Rechenzentren im All: Wie realistisch ist die Cloud im Orbit?

Das Interesse an Rechenzentren im All wächst, weil Satelliten, Drohnen und Sensorflotten immer größere Datenmengen erzeugen. Anstatt Rohdaten zur Erde zu schicken, wäre es möglich, Teile der Verarbeitung bereits in der Umlaufbahn zu erledigen. Das reduziert den Bedarf an Downlink-Kapazität und kann Latenzprobleme für bestimmte Anwendungen mindern. Experimente wie der Spaceborne Computer von Hewlett Packard Enterprise auf der Internationalen Raumstation zeigen: Basisfunktionen laufen, doch Skalierung ist keine triviale Aufgabe.

Die Idee klingt promiskuitiv attraktiv: konstante Sonneneinstrahlung, kein Bodenverbrauch und potenziell niedrigere Betriebs-Emissionen. In der Praxis stehen diesen Vorteilen allerdings hohe Startkosten, technische Einschränkungen durch Strahlung und Kühlung sowie substanzielle Umweltfragen gegenüber. Dieser Artikel erklärt, worauf es konkret ankommt und welche Fragen offen bleiben.

Unter Rechenzentren im All versteht man Server-Cluster, die in Erdumlaufbahnen oder anderen Orbitalen betrieben werden, statt an Land. Kernbestandteile sind Solargeneratoren zur Stromversorgung, Systeme zur Wärmeabfuhr, Strahlungsschutz und Kommunikationslinks zur Erde oder zu anderen Satelliten.

Eine europäische Machbarkeitsstudie (ASCEND) schlägt modulare Bauweisen mit großen Solarflächen vor und rechnet mit Spitzenleistungen im Gigawatt-Bereich für sehr ambitionierte Konzepte. Andere Studien betrachten kleinere Cluster zur Kantenverarbeitung (Edge-Computing) in niedrigen Umlaufbahnen. Einen realen Test gab es schon: Das Spaceborne Computer-Projekt auf der ISS lief 2017–2019 über rund 615 Tage; diese Tests sind damit älter als zwei Jahre, liefern aber wertvolle praktische Erkenntnisse zur Stabilität von handelsüblicher Hardware im Orbit.

Kleine Prototypen auf der ISS zeigten, dass handelsübliche Server unter Software-gesteuerter Abschirmung im Orbit funktionieren können.

Technisch unterscheidet man zwei Betriebsmodelle: erstens Orbitale Vorverarbeitung von Erdbeobachtungsdaten, bei der nur reduzierte Produkte zur Erde gesendet werden; zweitens permanente Cloud-Knoten, die Rechenleistung ähnlich einem terrestrischen RZ anbieten, aber global erreichbar sind. Beide Varianten benötigen zuverlässige Energieversorgung. In der Sonne liefern Solarmodule beständig Strom, doch während Erdumlaufbahnen zeitweise Schattenphasen (Eclipse) auftreten, die Batterien oder Energiespeicher erfordern.

Eine einfache Vergleichstabelle fasst typische Größenordnungen zusammen:

Orbitale Rechenzentren sind nicht für alle Dienste sinnvoll. Sie spielen ihre Stärken dort aus, wo Datenmengen vor Ort entstehen oder Latenz kritisch ist. Erdbeobachtung ist ein treffendes Beispiel: Satelliten erzeugen Terabyte an Rohdaten; vor Ort angewandte KI kann Bilder filtern und nur relevante Treffer zur Erde senden. Das spart Bandbreite und Zeit.

Weitere Anwendungsfälle sind maritime und polare Überwachung, Notfallkommunikation bei großflächigen Ausfällen von Bodeninfrastruktur sowie Anwendungsszenarien mit globaler Verfügbarkeit, bei denen ein Rechenknoten außerhalb nationaler Rechtsräume gewünscht wird. Bei einigen wissenschaftlichen Missionen, etwa für Echtzeit-Analyse großer Teilchendetektoren oder für Steuerung autonomer Raumfahrzeuge, reduziert lokale Verarbeitung Verzögerungen und erhöht Robustheit.

Praktisch gibt es dabei einen Kompromiss zwischen Latenz, Kosten und Energie. LEO-Orbits bieten niedrige Latenz (geeignet für zeitkritische Aufgaben), gelten aber nicht als durchgehend sonnenbeschienen. GEO-Orbits liefern konstante Sonne, sind aber deutlich träger in der Kommunikation. Für viele Anwendungen ist Hybridbetrieb denkbar: kleine LEO-Knoten für schnelle Reaktionen, größere GEO-Flächenmodule für kontinuierliche Batch-Verarbeitung und Energiespeicherung.

