Rechenzentren im Orbit: Der CO₂-Plan von NTU Singapore

Orbitale Rechenzentren könnten laut einer neuen begutachteten Analyse mit geringeren Emissionen betrieben werden als die meisten Anlagen auf der Erde.

Indem sie konstantes Sonnenlicht nutzen und Abwärme ins All abgeben, könnten sie den Druck auf Flächen, Wasserressourcen und Stromversorgung verringern.

Ein CO₂-Plan für Rechenzentren im Orbit

Um zu verhindern, dass das Wachstum der Künstlichen Intelligenz die Erde überlastet, betrachteten Forschende Computertechnik außerhalb des Planeten als ingenieurwissenschaftliche Aufgabe statt als bloßes Schlagwort.

An der Nanyang Technological University in Singapore (NTU Singapore) nahm dieser Ansatz konkrete Form an: Dort modellierte ein Forschungsteam klimaneutrale Rechenzentren im Weltraum.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von NTU Singapore skizzierten orbitale Anlagen, die Solarenergie beziehen und ihre Wärme über Infrarotstrahlung abgebende Radiatoren ableiten.

Ihr Entwurf deutet darauf hin, dass der Orbit zentrale Engpässe beseitigen kann, zugleich jedoch neue Herausforderungen bei Starts, Reparaturen und Regulierung schafft.

Warum die Erde an Grenzen stößt

Der Strombedarf belastet die Netze bereits stark; einem Bericht der Internationalen Energieagentur zufolge entfallen auf Rechenzentren etwa 1.5 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs.

Dieselbe Prognose geht davon aus, dass sich dieser Verbrauch bis 2030 durch die zunehmende Verbreitung von Künstlicher Intelligenz und Servern mehr als verdoppeln könnte.

Server wandeln elektrische Energie in Wärme um, und die Kühlsysteme benötigen zusätzlich Strom, um KI-Chips in sicheren Temperaturbereichen zu halten.

Langwierige Genehmigungen und der Ausbau von Stromnetzen können Entwicklerinnen und Entwickler jahrelang ausbremsen und sie dadurch zum Einsatz emissionsintensiver Notstromerzeugung drängen.

Solarenergie jenseits der Erdatmosphäre

Außerhalb der Atmosphäre erhalten Solarmodule gleichmäßigeres Licht, weshalb Orbit-Hardware ohne wetterbedingte Schwankungen Energie erzeugen kann.

Die höhere Sonneneinstrahlung ist relevant, weil die Luft nichts davon absorbiert und dadurch mehr Photonen auf die Oberfläche jedes Panels treffen.

Eine kontinuierliche Stromerzeugung kann den Bedarf an Dieselgeneratoren senken, doch Satelliten durchqueren weiterhin Schattenphasen und müssen Energie speichern.

Große Solaranlagen müssen sich zudem entfalten lassen und über Jahre funktionsfähig bleiben; Haltbarkeit ist daher ebenso entscheidend wie die reine Leistung.

Wie Wärme im All abgeführt wird

Auf der Erde besteht eine der größten Herausforderungen häufig darin, Wärme von den Chips wegzutransportieren, wobei einige Anlagen dafür große Wassermengen verbrauchen.

Im Orbit können Ingenieurinnen und Ingenieure auf Strahlungskühlung setzen – sie geben Wärme als Infrarotlicht in den Weltraum ab –, anstatt Wasser zu verdunsten.

Eine Analyse aus dem Jahr 2021 schätzte, dass ein Cluster mit 40 Megawatt für die Kühlung jährlich 270 Millionen Gallonen Wasser verbrauchen kann, also rund 1,02 Milliarden Liter.

Dieser Wasserbedarf wächst rasch mit der Größe der Anlagen. Eine Kühlung außerhalb der Erde könnte daher belastete Wassereinzugsgebiete schonen, sofern die Emissionen durch Starts begrenzt bleiben.

Datenübertragung aus dem Orbit

Rechenzentren im Orbit müssen Daten zur Erde übertragen; eine Studie der Europäischen Weltraumorganisation behandelte Kommunikationsgrenzen als feste Vorgabe für das Design.

Funkwellen und Lichtstrahlen transportieren diese Daten, weshalb Betreiberinnen und Betreiber an jeder Bodenstation Sichtverbindungen und Wetterbedingungen berücksichtigen müssen.

