- Starlink-Satelliten für die Bojendatenübermittlung in Bremerhaven erfolgreich umgesetzt und getestet.
- Die größte Herausforderung bei der Integration von Starlink in autonome Messsysteme ist das Energiemanagement.
- Das Energieproblem wurde durch extreme Energiesparmaßnahmen und eine dynamische Übertragung der Daten gelöst.
Interview mit Martin Schiller, Ingenieur in der Sektion Meereisphysik des Alfred-Wegener-Instituts über die neuesten technischen Entwicklungen autonomer Messsysteme für die Meereisforschung.
Meereisportal: Herr Schiller, Sie haben in den letzten Monaten einen Quantensprung in der Datenübertragung autonomer Messsysteme, Sie nennen diese „Bojen“, erreicht. Können Sie uns kurz sagen, um was es geht? Was verändert diese Entwicklung?
M. Schiller: Ja, wir nennen unsere autonomen Messsysteme auch „Bojen“, obwohl die meisten davon nicht schwimmen können und auf dem Meereis stehen. Viele unserer „Bojen“ übertragen schon seit vielen Jahren ihre Daten in das Meereisportal. Dies geschieht normalerweise über den Iridium SBD Service (SBD: Short Burst Data), einem satellitengestützten zwei-Wege-Nachrichtenübermittlungsdienst in Echtzeit überall auf der Welt. Dieser Service ist ein einfacher, effizienter, paketbasierter Dienst für häufige, kurze Datenübertragungen zwischen Geräten und zentralisierten Host-Computersystemen, der jedoch nur für relativ geringe Datenmengen effektiv eingesetzt werden kann. In der Meereisphysik arbeiten wir jedoch auch mit autonomen Messsystemen, die sehr hohe Datenmengen produzieren. Eine permanente Übertragung dieser Daten via Satelliten war in der Vergangenheit aus Kostengründen leider nicht möglich. Bei diesen Messsystemen wurden daher die Daten lokal auf einer Speicherkarte gespeichert und sie mussten später wieder geborgen werden. Wenn die Boje verloren ging, waren auch die Daten verloren.
Bei einer Expedition 2023 auf dem schwedischen Eisbrecher RV Oden hatte ich das erste Mal Kontakt mit dem Satellitennetzwerk Starlink des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX. Die hohe Leistungsfähigkeit des Systems und die extrem geringen Betriebskosten führten bei mir sofort zu der Überlegung, ob man damit unsere datenintensiven autonomen Messsysteme vielleicht auch ausstatten könnte.
Meereisportal: Das ist recht generell gefasst, wie sah das konkret aus, können Sie uns Beispiele geben? Was ging nicht, das nun möglich wird?
M. Schiller: Der Iridium SBD Service ist paketorientiert und damit ähnlich dem Versenden von SMS mit dem Handy. Eine Handy-SMS ist auf 168 Zeichen beschränkt und so ist es auch beim SBD. Man muss viele Nachrichten nacheinander schicken, wobei jede Nachricht relativ viel Geld kostet. Überträgt man große Datenmengen, wird das kostenmäßig schnell schwierig.
Die von mir entwickelten autonomen Strahlungsstationen zum Einsatz auf dem Meereis produzieren jedoch Daten von mehreren MB am Tag. Mit Iridium SBD kostet die Übertragung von 1 kB Daten ungefähr einen Euro. Das bedeutet, dass wir mit diesem Iridium Service mehrere 1.000 Euro am Tag an Datenkosten für eine solche Boje hätten. Um diese Datenmengen vernünftig übertragen zu können, benötigt man daher eine Satellitenverbindung mit hoher Bandbreite bei günstigen Übertragungskosten.
Genau da kommt Starlink ins Spiel. Starlink hat eine weltweite Abdeckung und bietet Datenübertragungsraten von circa 50 - 250 Mbits im Download bei bis zu 50 Mbits im Upload. An Kosten fallen dabei aktuell 72 € Grundgebühr pro Monat an plus eine volumenabhängige Gebühr von 2,27 € pro Gigabyte – nicht Kilo- oder Megabyte (also das Million- oder tausendfache)!
Meereisportal: Was sind die größten Herausforderungen im neuen System?
M. Schiller: Die größte Herausforderung bei der Integration von Starlink in autonome Messsysteme ist das Energiemanagement. Zur Energieversorgung verwenden wir 12 V Batterien mit einer Kapazität von circa 100 Amperestunden. Eine aktive Starlinkantenne benötigt zwischen 30 und 40 W in der Stunde. Es ist eine einfache Rechenaufgabe, um zu sehen, dass die Starlinkantenne die Batterie innerhalb weniger Stunden vollständig entleeren würde. Alle, mit denen ich im Vorfeld gesprochen habe, sagten, dass es nicht möglich sei, eine autonome Messstation mit Starlink zu betreiben. Der Stromverbrauch sei viel zu hoch, um eine Autonomie von einem oder gar mehreren Jahren erreichen zu können.
