Von Dortmund ins Weltall: Wie das Fraunhofer IML die Logistik für den Orbit plant
Produktion, Lager und Reparatur im Orbit brauchen Lieferketten. Fraunhofer-Forscher aus Dortmund sehen darin eine Chance für die deutsche Industrie.
Weltraumlogistik beginnt nicht auf der Startrampe, sondern in Werkhallen und Lagern auf der Erde.
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Foto: Smarterpix/AndreyPopov
Raumfahrt wird zum Industriegeschäft. Doch Raketenstarts allein ergeben noch keine Space Economy. Sobald im Orbit produziert, gelagert, repariert und wiederaufbereitet wird, braucht es Lieferketten. Nach Ansicht von Fraunhofer-Forschern liegt darin eine große Chance für deutsche Industrie – und für die deutsche Logistikbranche.
Denn der Anfang einer Lieferkette ins All liegt nicht auf einer Startrampe. Er kann genauso gut in einer Werkhalle in Deutschland liegen, bei einem Zulieferer, in einem Lager oder auf dem Gelände eines Logistikdienstleisters. Für Prof. Michael Henke und Dr. Axel Schulte vom Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML in Dortmund ist das der entscheidende Punkt. Wer Weltraumlogistik auf Raketenstarts und den Transport von Nutzlasten reduziert, denkt zu kurz.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Weltraumlogistik auf der Erde anfängt
- Mehr als der Flug nach oben
- Raumfahrt muss das Ramp-up lernen
- Die Palette bekommt Raumanzug
- Ein Lager ohne unten und oben
- Der Mondstaub wird zum Maschinenproblem
- Tankstelle im Orbit
- Wenn die Kapsel zurückkommt
- Deutschlands Chance liegt nicht nur in der Rakete
- Die Autozulieferer könnten schon da sein
- Die entscheidende Frage lautet nicht mehr: Kommt das?
Warum Weltraumlogistik auf der Erde anfängt
„Space Logistics beginnt für uns auf der Erde“, sagt Schulte, zusammen mit Henke verantwortlich für das Thema Raumfahrt-Logistik am Fraunhofer IML. Schon dort müssten Lieferketten entstehen, die eine Raumfahrt ermöglichen, die sich vom Einzelprojekt löst und industrielle Maßstäbe erreicht.
Denn die Branche verändert sich. Jahrzehntelang wurden Satelliten, Raumsonden und andere Systeme weitgehend wie Einzelstücke entwickelt. Künftig sollen größere Serien entstehen. Private Raumstationen, Satellitenkonstellationen, Servicemissionen und möglicherweise Produktionsanlagen im Orbit erhöhen den Bedarf an Material, Ersatzteilen und Transportkapazität. Aus Raumfahrt wird Industrie. Und aus Industrie folgt Logistik.
Mehr als der Flug nach oben
Henke beschreibt Space Logistics deshalb als Kette, die weit über den eigentlichen Raumtransport hinausreicht. Sie umfasst die Versorgung der Raumfahrtindustrie auf der Erde, den Transport in den Weltraum, Materialbewegungen und Lagerung im Orbit und schließlich auch Rückführungsprozesse. „Wenn im Weltraum Wertschöpfung stattfinden soll, braucht sie genau wie auf der Erde funktionierende logistische Strukturen“, sagt der IML-Institutsleiter.
Heute entsteht ein großer Teil der wirtschaftlichen Nutzung des Weltraums aus Daten. Kommunikations-, Navigations- und Erdbeobachtungssatelliten liefern Informationen, ohne die zahlreiche Prozesse auf der Erde kaum noch funktionieren würden. Doch Henke und Schulte sind sich sicher, dass der physische Teil der Space Economy schnell wachsen wird. Infrastruktur muss gebaut, gewartet und versorgt werden. Raumfahrzeuge könnten betankt, Satelliten repariert und Materialien im Weltraum verarbeitet werden. Dann entstehen klassische Fragen der Logistik an einem ziemlich unklassischen Ort.
