Ingenieure der Universität von Pennsylvania haben ein solarbetriebenes Rechenzentrum entworfen, das an langen, pflanzenähnlichen Seilen die Erde umkreisen soll. Das Konzept zielt darauf ab, energieintensive KI-Berechnungen mithilfe bestehender Technologien vom Boden ins Weltall zu verlagern.
Während künstliche Intelligenzsysteme auf der Erde immer mehr Strom und Wasser verbrauchen, suchen Ingenieure der Universität von Pennsylvania nach einer Lösung – und zwar ganz oben.
Ein Team der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Angewandte Wissenschaften der Universität von Pennsylvania hat einen detaillierten Entwurf für solarbetriebene Rechenzentren entwickelt, die die Erde umkreisen sollen. Lange, flexible Kabel, sogenannte Tether, sollen Tausende von Recheneinheiten in der Erdumlaufbahn halten. Das Konzept ist ambitioniert genug, um KI-Berechnungen sinnvoll vom Boden zu verlagern, aber gleichzeitig so einfach, dass es mit bereits existierenden Technologien realisiert werden kann.
Das geplante orbitale Rechenzentrum ähnelt einer riesigen, belaubten Pflanze, die im Weltraum schwebt. Lange, vertikale Hardware-Säulen hängen an Seilen, während breite, dünne Solarpaneele sich wie Blätter ausbreiten, um Sonnenlicht einzufangen. Das System ist für Tausende identischer Rechenknoten ausgelegt, die jeweils Chips, Solarpaneele und Kühlgeräte enthalten und alle über ein Kabel miteinander verbunden sind.
Bildunterschrift: Eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen orbitalen Rechenzentrumsdesigns, das einer belaubten Pflanze ähnelt, mit Solarzellen, die von langen Säulen abzweigen, welche die Computerhardware beherbergen.
Kredit: Igor Bargatin, Dengge Jin, Zaini Alansari, Jordan R. Raney
Die entscheidende Innovation liegt in der Ausrichtung der Struktur im Weltraum. Herkömmliche Satellitenkonstruktionen nutzen häufig Motoren und Triebwerke, um die Solarpaneele zur Sonne auszurichten. Das erhöht Gewicht, Komplexität und Energieverbrauch – allesamt gravierende Nachteile bei der Skalierung des Satelliten.
Der Hauptautor Igor Bargatin, außerordentlicher Professor am Institut für Maschinenbau und Angewandte Mechanik (MEAM), merkte an, dass der Entwurf der Universität Pennsylvania einen anderen Ansatz verfolgt.
„Dies ist der erste Entwurf, der in diesem Maßstab der passiven Ausrichtung Priorität einräumt“, sagte er in einer Pressemitteilung.
Im Orbit verhalten sich die Verbindungsseile auf besondere Weise. Die Schwerkraft zieht ein Ende des Seils leicht zur Erde hin, während die Zentrifugalkraft der Orbitalbewegung das andere Ende nach außen zieht. Diese gegenläufigen Kräfte spannen das Seil und richten es auf natürliche Weise vertikal aus. Ingenieure erforschen Verbindungsseile seit Jahrzehnten, und sie wurden im Weltraum getestet. Dies ist einer der Gründe, warum das Team der Universität Pennsylvania sie als realistische Bausteine für die Raumfahrt betrachtet.
Da die Struktur an einem Seil hängt, können die Rechenknoten nacheinander hinzugefügt werden. Bargatin vergleicht sie mit einem einfachen Schmuckstück.
„Genauso wie man immer mehr Perlen an eine längere Halskette anfügen kann, kann man auch die Verbindungsstücke verlängern, indem man Knoten hinzufügt“, sagte er.
Das Sonnenlicht selbst würde dazu beitragen, das System richtig auszurichten. Der stetige, sanfte Druck der Photonen – bekannt als solarer Strahlungsdruck – würde auf die Dünnschicht-Solarzellen wie der Wind auf eine Wetterfahne wirken.
„Wir nutzen Sonnenlicht nicht nur als Energiequelle, sondern auch als Teil des Steuerungssystems“, fügte Bargatin hinzu. „Der Sonnendruck ist sehr gering, aber durch die Verwendung von Dünnschichtmaterialien und die leichte Neigung der Paneele zu den Computerkomponenten können wir diesen Druck nutzen, um das System in die richtige Richtung auszurichten.“
In Computersimulationen könnte eine einzelne, verankerte Struktur sich über mehrere oder sogar Dutzende Kilometer erstrecken und bis zu 20 Megawatt Rechenleistung bereitstellen – etwa die Leistung eines mittelgroßen Rechenzentrums auf der Erde. Anstelle einer einzigen riesigen Anlage ist die Vision ein Ring aus modularen Systemen, der den Planeten umkreist.
„Stellen Sie sich einen Gürtel dieser Systeme vor, der den Planeten umspannt“, fügte Bargatin hinzu. „Anstelle eines einzigen riesigen Rechenzentrums gäbe es viele modulare Systeme, die zusammenarbeiten und kontinuierlich mit Sonnenlicht betrieben werden.“
Die Idee entsteht vor dem Hintergrund des Wettlaufs von Unternehmen und Regierungen um den Ausbau der KI-Infrastruktur. Das Training und der Betrieb großer KI-Modelle erfordern enorme Mengen an Strom, und viele bodengebundene Rechenzentren verbrauchen zudem große Mengen Wasser zur Kühlung. Weltraumgestützte Systeme, die direkt mit Sonnenenergie betrieben werden, könnten diese Belastung verringern, insbesondere bei der KI-Inferenz – dem Prozess der Beantwortung von Nutzeranfragen mithilfe bereits trainierter Modelle.
