Das Astronautentraining für die geplante internationale Raumstation Alpha, an der sich die Europäische Weltraumorganisation ESA mit dem Columbus-Labormodul und einem automatischen Transportfahrzeug beteiligt, wird viel Zeit- und Organisationsaufwand erfordern. Wollte man wie bisher vorgehen, müßten in den Zentren der Partnerstaaten USA, Rußland, Kanada, Japan und der Europäischen Gemeinschaft sämtliche Elemente der Raumstation und der Nutzlasten nachgebildet sein, damit dort jeweils – beispielsweise in Unterwassertanks – spezielle Abläufe geübt werden könnten. Allein die Größe der vorgesehenen Raumstation dürfte dem entgegenstehen.

Zudem sind viele Aufgaben nur im Team zu bewältigen, was den Betroffenen wiederholte langwierige Reisen aufbürdet. Zum Beispiel beginnt bei Space-Shuttle-Missionen mit Beteiligung nicht-amerikanischer Astronauten meist bereits zwei Jahre vor dem Start das gemeinsame Training im Johnson Space Center (JSC) der US-Luft- und -Raumfahrtbehörde NASA in Houston (Texas).

Deshalb machte Frank Hughes, Leiter des Bereichs Training am JSC, schon 1994 den Vorschlag zu prüfen, ob sich mittels virtueller Realität die Trainingskosten verringern und die erforderlichen Zeiten verkürzen ließen – insbesondere auch die Zeit, in der alle Team-Mitglieder vor Ort in Houston anwesend sein müssen. Ein entsprechender Versuch wurde gemeinsam mit dem Europäischen Astronautenzentrum der ESA in Köln und dem Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IGD) in Darmstadt vorbereitet.

Am 20. September 1995 war es schließlich soweit: Der amerikanische Astronaut Bernard Harris und sein europäischer Kollege Ulf Merbold begaben sich – von Houston beziehungsweise Darmstadt aus – in eine gemeinsame virtuelle Welt. Vertreter der amerikanischen, europäischen und deutschen Raumfahrtagenturen sowie der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) waren als Zuschauer dabei, um sich ein Bild von der Brauchbarkeit des Verfahrens zu machen.


Das räumliche Datenmodell und seine Realisierung

Trainingsszenario war die geöffnete Ladebucht eines Shuttles mit angedocktem Hubble-Teleskop (Bild 1). Auf eine Darstellung der gesamten Raumfähre wurde verzichtet, um mit etwa 18000 Dreiecken als geometrischen Grundelementen auszukommen und so trotz begrenzter Rechen- und Datenübertragungskapazitäten eine hohe Bildwiederholrate während der Simulation zu gewährleisten. Auch die sogenannten Figurinen zur Darstellung beider Astronauten in Raumanzügen waren stark vereinfacht, verfügten aber über einen beweglichen rechten Arm, der den Handbewegungen folgte.

Den Kern der Hardware bildete jeweils eine Hochleistungsgraphik-Workstation, die in Echtzeit das virtuelle Szenario aus der Perspektive des jeweiligen Astronauten errechnete und auf Displays in einem Datenhelm darstellte. Um sich in der künstlichen Welt zu bewegen, hatte Harris einen Spezialstuhl mit zwei joysticks (Steuerknüppeln) zur Verfügung, Meerbold dagegen eine DLR-Spacemouse. Für die persönliche Interaktion und die manuellen Tätigkeiten benutzten beide Seiten einen Datenhandschuh. Dabei erfaßte ein elektromagnetisches Meßsystem die Kopf- und Handbewegungen, indem es die Position eines am Helm beziehungsweise Handschuh befestigten Sensors relativ zu einem Referenzpunkt bestimmte. NASA und IGD verwendeten selbstentwickelte Software, die aber auf dem amerikanischen 3D-Graphikmodell und einem Basissystem des IGD für die Kommunikation aufsetzte.

Die nur in Kooperation zu bewältigende Aufgabe bestand darin, einen defekten Solarstromgenerator des Teleskops auszutauschen. Merbold mußte ihn aus dem Geräteschacht des Observatoriums entnehmen und sein amerikanischer Kollege das Ersatzteil aus der Ladebucht hinauf zum Teleskop bringen. Nach wechselseitiger Übergabe der Geräte sollte der europäische Astronaut den neuen Generator einbauen, während Harris das alte Aggregat in der Ladebucht zu verstauen hatte.

Damit die Astronauten die Bewegungen und Tätigkeiten ihres Gegenübers mitverfolgen konnten, wurde die Position und Orientierung von sämtlichen beweglichen Objekten – Solargeneratoren, Figurinen, Ober- und Unterarme sowie Hände – laufend über eine ISDN-Verbindung zwischen beiden Systemen ausgetauscht. Die relativ geringe Übertragungsrate von zweimal 64 Kilobits pro Sekunde reichte dabei völlig aus: Weil nur für solche Objekte, die sich bewegt hatten, gegriffen oder losgelassen worden waren, Daten übertragen werden mußten, fielen nicht mehr als etwa 13 Kilobits pro Sekunde an. Außer der digitalen Verbindung hatten beide Astronauten über eine analoge Telephonleitung Sprechkontakt.


Durchführung und Bewertung des Probelaufs

Eine kritische Größe bei Echtzeit-Anwendungen in einem Netzwerk ist die Signallaufzeit vom Sender zum Empfänger; denn sie bestimmt die Verzögerung, mit der die Teilnehmer einer Simulation die Aktionen ihrer Trainingspartner wahrnehmen. Abhängig vom Szenario darf sie nach den bisherigen Erfahrungen mit virtueller Realität nur Sekundenbruchteile betragen.

Glücklicherweise bewegen sich Astronauten im All aufgrund der Schwerelosigkeit ohnehin recht langsam. Zudem wurde keine Tätigkeit geübt, die eine sehr genaue zeitliche Synchronisation beider Astronauten erfordert hätte, wie beispielsweise gemeinsame Handgriffe bei einer Reparatur.

Die Signallaufzeit der benutzten ISDN-Verbindung betrug ungefähr eine Zehntelsekunde, und jede Seite konnte fünfmal pro Sekunde Positionsdaten übermitteln. Die Astronauten empfanden dies als ausreichend. Allerdings stockte die Übertragung mehrfach für bis zu zwei Sekunden – vermutlich aufgrund von Netzwerk-Problemen.

Die Astronauten verbrachten etwa eine halbe Stunde in dieser virtuellen Raumstation. Nachdem sie die gestellte Aufgabe erfolgreich beendet hatten, verabschiedeten sie sich mit einem virtuellen Handschlag (Bild 2). Alle Beteiligten bewerteten das Experiment anschließend als sehr positiv. Merbold und seinem Kollegen war es mühelos gelungen, sich mit der Topologie des Einsatzortes vertraut zu machen; lediglich das Fehlen der taktilen Rückkopplung störte etwas.

Jetzt muß geprüft werden, wie das System zu verbessern, auf mehr als zwei Partner zu erweitern und in das Trainingsprogramm der Weltraumagenturen zu integrieren ist. Zwar kann die virtuelle Realität den Wassertank nicht völlig ersetzen, erfordert doch präzises Arbeiten, daß auch Kräfte und Trägheits- oder Drehmomente bei den jeweiligen Handgriffen erfahrbar sind. Doch vermag sie wohl eine erste Orientierung zu vermitteln und somit das physische Training vorzubereiten. Denkbar wäre auch, damit unerwartete Reparaturmaßnahmen während einer laufenden Mission kurzfristig zu üben.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1996, Seite 25
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