Wo werden Ersatzteile gelagert? Wie werden sie identifiziert? Wie gelangt ein benötigtes Bauteil zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort? Wie groß müssen Sicherheitsbestände sein? Wie werden Behälter und Schnittstellen gestaltet? Und wie lässt sich Material bewegen, wenn weder Hallenboden noch Schwerkraft als selbstverständlich vorausgesetzt werden können? „Ohne Logistik wird die Space Economy nicht funktionieren“, sagt Henke. Für ihn ist sie nicht bloß eine unterstützende Dienstleistung. Sie werde vielmehr zu einem Enabler für industrielle Wertschöpfung im Weltraum.
Raumfahrt muss das Ramp-up lernen
Der erste große Einsatzort dieser neuen Weltraumlogistik könnte allerdings überraschend bodenständig sein: die Fabrik. Schulte sieht einen erheblichen Industrialisierungsbedarf bei vielen Raumfahrtunternehmen. Vor allem junge Unternehmen seien technologisch hochinnovativ, ihre Produktion habe vielfach aber noch manufakturähnlichen Charakter.
Solange ein Unternehmen eine einzelne Kapsel oder einen einzelnen Satelliten entwickelt, kann das funktionieren. Sollen daraus zehn, 20 oder Hunderte Systeme werden, ändert sich die Aufgabe. Dann geht es um Ramp-up.
Material muss zuverlässig beschafft werden. Zulieferer müssen größere Mengen liefern. Produktionsflächen sind zu versorgen. Bauteile müssen zum richtigen Zeitpunkt bereitstehen. Bestände wachsen, Materialflüsse werden komplexer und Produktionsschritte müssen miteinander synchronisiert werden. Das sind Probleme, die für die klassische Industrie keineswegs neu sind.
„Der Maschinenbau und die Logistik haben über Jahrzehnte gelernt, wie Produktionssysteme industrialisiert und skaliert werden“, sagt Henke. „Genau dieses Know-how wird die Space-Industrie jetzt brauchen.“ Damit öffnet sich aus Sicht der Dortmunder Forscher ein Markt, der bislang von vielen etablierten Unternehmen noch unterschätzt wird. Denn ein Fördertechnikanbieter muss keine Rakete entwickeln, um Teil der Space Economy zu werden. Ein Logistikdienstleister muss keinen Satelliten besitzen. Ein Automatisierungsunternehmen braucht keine Raumstation.
Sie könnten Technologien und Erfahrungen liefern, die benötigt werden, sobald aus Prototypen Serienprodukte werden.
Die Palette bekommt Raumanzug
Wie nahe sich terrestrische und extraterrestrische Logistik kommen können, zeigt ein Projekt am Fraunhofer IML. Dort arbeiten Forschende an einem intelligenten Ladungsträger für Weltraumanwendungen. Denn eine Europalette aus Holz dürfte kaum das Transportmittel der Wahl sein. Das Prinzip dahinter ist jedoch vertraut.
Ladungsträger standardisieren Abmessungen und Prozesse. Werden sie zusätzlich mit Sensorik und digitaler Identität ausgestattet, ermöglichen sie Automatisierung und Autonomisierung und liefern zusätzlich Daten über Ladung, Zustand und Bewegung. „Wir müssen im Weltraum nicht alles neu erfinden“, betont Schulte. „Wir haben in der Logistik sehr viel Wissen aufgebaut, das sich übertragen lässt.“ Gerade Standards könnten enorm wichtig werden. Auf der Erde haben Container und standardisierte Paletten einen wesentlichen Anteil daran, dass Waren über Unternehmen, Verkehrsträger und Ländergrenzen hinweg vergleichsweise effizient bewegt werden können. Im Weltraum stehen solche Strukturen erst am Anfang.
