Kosten senken will, muss man die Abhängigkeit von der Bodeninfrastruktur reduzieren.“

Drei zentrale Herausforderungen der aktuellen Systeme:

1. Hohe Betriebskosten: teure Bodeninfrastruktur (Radare, verteilte Telemetrie- und Telekommandostationen)
2. Begrenzte Flexibilität: neue Radare sind erforderlich, um neue Umlaufbahnen abzudecken
3. Inkompatibilität mit wiederverwendbaren Systemen: die Systeme können nicht mehrere Stufen gleichzeitig neutralisieren (eine aufsteigend, eine absteigend)

Alejandro: Bei wiederverwendbaren Systemen wurden die aktuellen Systeme nicht dafür ausgelegt, mehrere Stufen neutralisieren zu können. Wir haben eine Stufe, die zur Erde eintritt, entweder zum Weltraumbahnhof oder zu einer schwimmenden Plattform auf See, wie es SpaceX macht, und man hat eine Stufe, die aufsteigt. Man muss eines der beiden Elemente neutralisieren, falls es eine Gefahr für die Sicherheit darstellt. Es besteht also auch dieser Bedarf für wiederverwendbare Operationen.

Daher der Bedarf an einem autonomen System, das von jedem externen System unabhängig ist – mit den eigenen Subsystemen der Trägerrakete ist man in der Lage, die Flugsicherheit zu gewährleisten. Auf diese Weise hat man keine Bodeninfrastruktur mehr. Und man erhöht die orbitale Flexibilität. Reduzierte Kosten und Flexibilität.

Und wenn man zwei Stufen hat, integriert man eines dieser Systeme in jede der Stufen, und in dem Moment, in dem sie sich trennen, verhalten sie sich wie zwei unabhängige Fahrzeuge. Jedes System überwacht jedes Fahrzeug, jede Stufe. Das ist der Bedarf für diese Art von System.

Die Lösung: eine inkrementelle Validierung

Alejandro: Wir haben innerhalb des Projekts eine inkrementelle Validierungsstrategie vorgeschlagen. Zuerst alles am Boden validieren, in einem Bodensystem, in dem alle Daten der Trägerrakete empfangen werden – hauptsächlich das, was an Bord der Trägerrakete von der Navigation stammt –, die gesamte Datenverarbeitung, die gesamte Algorithmusberechnung durchführen und die Entscheidung treffen, die man, da man am Boden ist, an das Telekommandosystem senden muss.

Auf Infrastrukturebene gibt es keine Reduzierung, aber was es ermöglicht, ist, alle Entscheidungen zu automatisieren, den Bedarf an Bedienern zu eliminieren und das System schneller reagieren zu lassen, da man keine Latenz durch Bediener, Anzeigen usw. hat.

„Die Zukunft liegt nicht in diesem Ansatz, sie liegt darin, es einzubetten, wie es SpaceX bereits tut. Aber wir können nicht direkt zu einer bordgestützten Version springen, denn das ist ein Risiko.“

Der Plan:

• Phase 1 (bodengestützt): Architektur, Algorithmen und automatisierte Entscheidungsfindung am Boden validieren → Entscheidungen automatisieren, Latenz reduzieren, Bediener eliminieren (noch keine Infrastrukturreduzierung)
• Phase 2 (bordgestützt): das System in raumfahrtqualifizierte Ausrüstung einbetten → den TRL erhöhen, die Abhängigkeit von der Bodeninfrastruktur beseitigen

Alejandro: Zuerst haben wir beschlossen, es am Boden zu validieren, was wir im Projekt vorgeschlagen haben, damit man es später, sobald die gesamte Architektur, die Algorithmen und alles validiert sind, in bereits für den Weltraum qualifizierte Ausrüstung einbetten kann. Anschließend den Reifegrad der Trägerrakete oder der Ausrüstung erhöhen und sie direkt einbetten können.

Transfer zwischen Universität und Unternehmen: bidirektionaler Wert

Alejandro: Wenn man ein Doktorat zwischen der Universität und dem Unternehmen macht, gibt es einen Wissenstransfer von der Universität, aus der gesamten Spitzenforschung, die sie betreibt.

Die Realität ist, dass die Universitäten die modernste Forschung betreiben, größtenteils gestützt durch europäische Mittel. Unternehmen betreiben ebenfalls wichtige Forschung, aber typischerweise auf sehr spezifische Anwendungen innerhalb ihres Interessengebiets ausgerichtet. Universitäten arbeiten über ein breiteres Spektrum: „Wir untersuchen diese KI-Algorithmen...“, während ein Unternehmen sagen könnte: „Wir müssen KI für die Fehlererkennung implementieren.“

Dies schafft eine Gelegenheit, einen Dialog mit den Universitäten aufzubauen: „Was habt ihr untersucht? Was könnte eurer Meinung nach unserer Anwendung dienen?“ Wenn es Synergie und Zusammenarbeit zwischen Universität und Unternehmen gibt, wird es sehr wertvoll. Deshalb spielen industrielle Doktorate eine so zentrale Rolle, um diese Lücke zu schließen.

Ein reproduzierbares Modell

Dieses Projekt ist Teil des Programms für industrielle Doktorate Kataloniens.

Das Modell von Alejandro – Teilzeitwidmung, Flexibilität, an mehreren Projekten zu arbeiten – kann eine reproduzierbare Formel für künftige industrielle Doktorate im Unternehmen sein.

„Es geht über den eigentlichen Demonstrator hinaus, den wir gebaut haben. Es ist eine Frage der Sichtbarmachung, bekannt zu machen, was GTD tut. Und das öffnet Türen.“

Mit der verteidigten und öffentlich auf TDX verfügbaren Dissertation, internationalen Veröffentlichungen und wichtigen Kontakten bei der ESA und der TU Delft hat Alejandro einen Weg gebahnt, dem andere Ingenieure von GTD folgen können. Seine Arbeit zum AFSS bringt nicht nur die Flugsicherheitstechnologie voran: Sie setzt GTD auf die Landkarte der europäischen Forschung im Bereich der autonomen Flugsicherheit.