Erdbeobachtung ist nur ein Beispiel für den wachsenden Bedarf an leistungsfähiger Datenverarbeitung an Bord von Nanosatelliten. Überall dort, wo komplexe Sensordaten direkt an Bord ausgewertet werden sollen, stoßen konventionelle Prozessoren an ihre Grenzen. Strahlung, Bauraum, extreme Temperaturen und knappes Energiebudget machen klassische, elektronische Datenverarbeitung zur Herausforderung. Bei großen Datenmengen ist auch der Transfer zur Erde eine limitierte Ressource.

Das Projekt OMLO2, Optical Computing for Machine Learning in Orbit 2, verfolgt einen radikal anderen Ansatz. Statt mit elektrischen Signalen soll mit Licht gerechnet werden. Die mathematische Grundlage moderner KI sind Vektor-Matrix-Multiplikationen, die insbesondere in neuronalen Netzen und Faltungsnetzwerken zum Einsatz kommen. Optische Prozessoren können diese Operationen durch gezielte Abschwächung und Überlagerung von Lichtstrahlen passiv und mit extrem geringem Energieverbrauch ausführen. Hinzu kommt eine natürliche Unempfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung, die im Orbit herkömmliche Chips schädigt.

Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt OMLO geht OMLO2 den nächsten entscheidenden Schritt. In OMLO wurden Modulation, Berechnung und Auslesen der optischen Daten noch mit Laborequipment umgesetzt. In OMLO2 wurde der Aufbau miniaturisiert und die Funktionen werden nahezu vollständig von einer speziell entwickelten Payload übernommen. Damit wurde erstmals ein vollständig geschlossenes System entwickelt. Das optische System, bestehend aus Modulation, Vektor-Matrix-Multiplikation und Dekodierung, ist dabei so konzipiert, dass es perspektivisch um weitere Komponenten wie Sensorik und optische Kommunikation erweiterbar ist.

Parallel erkundet das Projekt die Grenzen des physikalisch Möglichen. Wie wenig Energie braucht ein optischer Rechner mindestens, und lässt sich die Effizienz bis auf das Niveau einzelner Photonen treiben? Diese Frage verbindet klassische Photonik mit den Grundlagen der Quanteninformationsverarbeitung und öffnet langfristig den Weg zu quantenphotonischen Prozessoren im Orbit.

OMLO2 ist ein Gemeinschaftsprojekt von Wissenschaft und nationaler Raumfahrtindustrie. Das langfristige Ziel ist ein rein optisches Bordrechensystem, das Sensoren, Prozessoren und Kommunikation direkt miteinander verknüpft. Ein solches System würde die Möglichkeiten der Satellitentechnik grundlegend erweitern und Deutschland eine Schlüsselrolle bei der nächsten Generation intelligenter Raumfahrtmissionen sichern.

Förderung:

OMLO2 wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des BMFTR gefördert.
Förderkennzeichen: 50RP2410

Veröffentlichungen:

• F. Kübler, M. Yang, L. Mannteuffel, O. Akyüz, J. Wolters, and E. Stoll: “Concept of an in-orbit AI-system based on optical computing”. In: CEAS Space Journal (May 2, 2025). 10.1007/s12567-025-00612-z
• F. Kübler, M. Yang, L. Mannteuffel, O. Akyüz, K. Tschernig, J. Wolters, and E. Stoll:: “From Concept to Prototype: Realizing an in-orbit AI-system utilizing optical computing”. In: CEAS Space Journal (Jan. 1, 2026). 10.1007/s12567-026-00701-7
• F. Kübler et al.: “A high-speed optical AI accelerator for Nanosatellites”. In: 2nd IAA Latin American Conference on Space and Society. Salta, Argentina, June 2026.