Wenn verschiedene Raketenanbieter, Raumfahrzeuge, Stationen, Depots und Servicedienstleister miteinander arbeiten sollen, werden kompatible Schnittstellen wichtiger. Ein proprietäres System für jede einzelne Mission funktioniert bei kleinen Stückzahlen – oder wenn ein Anbieter den Markt bereits weitgehend beherrscht. In einer industrialisierten Space Economy kann es aber schnell zum Hindernis werden. Henke sieht darin eine Chance, Fehler der Vergangenheit zu vermeiden: „Wir kennen heute die Wirkung von Standards. Deshalb können wir sie viel früher mitdenken, als das bei vielen terrestrischen Logistiksystemen der Fall war.“
Das könnte zu einem Wettbewerbsvorteil werden. Denn nicht jede Nation muss zwangsläufig selbst die größte Rakete bauen, um eine relevante Position in der Space Economy einzunehmen. Wer Standards prägt, Infrastruktur bereitstellt oder zentrale Teile eines Logistiksystems betreibt, sitzt ebenfalls an einer strategisch wichtigen Stelle der Wertschöpfung.
Ein Lager ohne unten und oben
Noch komplizierter wird es, wenn Lagerhaltung tatsächlich den Boden verlässt. Das Fraunhofer IML beschäftigt sich bereits mit Konzepten für orbitale Lager. Ein solches Warehouse im All ist weit mehr als ein Lagergebäude, das zufällig um die Erde kreist. Schon die elementaren Rahmenbedingungen ändern sich. Auf der Erde sorgt die Schwerkraft dafür, dass ein Behälter dort bleibt, wo er abgestellt wird. Ein Regal hat oben und unten. Ein Fahrzeug fährt auf einem Boden. Im Orbit gelten andere Regeln.
Dazu kommen Strahlung, große Temperaturunterschiede und besondere Anforderungen an Werkstoffe, Sensorik und Elektronik. Der Mensch dürfte deshalb viele Aufgaben gar nicht erst übernehmen können. „Robotik wird eine Schlüsselrolle spielen“, sagt Schulte. Warenbewegungen und Handhabungsprozesse müssten weitgehend autonom ablaufen. Künstliche Intelligenz könne dabei Planung, Steuerung und Reaktion auf ungeplante Situationen übernehmen.
Digitale Zwillinge ergänzen diese Technik. Prozesse lassen sich zunächst auf der Erde modellieren und simulieren, bevor reale Hardware im All zum Einsatz kommt. Gerade weil ein Eingriff im Orbit aufwendig ist, gewinnt Simulation an Bedeutung. Was in einem irdischen Lager bei einem Fehler vielleicht durch einen Servicetechniker korrigiert werden kann, lässt sich einige Hundert Kilometer über der Erde nicht mit einem kurzfristigen Wartungstermin lösen.
Autonomie wird damit vom Produktivitätswerkzeug zur Voraussetzung.
Der Mondstaub wird zum Maschinenproblem
Dabei können scheinbar unscheinbare physikalische Effekte zum technischen Problem werden. Auf dem Mond ist es beispielsweise Regolith. Der feine Mondstaub kann in Mechanik eindringen und technische Systeme beeinträchtigen. Strahlung belastet Elektronik und Software. Andere Gravitationsverhältnisse verändern Bewegungsabläufe.
Ein Roboter, der in einem deutschen Logistikzentrum zuverlässig Kartons handhabt, ist deshalb noch lange kein Mondroboter. „Wir betreiben heute sehr viel Robotikforschung für Anwendungen auf der Erde“, sagt Henke. „Für den Einsatz im Space-Bereich müssen wir jedoch Bedingungen berücksichtigen, die hier häufig keine Rolle spielen.“ Ähnliches gilt für die Energieversorgung.
Solaranlagen im Orbit könnten einen erheblichen Teil der Energie bereitstellen. Doch auch diese Anlagen müssen zunächst gebaut, transportiert, installiert, gewartet und möglicherweise repariert werden. Damit entsteht ein für Logistiker vertrauter Effekt: Jede neue Infrastruktur schafft weiteren Logistikbedarf. Ein Depot braucht Versorgung. Eine Produktionsanlage benötigt Material. Ein Solarpark benötigt Komponenten. Ein Data Center benötigt Technik und Wartung. Je stärker die Space Economy wächst, desto stärker wächst damit ihre logistische Basis und damit der Bedarf an funktionierenden Logistik-Lösungen.