Eine weitere Herausforderung war das Datenmanagement. Bei unseren bisherigen Bojen konnten wir immer auf die Server der Hersteller zugreifen. Dort wurden die Daten von uns abgeholt, bearbeitet und schließlich im Meereisportal veröffentlicht. Die neue Starlinkintegration ist eine Eigenentwicklung des AWI. Die erforderlichen Prozesse und die nötige Infrastruktur mussten zuerst von unserem Rechenzentrum geschaffen werden, damit die Daten im Meereisportal veröffentlicht werden konnten.
Meereisportal: Wie haben Sie das Energieproblem gelöst?
M. Schiller: Gelöst habe ich das Problem durch extreme Energiesparmaßnahmen und eine dynamische Übertragung der Daten. Das bedeutet, dass die Daten nicht permanent übertragen werden, sondern in gewissen Zeitabständen. Diese Zeitabstände bestimmt das System selbstständig aus der zur Verfügung stehenden Energie. Diese Energie erhöhen wir, da die Stationen um Solarzellen erweitert wurden. Aus der aktuellen Energiebilanz wird der Zeitabstand bis zur nächsten Datenübertragung berechnet. Dazu weiß das System immer, welche Daten schon erfolgreich übertragen wurden. Bei der nächsten Übertragung werden dann nur alle neuen, noch nicht gesendeten Daten übertragen. Im polaren Winter, wenn nur wenig Energie zur Verfügung steht, wird spätestens nach einer Woche eine Übertragung veranlasst.
Bei den Energiesparmaßnahmen habe ich an allen Ecken und Enden gespart. Beispielsweise benötigt eine Starlinkantenne beim Einschalten eine lange Zeit, bis eine stabile, schnelle Internetverbindung möglich ist. Sobald eine Datenübertragung ansteht, schaltet die Boje die Starlink-Antenne ein und beginnt zu prüfen, ob die AWI Server schon antworten obwohl noch keine stabile Verbindung aufgebaut ist. Wenn das System eine erste Antwort erhält, beginnt sofort die Datenübertragung. Wenn die Datenübertragung von den AWI Severn als erfolgreich bestätigt wird, befindet sich die Antenne meist noch mitten im Startvorgang. Da die Daten jedoch schon übertragen sind und die AWI Server den Erhalt auch bestätigt haben, wird die Antenne schon wieder abgeschaltet, bevor sie richtig hochgefahren ist. Dieses Vorgehen ist zwar außerhalb der Spezifikationen von Starlink, aber dadurch wird eine für diesen Fall unnötig lange Sendezeit und damit ein unnötig hoher Energieverbrauch vermieden. Dies ist nur ein Beispiel für viele Vorkehrungen, die ich in den Systemen zur Energieeinsparung getroffen habe.
Meereisportal: Wie haben Sie das Datenproblem und mögliche Datenverluste gelöst?
M. Schiller: Unser dynamisches Datenmanagement stellt eine Herausforderung dar, da sichergestellt werden muss, dass niemals Daten verloren gehen. Normalerweise speichert man die Messdaten in einer Datei und überträgt diese dann. Für die nächsten Übertragungen wird dann jeweils eine neue Datei erzeugt. Wenn die Übertragung nicht oder nur teilweise geklappt hat, besteht die Gefahr Daten zu verlieren.
Bei den neuen Bojen werden die Daten in eine lokale Datenbank geschrieben und bei der Übertragung direkt aus dieser Datenbank gesendet. Es gibt einen Zeiger im System, der immer auf den zuletzt erfolgreich übertragenen Datensatz zeigt. Dadurch weiß das System immer, welche Daten noch nicht übertragen wurden und kann diese bei der nächsten Verbindung zum AWI schicken. Das funktioniert auch dann, wenn über längere Zeit keine Verbindung zum AWI möglich war oder die Verbindung unvorhergesehen abgebrochen ist. Es werden immer alle vorhandenen und noch nicht erfolgreich übertragenen Daten nachgeliefert.
Meereisportal: Das klingt sehr spannend. Sie haben es sicherlich bereits getestet. Was ist Ihre Erwartung für die kommenden Expeditionen?
M. Schiller: Seit ungefähr einem Jahr habe ich mein Büro im neuen Technikum des AWI. Auf dem Dach dieses Gebäudes haben wir eine spezielle Fläche zum Test mit freier, unverbauter Sicht zum Himmel. Dort habe ich die Systeme aufgebaut und umfangreich getestet (Abbildung 2 - 4). Dazu gehörte auch ein Langzeittest über ein halbes Jahr. Bei den Tests konnte ich noch etliche Feinheiten verbessern. Die Systeme funktionieren hier in Deutschland sehr zuverlässig. Nun erwarte ich, dass sie das auch in den Polarregionen tun werden.
