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Apr 26, 2023

Der neue Ballon der NASA

Die NASA nutzt eine KI-gestützte Technik namens „generatives Design“, um dramatische Fortschritte zu erzielen

Die NASA nutzt eine KI-gestützte Technik namens „generatives Design“, um den Prozess des Hardware-Designs für kommende Missionen drastisch zu beschleunigen – und eine der ersten KI-gestützten Missionen wird einen riesigen Ballon verwenden, um ein Teleskop in die Stratosphäre zu heben.

Das Bedürfnis:Das Gewicht ist einer der wichtigsten Aspekte, wenn NASA-Ingenieure Teile für neue Raumfahrzeuge entwerfen – je schwerer das endgültige Objekt ist, desto mehr Treibstoff wird für seinen Start benötigt und desto teurer wird die Mission.

Ingenieure können jedoch nicht auf Festigkeit verzichten, um das Gewicht niedrig zu halten – wenn ein Teil im Weltraum kaputt geht, ist ein Austausch oder eine Reparatur in der Regel keine Option.

Die Herausforderung:Die Entwicklung von Hardware, die möglichst leicht ist, aber dennoch der hohen Belastung im Weltraum standhält, ist bei der NASA ein langer und mühsamer Prozess.

Traditionell werden den Ingenieuren zu Beginn der Entwicklung eines neuen Instruments eine Reihe von Anforderungen für jedes Teil vorgelegt, bis hin zu den kleinsten Halterungen und Instrumentenhalterungen. Anschließend überlegen sie, wie ein Teil aussehen könnte, und erstellen mithilfe einer Designsoftware ein Modell davon.

„Wir entwerfen Dinge buchstäblich Jahre lang, bevor wir etwas zum Testen bauen.“

Anschließend besprechen sie den Entwurf mit einem Belastungsanalytiker, verfeinern ihn bei Bedarf und senden ihn dann an einen Maschinisten, der das Teil tatsächlich konstruiert, möglicherweise nachdem er selbst Feedback zum Entwurf gegeben hat.

„In dem Maße, in dem diese Leute sich gegenseitig Feedback geben, verbessert sich das, aber diese Feedbackschleifen sind wirklich sehr, sehr langsam, weil die Leute in den Urlaub fahren und an Schulungen teilnehmen“, sagte NASA-Forschungsingenieur Ryan McClelland dem Podcast „Small Steps, Giant Leaps“.

„Oft entwerfen wir in der NASA-Welt buchstäblich Jahre lang Dinge, bevor wir etwas zum Testen bauen“, fügte er hinzu.

„Eine KI entwickelt eine Reihe verschiedener Optionen, wie dieses Design aussehen könnte.“

Generatives Design: Während der Pandemie begann McClelland mit der Idee, KI zur Beschleunigung dieses Prozesses einzusetzen. Er stieß auf einen Ansatz namens „generatives Design“, bei dem einige kommerzielle Software auf dem Konzept aufbaute und von den Anforderungen zu einem Design rückwärts arbeiten kann.

„Sie beginnen mit den Anforderungen an Ihre Struktur, was sie halten muss, welche Art von Belastung sie aushalten muss … und dann entwickelt eine KI eine Reihe verschiedener Optionen, wie dieses Design aussehen könnte, und entwickelt tatsächlich ein optimales Design.“ Struktur", erklärte McClelland.

„Bei der Entwicklung einer optimalen Struktur wird berücksichtigt, wie sie hergestellt wird“, fuhr er fort. „Es stellt sicher, dass die Bearbeitung mit den Werkzeugen möglich ist, die Ihnen zur Verfügung stehen.“

„Die Strukturen sind tendenziell viel leistungsfähiger … irgendwo in der Größenordnung von dreimal besser.“

Der Aufprall:McClelland nennt Stücke, die mit generativem Design erstellt wurden, „entwickelte Strukturen“ und sagt, dass die Technik NASA-Ingenieuren dabei hilft, schneller bessere Hardware zu entwerfen.

„Es geht viel schneller, die Struktur zu entwickeln, etwa zehnmal schneller, und dann sind die Strukturen tendenziell viel leistungsstärker, sodass ihre Leistung etwa dreimal so hoch ist“, sagte er gegenüber Small Steps.

„Und wenn ich Leistung meine, meine ich wirklich das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht“, fuhr er fort, „also sind sie sehr steif und sehr leicht, und sie sind auch um einiges stärker als von Menschen entworfene Strukturen.“

„Alien“-Motive:Die Designs können auch um einiges seltsamer aussehen als von Menschen entworfene Strukturen – McClelland beschreibt einige Teile als Knochen einer außerirdischen Spezies –, was die Herausforderung erhöht hat, einige Leute bei der NASA dazu zu bringen, sich für generatives Design zu interessieren .

„Es gibt einfach eine Art Angst vor dem Unbekannten, vor dem Versuch, etwas Ungetestetes auszuprobieren … Ich denke, das ist eines der Hindernisse, nur dass sie seltsam aussehen“, sagte McClelland.

Aber die NASA erkennt schnell, dass die Vorteile des generativen Designs die reflexartigen Reaktionen auf das Aussehen der KI-Kreationen überwiegen.

Laut McClelland integriert die Raumfahrtbehörde weiterentwickelte Strukturen in mehrere bevorstehende Missionen, darunter Dragonfly, eine Mission zum Titan, deren Start für 2027 geplant ist, und die geplante Mars Sample Return-Mission zur Gewinnung von Proben vom Roten Planeten.

Generatives Design wurde auch bei der Entwicklung von Teilen des EXoplanet Climate Infrarot-Teleskops (EXCITE) eingesetzt – im Jahr 2024 wird ein Ballon von der Größe eines Fußballstadions das SUV-große Teleskop 25 Meilen über die Erdoberfläche heben, damit es „heiße Jupiter“ abbilden kann ."

„Wir haben einige Bereiche mit sehr kniffligen Designanforderungen“, sagte Peter Nagler, Leiter der EXCITE-Mission. „Es gab Kombinationen aus spezifischen Schnittstellen und anspruchsvollen Lastspezifikationen, die sich für unsere Designer als Herausforderung erwiesen.“

„Ich kann mir vorstellen, dass in der gesamten NASA an Tausenden solcher Strukturen gearbeitet wird, die einzigartig sind.“

Das große Bild:Generatives Design wird NASA-Ingenieure nicht ersetzen – die KI schlägt laut McClelland gelegentlich vor, dass Teile, die ein Ingenieur sofort sehen kann, zu dünn wären, und die Software kann auch noch keine mehrteiligen Strukturen entwerfen.

Er sieht jedoch, dass die Technik bei der NASA eine immer wichtigere Rolle spielt, wo fast jedes Design maßgeschneidert ist.

„Ich kann mir vorstellen, dass überall bei der NASA zu jeder Zeit an Tausenden solcher Strukturen gearbeitet wird, die einzigartig sind … Ich denke, dass diese Technologien wirklich einzigartig für die Arbeit geeignet sind, die wir bei der NASA leisten, und das denke ich.“ es ist so mächtig“, sagte er.

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