Tankstelle im Orbit
Wie real solche Überlegungen bereits werden, zeigen etwa konkrete Planungen der ESA für Depots im Weltraum. An einem Teilprojekt der ESA zur Verwirklichung dieser Idee ist das Forscherteam vom Fraunhofer IML seit Kurzem beteiligt. Eine mögliche Aufgabe solcher Systeme ist das Betanken von Satelliten oder Raumfahrzeugen. Was bislang überwiegend mit einem festen Treibstoffvorrat startet und nach dessen Verbrauch an das Ende seiner Nutzungsdauer kommen kann, ließe sich dadurch länger betreiben. Für die Logistik wird ein solches Depot zu einem neuen Knotenpunkt. Treibstoff muss transportiert, gelagert und bereitgestellt werden. Schnittstellen sind zu standardisieren. Bestände sind zu planen. Andockvorgänge müssen organisiert werden. Aus einer Mission wird so ein Wertschöpfungsnetzwerk.
Darin unterscheidet sich die industrielle New Space Economy von früheren Raumfahrtprogrammen. An die Stelle einzelner, weitgehend isolierter Projekte könnten zunehmend miteinander verbundene Systeme treten.
Für Henke ist diese Entwicklung näher, als viele Unternehmen glauben. Er hält Zeiträume von drei bis fünf Jahren für einzelne technologische Fortschritte für realistisch. Innerhalb von fünf bis zehn Jahren könnten deutlich mehr sichtbare Anwendungen entstehen. „Wir reden hier nicht mehr nur über Science-Fiction“, sagt er.
Wenn die Kapsel zurückkommt
Ein weiterer Treiber für neue Lieferketten ist die Wiederverwendbarkeit. SpaceX hat vorgemacht, welche Wirkung wiederverwendbare Raketenstufen auf Startfrequenzen und Kosten haben können. Andere Unternehmen verfolgen ähnliche Ansätze bei Raumfahrzeugen und Transportkapseln. Für Logistiker beginnt die interessante Arbeit nach der Landung.
Ein zurückgekehrtes System muss geprüft werden. Verschlissene Komponenten werden ausgetauscht. Ersatzteile müssen vorhanden sein. Wartungsarbeiten sind zu koordinieren und anschließend muss das Fahrzeug möglichst schnell wieder einsatzbereit sein. Refurbishment wird damit zum Teil der Space Logistics – und das nicht nur auf der Erde, sondern auch im Orbit.
„Wiederverwendbarkeit ist der Schlüssel für die effiziente, nachhaltige und profitable Nutzung des Weltraums. Ein Flugzeug würde man auch nicht nach einem Flug aus dem Betrieb nehmen. Und die sind deutlich günstiger wiederzubeschaffen als ein Raumfahrzeug. Wiederverwendbarkeit funktioniert aber nur, wenn wir die Systeme effizient und schnell zurück in den Betrieb bekommen“, sagt Schulte. „Dafür braucht man Lager, Ersatzteile, Planung und funktionierende Supply Chains.“ Die Parallele zur Kreislaufwirtschaft auf der Erde ist offensichtlich.
Statt teure Systeme nach einer Mission abzuschreiben, sollen Komponenten wiederverwendet, instandgesetzt und erneut eingesetzt werden. Auch hier entstehen Geschäftsmöglichkeiten weit entfernt vom eigentlichen Raketenbau. Ersatzteillogistik, Condition Monitoring, Wartungsplanung, Sourcing und Reparatur könnten zu eigenständigen Teilen der Wertschöpfung werden.
Deutschlands Chance liegt nicht nur in der Rakete
Im internationalen Raumfahrtgeschäft ist Europas Position schwierig. Die USA verfügen über eine enorme kommerzielle Dynamik. China investiert stark, weitere Staaten bauen ihre Fähigkeiten aus. Henke hält es deshalb für wenig sinnvoll, in Europa ausgerechnet dort einen Wettbewerb führen zu wollen, wo andere bereits einen erheblichen Vorsprung besitzen. „Wir müssen Felder besetzen, in denen wir besondere Kompetenzen haben und andere heute noch nicht aktiv sind“, sagt er. „Logistik gehört allen voran dazu.“
Deutschland habe über Jahrzehnte leistungsfähige Produktions-, Automatisierungs- und Logistiksysteme entwickelt. Dieses Wissen müsse nun in die Space Economy übertragen werden. Dabei warnen beide Forscher vor zu kleinteiligem Denken. Ein Wettbewerb zwischen einzelnen deutschen Raumfahrtstandorten helfe international wenig. Entscheidend sei eine europäische Perspektive. „Wir werden nur dann eine relevante Rolle spielen, wenn wir Kompetenzen bündeln“, sagt Schulte.