Bargatin argumentiert, dass viele der aktuellen Konzepte für orbitale Rechenzentren entweder zu klein sind, um eine Rolle zu spielen, oder zu komplex, um sie zu realisieren.
„Das Problem ist, dass diese Designs schwer skalierbar sind“, sagte er. „Wenn man auf Konstellationen einzelner, unabhängig voneinander fliegender Satelliten setzt, bräuchte man Millionen davon, um wirklich etwas zu bewirken.“
Andere Vorschläge sehen riesige, starre Strukturen vor, die robotisch im Orbit montiert werden. Dafür wären jedoch Fertigungs- und Einsatzkapazitäten erforderlich, die in dem notwendigen Umfang noch nicht existieren. Der Entwurf der Universität Pennsylvania verfolgt einen Mittelweg und nutzt bereits gut erforschte Verbindungsseile, Solarpaneele und optische Kommunikationsverbindungen.
Die Forscher mussten sich auch mit einer der harten Realitäten des Weltraums auseinandersetzen: dem ständigen Einschlag von Mikrometeoriten und winzigen Trümmerteilen, die mit hoher Geschwindigkeit durch den Weltraum rasen.
Mitautor Jordan Raney, außerordentlicher Professor am Institut für MEAM, merkte an, dass sich das Team weniger auf die Verhinderung von Kollisionen konzentrierte, sondern vielmehr darauf, wie sich die Struktur nach einem Aufprall verhalten würde.
„Es geht nicht darum, Auswirkungen zu verhindern“, sagte Raney in der Pressemitteilung. „Die eigentliche Frage ist, wie das System reagiert, wenn sie eintreten.“
Mithilfe von Simulationen modellierten Raney und die MEAM-Doktorandin Dengge „Grace“ Jin, wie sich wiederholte Einschläge im Laufe der Zeit auf die verankerte Struktur auswirken würden. Sie stellten fest, dass ein Mikrometeoriteneinschlag zwar ein kurzes Taumeln oder Verdrehen verursachen kann, die Bewegung sich jedoch entlang der Verankerung ausbreitet und allmählich abklingt.
„Es ist ein bisschen wie bei einem Windspiel“, fügte Raney hinzu. „Wenn man die Struktur stört, beruhigt sich die Bewegung mit der Zeit von selbst. Wir mussten verstehen, wie lange dieser Prozess dauern würde, um sicherzustellen, dass das Rechenzentrum auch bei mehreren Einschlägen stabil bleibt.“
Das Design beinhaltet auch Redundanz.
„Jeder Knotenpunkt wird von mehreren Verbindungskabeln gehalten“, fügte Raney hinzu. „Selbst wenn also ein Verbindungskabel durch einen Aufprall durchtrennt würde, würde das System weiterhin funktionieren.“
Eine der größten technischen Herausforderungen ist die Wärmeabfuhr. Auf der Erde nutzen Rechenzentren Luft- oder Flüssigkeitskühlung, um die Wärme von den Prozessoren abzuführen. Im Weltraum gibt es keine Luft, daher kann die Wärme nur durch Infrarotstrahlung abgeführt werden. Das Konzept der Universität Pennsylvania beinhaltet zwar Radiatoren, doch das Team möchte diese verbessern und leichte, robuste Designs entwickeln, die der intensiven und kontinuierlichen Belastung durch KI-Berechnungen standhalten.
Das System ist nicht dafür ausgelegt, alle Aufgaben der KI zu bewältigen. Der Transport riesiger Trainingsdatensätze in den und aus dem Orbit wäre langsam und teuer. Stattdessen sehen die Forscher orbitale Rechenzentren als Möglichkeit, die rasant wachsende Nachfrage nach der Ausführung bereits trainierter Modelle zu decken.
„Ein Großteil des Wachstums im Bereich der KI resultiert nicht aus dem Training neuer Modelle, sondern aus deren wiederholter Anwendung“, fügte Bargatin hinzu. „Wenn wir diese Inferenz im Weltraum unterstützen können, eröffnet das einen neuen Weg zur Skalierung von KI mit geringeren Auswirkungen auf die Erde.“
Der nächste Schritt für das Team besteht darin, über Simulationen hinauszugehen und einen kleinen Prototyp mit einer begrenzten Anzahl von Knoten zu bauen, um zu testen, wie sich die kabelgebundene Architektur in der Praxis verhält.
Die Arbeit, veröffentlicht in arXiv und präsentiert auf der 2026 American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SciTech ForumDies lässt vermuten, dass eine Zukunft, in der einige der fortschrittlichsten KI-Systeme der Welt weit über unseren Köpfen laufen, keine Science-Fiction mehr sein könnte, sondern eine erreichbare technische Herausforderung.
Quelle: School of Engineering and Applied Science der Universität von Pennsylvania