VPX-System fürs Weltall In 90 Minuten um die Welt

EIne konstante Verbindung für Rechnersysteme zwischen  Raumstation und Erde .
EIne konstante Verbindung für Rechnersysteme zwischen Raumstation und Erde .

Wie sieht Technik aus, mit der man eine permanente Verbindung zwischen der ISS und der Erde herstellen kann? Zusammen mit der russischen Firma Sait hat der Pforzheimer Systembauer Elma Electronic darauf eine Antwort entwickelt.

Der Countdown läuft: Voraussichtlich im September dieses Jahres macht sich eine Sojus-Rakete mit einem Paket aus Pforzheim auf den Weg zur Internationalen Raumstation ISS. Mit der Versorgungsmission erhält die Besatzung um den Deutschen Alexander Gerst ein Air Transport Rack mit OpenVPX-Technologie. Elma Electronic entwickelte das System für die Firma Sait, die mit der russischen Weltraumorganisation Roskosmos zusammenarbeitet. Das Air Transport Rack wird als Teil des so bezeichneten »Broadband Communication System User Terminal« im russischen ISS-Servicemodul »Swesda« installiert.

Wenn das System an seinem Einsatzort im Weltall in Betrieb geht, ermöglicht es eine »nahezu-permanente» Verbindung der ISS mit der Bodenkontrolle. »Eine solche Verbindung ist nicht selbstverständlich«, erklärt Vitali Siris, der bei Elma Electronic das Projekt begleitet. »Die ISS benötigt für eine Erdumrundung nur etwa 90 Minuten. Sobald sich die Raumstation über einem Gebiet der Erde befindet, das nicht von Empfangsanlagen am Boden abgedeckt ist, würde die Verbindung jedesmal abbrechen.« Abhilfe schaffen dann Kommunikationssatelliten, in diesem Fall über das Geo-Satellitennetz »Lutsch«, die als Relays genutzt werden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit bei zugleich stetig wachsenden Datenmengen der ISS muss die Verbindung quasi permanent umgeroutet werden – je nachdem, welche Satelliten zum jeweiligen Zeitpunkt die beste Übertragungsroute bieten.

Kräfte bis zu 40 g

Das Elma-System übernimmt diese Aufgabe und ermöglicht dabei Datendurchsätze mit einer Uplink-Geschwindigkeit von bis zu 100 Mbps und einer Download-Geschwindigkeit von 6 bis 8 Mbps. Das System stellt hierbei den Hardware-Teil einer Multiplexer-Demultiplexer-Modem-Unit (MDM) dar. MDM ist zuständig für die Aufnahme, die Speicherung und für die Übertragung der Ergebnisse von an Bord durchgeführten Experimenten. Die Einheit beinhaltet hierfür unter anderem ein Modem, DVB-S2 (für Satellitensignale), PAL (Phase Alternating Line – also ein analoges Videosignal) sowie HD-Video-Ein- bzw. -Ausgänge. Die seriellen Schnittstellenkarten erfüllen Vorgaben für Schock und Vibration nach MIL-STD-810F und garantieren damit die Widerstandskraft des Systems. »Widerstandskraft, die auch notwendig ist«, so Siris weiter. »Während die Technik im Inneren der ISS konstante Temperaturbedingungen von 20 bis 22 °C und ähnlich konstante Luftfeuchtigkeit erwartet, muss sie beim Start der Rakete Kräfte von bis zum Vierzigfachen der Erdbeschleunigung aushalten«.

Mit dem Air Transport Rack (ATR) ist dafür ein seit vielen Jahren bewährter Formfaktor für Rechnersysteme in der Luft- und Raumfahrt erste Wahl (Bild).

In der Luft- und Raumfahrt entstehen durch die Manöver der Fluggeräte enorme Kräfte, die ein »einfaches« Computergehäuse nicht unbeschadet überstehen würde. Ein ATR verfügt über besondere Festigkeit gegen Stöße und Vibrationen, verbiegt sich also nicht so stark und kann auch einen stärkeren Stoß wie z. B. bei einer besonders harten Landung überstehen. Dieses Air Transport Rack bildet das Computergehäuse. Im Inneren steckt eine Rechnereinheit mit OpenVPX-Technologie.

Das Thema Kühlung sei bei solchen Systemen immer ein besonders heikler Punkt, merkt Projektbetreuer Vitali Siris weiter an. »Das System für die ISS wird nach dem ‚Forced-Conduction-Cooled‘-Verfahren gekühlt«. Bei diesem Verfahren werden alle Karten, wie z.B. die Prozessorkarte, die Grafikkarte oder die Speicherkarte, über eine spezielle Mechanik mit der Seitenwand verbunden.

Externer Lüfter

Die Seitenwände des ATRs sind mit Finnen bestückt, die nach außen zeigen und durch die Luft gesogen wird. So werden die robusten Karten zwar aktiv gekühlt (eine passive Kühlung wäre z. B. eine Kühlung ohne Lüfter), die Lüfter arbeiten aber eben außerhalb des Gehäuses. »Das ist eine praktische Lösung, die das Systeminnere überdies vor Staub schützt und eine mögliche Quelle für Schäden während des Transports eliminiert. Zugleich wurde mit der Kühlungsvariante Platz gespart, ohne dabei die Multi-Funktionalität des Systems preiszugeben«.

Technisch interessant ist auch die Wahl der SSD-Festplatte mit einer Kapazität von einem Terabyte. Hierfür mussten durch den Raumfahrtzulieferer Sait einige Tests durchgeführt werden, da die SSD-Festplatten durch die feinen Strukturen im 10-15-Nanometer-Bereich den freien Protonen im All deutlich stärker ausgesetzt sind als auf der Erde. Durch diesen Dauerbeschuss kann es dazu kommen, dass Teile der SSD (z.B. der Flashspeicher) beschädigt werden. Ein weiteres OpenVPX-System der gleichen Bauart ist für das neue Wissenschafts- und Energiemodul NEM-1 geplant, das 2019 der bestehenden Station hinzugefügt werden soll. Der Geschäftsführer bei Elma Electronic, Paolo Putzolu, zeigte sich stolz auf den Pforzheimer Beitrag: »Die ISS ist wohl die komplizierteste Maschine, die die Menschheit je gebaut hat. Dass unsere Produkte ein Teil davon sind, ist ein großartiger Nachweis für die Leistungsfähigkeit unseres Hauses«.

 

Der Autor

 

 

Helge Marek

hat in Tübingen und Freiburg studiert und später noch ein Weiterbildungsstudium zum akademisch geprüften PR- Berater absolviert. Nach Stationen bei Memento Verlag, bei Alstom Power Service und zuletzt bei der Mobotix ist Marek seit 2010 bei Elma Electronic angestellt und für Marketing und Public Relations zuständig.