Da der Orbit Verzögerungen und gelegentliche Verbindungsabbrüche verursacht, bevorzugen Fachleute Aufgaben, die Wartezeiten tolerieren, etwa Trainingsläufe und umfangreiche Bildanalysen.

Echtzeitdienste können auf der Erde verbleiben, während Orbit-Server Arbeiten übernehmen, bei denen die Energieeinsparung die langsamere Rückmeldung aufwiegt.

Modulare Systeme aufbauen

Um über einige wenige Satelliten hinaus zu wachsen, ist modulare Hardware entscheidend, da sich Rechenleistung erweitern lassen soll, ohne die gesamte Plattform neu konstruieren zu müssen.

Rechencontainer können an eine gemeinsame Grundstruktur andocken, die Strom und Kühlmittel verteilt; dadurch bleibt jedes Modul austauschbar.

Technikerinnen und Techniker könnten defekte Einheiten ersetzen und Aktualisierungen starten, sodass sich das System weiterentwickelt, ohne jeden Chip durch den Wiedereintritt zurückbringen zu müssen.

Dieses Potenzial setzt Robotik, standardisierte Andockstellen und gründliche Tests voraus, andernfalls könnten Wartungskosten jeden Energievorteil zunichtemachen.

Zunehmende Gefahren im Erdorbit

Die Baupläne zielen auf den niedrigen Erdorbit in einigen hundert Kilometern Höhe, doch schnell fliegender Weltraumschrott und Strahlung gefährden die Elektronik weiterhin.

Ein Fragment in Größe eines Lacksplitters kann bei Orbitalgeschwindigkeit Löcher schlagen, Kühlmittel austreten lassen und Radiatoren sowie Solaranlagen außer Betrieb setzen.

Geladene Teilchen können außerdem Speicherbits verändern und Schaltkreise beschädigen; Betreiber ergänzen daher Abschirmungen, Fehlerprüfungen und zusätzliche Ersatzteile.

Jede Schutzschicht erhöht Masse und Kosten, während ein unvorsichtiger Ausbau das Problem mit Weltraumschrott für alle Beteiligten verschärfen könnte.

CO₂-Bilanz außerhalb der Erde erfassen

Sauber wirkende Energie im Orbit kann Emissionen über den gesamten Lebenszyklus verdecken – etwa die Umweltbelastung durch Herstellung und Start der Hardware, bevor überhaupt Rechenvorgänge beginnen.

Ein aktueller Beitrag von NTU Singapore plädierte dafür, den CO₂-Ausstoß von Fabriken, Raketen und Bodenstationen einzubeziehen, statt lediglich Stromrechnungen zu betrachten.

Wenn Sonnenlicht die Server versorgt, entstehen die meisten verbleibenden Emissionen bereits im Vorfeld. Wiederverwendung, Reparaturen und lange Nutzungsdauern gewinnen damit an Bedeutung.

Unternehmen werden transparente Berechnungen und externe Prüfungen benötigen, da Kundinnen und Kunden die tatsächlichen Klimavorteile andernfalls kaum bewerten können.

Künstliche Intelligenz im Orbit erproben

Ein Starcloud-Satellit betrieb ein textgeneratives KI-Modell im Orbit und machte aus dem Konzept damit einen praktischen Test.

Das Raumfahrzeug war mit einer Nvidia-H100-Grafikprozessoreinheit ausgestattet, einem Chip für parallele Berechnungen, und erzeugte Antworten direkt an Bord.

„Wir können es abfragen, und es antwortet auf dieselbe Weise, wie es bei einer Chat-Abfrage aus einer Datenbank auf der Erde eine sehr ausgefeilte Antwort liefern würde“, sagte Philip Johnston, Mitgründer und Chief Executive Officer von Starcloud.

Ein einzelner Satellit löst das Skalierungsproblem jedoch nicht; Entwicklerinnen und Entwickler müssen wesentlich größere Systeme starten und im All zusammenbauen.

Wie es im Orbit weitergeht

Orbitale Datenverarbeitung könnte mit intelligenteren Rechenzentren auf der Erde kombiniert werden und Emissionen durch saubere Energie, Wassereinsparungen und bessere Bilanzierung reduzieren.

Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger stehen nun vor Fragen zu Regeln für Weltraumschrott, Datensicherheit und der Verteilung der Vorteile, während Ingenieurinnen und Ingenieure ihre Konzepte über kleine Demonstrationen hinaus beweisen müssen.