Wichtig ist: Nicht jede Aufgabe muss ins All verlagert werden. Dort, wo terrestrische Rechenzentren mit grüner Energie und dichter Netzinfrastruktur verfügbar sind, bleiben sie meist günstiger und ökologisch vorteilhafter.

Die drei größten technischen Herausforderungen für Rechenzentren im All sind Wärmeabfuhr, Strahlung und die logistische Montage. Auf der Erde leiten Rechenzentren Abwärme per Luft- oder Flüssigkeitskühlung ab; im Vakuum ist Konvektion nicht möglich. Wärme wird durch Strahlung abgegeben, wofür große Radiatoren nötig sind. Schätzungen zeigen, dass für 100 kW an Abwärme hundert bis zweihundert Quadratmeter Radiatorfläche benötigt werden. Große Flächen bedeuten mehr Masse und eine höhere Anfälligkeit für Weltraummüll.

Strahlung ist eine zweite Baustelle: In Erdumlaufbahnen führen hochenergetische Teilchen zu Fehlern in Speicherzellen und Prozessoren (Single Event Upsets). Tests auf der ISS haben gezeigt, dass eine Kombination aus Fehlerkorrektur, Redundanz und softwareseitiger Abschirmung handelsübliche Hardware für begrenzte Zeiträume nutzbar macht. Diese Experimente stammen aus den Jahren 2017–2021 und sind damit älter als zwei Jahre, liefern aber praxisnahe Hinweise, welche Schutzstrategien funktionieren.

Schließlich die Montage: Gigawatt-Anlagen wären schwer als Monolith zu starten. Vielversprechender sind modulare Systeme, die im Orbit robotisch zusammengefügt und gewartet werden. Robotik und autonome Assembly sind aktiv erforscht, setzen aber voraus, dass Reparaturmissionen möglich und Kosten kalkulierbar bleiben. Zusätzlich müssen Debris-Schutz, Abschirmung gegen Mikrometeoroiden und sichere Transportfenster geplant werden.

Aus technischer Sicht ist ein gestuftes Vorgehen sinnvoll: Zuerst Demonstratoren mit wenigen Kilowatt, dann skalierende Cluster mit zehner- bis hundertkW, bevor man an die GW-Skala denkt. Diese Etappen erlauben Tests von Radiatoren, Batteriezyklen und robotischen Verfahren.

Die ökologischen Folgen sind ein zentrales Kriterium. Analysen zeigen, dass die Emissionen für Produktion und Start die Bilanz dominieren: Raketenstarts setzen Verbrennungsprodukte direkt in oberen Atmosphärenschichten frei, was relative Klimawirkungen und Schäden an der Ozonschicht nach sich ziehen kann. Aktuelle Schätzungen sprechen für eine Größenordnung von mehreren Millionen Tonnen CO2-Äquivalent pro Jahr für alle Starts kombiniert; für einzelne Großprojekte können die Startemissionen die Einsparungen beim späteren Betrieb übersteigen.

Reusability reduziert den Materialaufwand deutlich, mindert aber nicht alle Effekte. Außerdem gibt es Unsicherheiten bei Rußpartikeln und chemischen Reaktionen in der Stratosphäre, die bislang noch nicht vollständig quantifiziert sind. Deshalb fordern Fachstudien Messprogramme und einheitliche Methoden zur Lebenszyklusanalyse von Raumfahrtprojekten.

Ökonomisch bleibt die Gleichung anspruchsvoll: Solange Startkosten hoch sind, ist nur ein sehr klares technologisches oder wirtschaftliches Alleinstellungsmerkmal ausreichend, um Investitionen zu rechtfertigen. Sinkende Startkosten und modulare Bauweisen können die Bilanz verbessern. Auf regulatorischer Ebene stehen Fragen zu Raumfahrtrecht, Datenhoheit und Umweltschutz an: Ein orbitales Rechenzentrum berührt nationale Zuständigkeiten, Funkfrequenzen und potenziell internationale Klimaauflagen.

Eine verantwortungsvolle Weiterentwicklung würde sowohl strenge Umweltprüfungen als auch transparente Lebenszyklusrechnungen verlangen. Denkbar sind limitierte Pilotprojekte mit unabhängigen Umweltmonitorings und klar definierten Rückbauplänen.

Rechenzentren im All sind technisch möglich und bieten für bestimmte Anwendungsfälle klare Vorteile: Echtzeit-Analyse von Satellitendaten, resilientere globale Dienste und konstante Solarenergie für große Module. Die Machbarkeit wurde in Prototypen demonstriert, doch die praktische Skalierung verlangt Fortschritte bei Radiatoren, Strahlenschutz und robotischer Montage sowie eine sorgfältige ökologische Bewertung. Bis Startkosten und Emissionsfragen befriedigend gelöst sind, bleibt die praktikabelste Route ein stufenweiser Ansatz mit klaren Umweltauflagen und realistischen Demonstratoren.