Abbildung 2: Wetterstation mit Starlink Anbindung (Gen2 Antenne mit Motor) auf dem Dach des Technikums in Bremerhaven. (Foto: Alfred-Wegener-Institut, Martin Schiller)
Abbildung 3: Starlink Mini Antenne auf der Strahlungsstation. (Foto: Alfred-Wegener-Institut, Martin Schiller)
Abbildung 4: Strahlungsstation im Testbetrieb auf dem Dach des Technikums in Bremerhaven. (Foto: Alfred-Wegener-Institut, Martin Schiller)
Meereisportal: Welche Art von Bojen haben Sie konkret gebaut? Wann werden die Systeme ausgebracht und wann wissen Sie, ob es auch wirklich klappt?
M. Schiller: Ich habe jetzt zwei Arten von Bojen mit integrierter Starlink Technologie gebaut und in Bremerhaven getestet. Eine Wetterstation und eine Strahlungsstation. Beide werden in der aktuellen Polarstern Expedition HAFOS (PS144) in der Antarktis auf dem Meereis ausgebracht. Erste Tests erfolgen auf Polarstern, sobald diese die Antarktis erreicht hat. Wenn die Tests erfolgreich sind, werden die Stationen im Rahmen von Eisstationen auf dem Meereis ausgebracht. Dann kann man ziemlich schnell sagen, ob alles funktioniert oder nicht. Interessant wird es dann nochmal, wenn die Polarnacht einbricht. Das System geht dann in den Energiesparmodus über und es werden nur noch einmal pro Woche Daten übertragen. Wenn nach dem Winter die Sonne dann wieder über den Horizont kommt, wird es für mich spannend, wie lange es dauert, bis die Übertragungsfrequenz wieder im Tages- beziehungsweise Stundenrhythmus ankommt. Im Sommer 2025 planen wir, weitere Stationen mit dieser Technologie auszubringen, z. B. auch Kameras, die noch mehr Daten erzeugen.
Meereisportal: Das klingt alles hervorragend, wo sehen Sie Probleme kommen?
M. Schiller: Technisch gesehen, halte ich das System für sehr zuverlässig. Sollte es zu technischen Problemen kommen, bin ich zuversichtlich dafür eine Lösung zu finden. Mit technischen Problemen kann man umgehen. Bei Starlink handelt es sich allerdings um ein privates Unternehmen. Für mich ist schwer einzuschätzen, in welcher Art sich dieses Unternehmen weiterentwickelt. Als Beispiel sei genannt, das Starlink nur Monatsverträge macht. Das bieten zwar eine große Flexibilität für die Kunden, aber auf der anderen Seite unterliegen wir damit auch ständig möglichen Veränderungen in den Preisen und Leistungen. Es könnten Einschränkungen entstehen, die wir heute nicht abschätzen können.
Meereisportal: Können Sie aus der Ferne eingreifen, um etwas zu verändern?
M. Schiller: Nein, das ist momentan noch nicht möglich. Das kommt vielleicht in einer späteren Version. Um aber den Kolleg:innen auf dem Eis Support geben zu können, habe ich mir eine „Starlink On Ice“ Lösung ausgedacht. Dabei handelt es sich um einen kleinen Aktenkoffer, in den eine Starlink Antenne inklusive Stromversorgung und WLAN Access Point integriert ist. Die Lösung wiegt nur circa 3 kg und bietet einen Hochgeschwindigkeits-Internetzugang auf dem Meereis im Umkreis von circa 100 m. Man braucht den Koffer nur flach auf das Eis zu legen und von außen einzuschalten. Dadurch kann ich die Kollegen vor Ort live über eine Videokonferenz bei Problemen und Fragestellungen unterstützen.
Meereisportal: Wohin geht die Entwicklung? Was kommt als nächstes?
M. Schiller: Momentan wird die Messdatenerfassung und die Datenübertragung über Campbell Scientific Datalogger gesteuert. Ein Kollege von mir arbeitet gerade daran, diese durch eine eigene Lösung zu ersetzen. Interessant ist für uns auch, Fotos und Videos vom Eis zu erhalten. Dadurch könnte man dann gut einen Vergleich zwischen den Messdaten und der Situation auf der Scholle machen. Die Entwicklung einer solchen Kameraboje haben wir gerade an einen externen Anbieter vergeben. Eine tolle Sache wäre es auch, wenn wir Geräte, wie unsere Tauchroboter (ROV), von Bremerhaven kontrollieren oder gar steuern könnten.
Starlink ermöglicht durch die globale Verfügbarkeit, also auch in den Polarregionen, einer Internetverbindung mit hoher Bandbreite zu sehr geringen Kosten, also viele neue Möglichkeiten. Es ist ein echter Game-Changer, wobei man die daraus entstehenden Abhängigkeiten genau im Auge behalten sollte.
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