Auch Kooperationen mit den USA bleiben aus seiner Sicht sinnvoll und notwendig. Gerade beim Zugang zum Weltraum wird Europa auf absehbare Zeit nicht unabhängig agieren können. Strategische Eigenständigkeit bedeute deshalb nicht, alles selbst tun und herstellen zu müssen. Wichtiger sei die Frage, an welchen Stellen einer neuen Wertschöpfungskette Europa unverzichtbare Fähigkeiten aufbauen kann.
Die Autozulieferer könnten schon da sein
Für klassische Industrieunternehmen wird das interessant. Viele Technologien, die für eine industrielle Space Economy benötigt werden, existieren bereits. Sensoren, Antriebssysteme, Leichtbau, additive Fertigung, Robotik, Software, Automatisierung und Materialflusstechnik gehören nicht exklusiv zur Raumfahrt. Schulte sieht deshalb Chancen für Unternehmen, die heute beispielsweise als Zulieferer für den Automobil- oder Maschinenbau arbeiten. „In einer wachsenden Space Economy wird letztlich sehr viel gebraucht“, sagt er. „Unternehmen sollten prüfen, welche ihrer vorhandenen Lösungen sich auf diesen Markt übertragen lassen.“ Das gilt auch für Logistikdienstleister.
Wenn Raumfahrtunternehmen ihre Stückzahlen steigern, wachsen zwangsläufig ihre Beschaffungsnetzwerke. Komponenten müssen aus unterschiedlichen Regionen zu Produktionsstandorten gebracht werden. Lieferanten sind einzubinden, Bestände zu steuern und Materialflüsse zu synchronisieren. Der Space-OEM unterscheidet sich an diesem Punkt immer weniger vom klassischen Industrieunternehmen.
Henke wundert sich deshalb über die Zurückhaltung mancher etablierter Logistiker. „Viele sehen Space heute noch als ein Geschäft, das mit ihnen nichts zu tun hat. Dabei können genau diese Unternehmen einen wichtigen Beitrag zur Industrialisierung leisten.“ Wer erst dann einsteige, wenn alle Strukturen vorhanden seien, komme sicher zu spät.
Die entscheidende Frage lautet nicht mehr: Kommt das?
Wie also sieht Weltraumlogistik in zehn Jahren aus? Schulte hält die technische Richtung für weitgehend vorgezeichnet. Es werde mehr Infrastruktur im Orbit geben, mehr Dienstleistungen, mehr automatisierte Systeme und mehr miteinander verbundene Wertschöpfung.
Für ihn liegt die eigentliche Unsicherheit an anderer Stelle. „Die Frage ist nicht, ob diese Entwicklung kommt“, sagt er. „Die Frage ist, welche Rolle wir dabei spielen.“ Henke geht noch einen Schritt weiter. In zehn Jahren sollte Europa diese Frage aus seiner Sicht nicht mehr stellen müssen. Wenn es gelingt, industrielle Kompetenz, Logistik, Forschung und Raumfahrt enger miteinander zu verbinden, könnte Europa einen Teil der neuen Wertschöpfung besetzen.
Vielleicht wird dann eine Raumstation nicht nur danach bewertet, wie viele Menschen sie beherbergen kann oder welche Experimente dort stattfinden. Sondern auch danach, wie gut ihre Materialversorgung funktioniert, wie hoch ihre Bestände sind, ob sich Ersatzteile automatisiert bereitstellen lassen und wie schnell ein Raumfahrzeug nach seiner Rückkehr wieder einsatzfähig wird. Dann wäre die Weltraumlogistik endgültig dort angekommen, wo Logistik auf der Erde schon lange ist: im Hintergrund nahezu jeder industriellen Wertschöpfung. Nur eben einige Hundert bis zigtausende Kilometer weiter oben.
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