Wie man Daten auf dem Mars speichert

Das Speichern von Daten im Weltraum ist kein Spaziergang! Es gibt große Unterschiede zwischen der Nutzung von Computern auf der Erde und dem Betrieb auf einem anderen Planeten oder auch einfach nur im Weltraum. Glücklicherweise haben uns ein paar sechsrädrige Freunde geholfen zu verstehen, wie das alles dort funktioniert. Schnallen Sie sich also an, wenn wir herausfinden, wie man Daten auf dem Mars speichert und machen Sie eine Reise in das Leben der Rover-Fahrzeuge, die sich derzeit auf der Marsoberfläche befinden.

Mars Rover Typen

Bisher gab es vier erfolgreiche NASA-Mars-Rover-Missionen. Wie Sie auf dem unteren Foto sehen können, ist der kleinste Rover ganz vorne der Sojourner (1997), der mittelgroße Rover links ist das sogenannte Spirit/Opportunity Design (2004) und der größte Rover rechts ist die Curiosity (2011).

Opportunity machte kürzlich Schlagzeilen, als die NASA nach 15 Jahren den Kontakt zu diesem Rover verlor – Ruhe in Frieden! Sein Schwester-Rover, die Spirit, war im März 2010 faktisch im Sand gestrandet und hatte sich dabei festgefahren.

Curiosity ist der letzte überlebende Rover auf dem Mars und hat etwa die Größe eines Kleinwagens. Er kam im August 2012 auf den Mars an und ist im Jahr 2019 immer noch in Betrieb!

Die Wahl des richtigen Speichermediums

Jede Computerhardware, die im Weltraum eingesetzt wird, muss robust und flugtolerant sein, um den Aufstieg von der Erde zu überstehen und durch den luftleeren Weltraum zu reisen. Anschließend muss der jeweilige Mars-Rover auch den Anflug, die Landung und den täglichen Betrieb überleben, wenn er es zum Mars geschafft hat.

Abgesehen davon, dass sichergestellt ist, dass die Datenspeichervorrichtung mit den Vibrationen des Starts und der Landung umgehen kann, gibt es noch andere wichtige Faktoren zu berücksichtigen und zudem einzigartige Herausforderungen bei jeder Art von Speicherung.

Zum Beispiel funktionieren Festplatten (HDDs) nicht im Vakuum des Weltraums, da sie Luft benötigen, um korrekt zu funktionieren (mehr dazu in einem zukünftigen Beitrag). Es ist zwar möglich, mit Druckluft versiegelte Behälter zu verwenden, um Festplatten für Systeme und Experimente im Weltraum (wie auf der Internationalen Raumstation oder den Space Shuttles) zu nutzen, allerdings ist ein solches System jedoch komplexer und erhöht die Komplexität.

Space Shuttles als Datenspeicher für verschiedene Computerfunktionen eingesetzt. Tatsächlich benutzten viele der frühen interplanetaren Missionen Magnetbandmedien (Tape), um Daten zu speichern, wie beispielsweise die Sonden Galileo (1989) und Magellan (1989), die zu Jupiter bzw. der Venus geschickt wurden. Das Problem mit dem Magnetband ist jedoch, dass es viel Platz braucht; fast 2 km Magnetband wurden auf diesen frühen Raumfahrzeugen verwendet, um eine Datenspeicherkapazität von nur 2 GB zu erreichen!

Also, was ist mit den Solid State Drives (SSDs)? Nun, es gab tatsächlich viele Weltraummissionen, die bereits SSDs verwendet haben, darunter der Mars Global Surveyor (1996), die Cassini (1997) und die New Horizons (2006). SSDs sind kompakt, robust im Design und haben nicht die Nachteile von Festplatten und Tapemedien. Außerdem haben sie eine bessere Gesamtleistung, was bedeutet, dass sich SSDs als die sinnvollste Option zur Datenspeicherung in modernen interplanetaren Raumfahrzeugen auszeichnen.

Datenspeicherung auf dem Mars

SSDs scheinen also der Speicher der Wahl zu sein, aber das ist erst der Anfang! Eine der größten Herausforderungen bei der Speicherung von Daten auf dem Mars sind die rauen Umweltbedingungen, sowohl an der Oberfläche als auch auf der Reise durch den Weltraum, um überhaupt erstmal dorthin zu gelangen. Glücklicherweise gibt es auf dem Mars kein fließendes Wasser, so dass unwahrscheinlich ist, dass ein Rover Wasserschäden erleidet. Allerdings ist der Temperaturbereich ein sehr wichtiger Faktor, der hier zu berücksichtigen ist.

Die meisten modernen Datenspeichergeräte haben eine Reihe von optimalen Bedingungen, unter denen sie für den Betrieb in diesen Geräten ausgelegt sind. Eine durchschnittliche SSD ist beispielsweise für einem normalen Betrieb im Temperaturbereich von -40⁰C bis +85⁰C ausgelegt.

Das ist natürlich in Ordnung für Ihren PC oder Laptop beim Betrieb hier auf der Erde, aber was ist mit dem Mars? Nun, die Durchschnittstemperatur auf dem Mars liegt bei etwa -63⁰C, schwankt zwischen etwa -140⁰C nachts bis +20⁰C tagsüber je nach Standort, was eine enorme Temperaturdifferenz im Vergleich zu ist dem, was wir normalerweise auf der Erde erleben! Die Reise zum Mars ist auch ein Problem, da die Temperaturen im Weltraum von -273⁰C in den kältesten Regionen bis zu 120⁰C variieren können, wenn ein Raumschiff sich zur Sonnenseite dreht.

Um alles an Bord der Rover klimatechnisch auf der sicheren Seite zu halten, verwendet die NASA ein spezielles Thermokontrollsystem sowie eine Reihe von Klimaanlagen und Heizgeräten, um die Temperatur des Innenraums des Rovers zu regeln, sowohl bei der Reise zum Mars als auch bei seiner Ankunft.

Denken Sie daran, Sonnencreme aufzutragen

Neben der Temperatur ist die Strahlung jedoch die andere Hauptgefahr, die jeder Mars-Rover oder auch ein Raumschiff überwinden muss. Dies gilt neben dem Einsatz strahlungsgehärteter CPUs auch für die Datenspeicher selbst.

NAND-Flash-SSDs, die in den Mars-Rovern verwendet werden, sind zwar strahlungstolerant, aber sie sind nicht völlig immun dagegen, daher ist es sehr wichtig, sicherzustellen, dass verschiedene Techniken verwendet werden, um die SSDs vor Schäden zu schützen. Beispiele dafür sind die richtige Abschirmung des Rover-Körpers, in dem sich die Elektronik befindet, sowie eine ausreichende Menge an Redundanz und Fehlererkennung, die im Flash-Speicher intern verwendet wird.

Tatsächlich verfügt der sogenannte Memory Allocator, also der spezielle Speicherzuordnungsprozess des Curiosity Rovers über eine eigene integrierte Diagnosefunktion, die dabei eine Liste des gesamten Speicherverbrauchs erstellt und dabei alle Probleme im Auge behält. Wenn es aufgrund von Verschleiß zu Speicherabbau kommt, kann damit das Team der NASA das Problem beheben. Dazu später mehr!

Vergleich von Computersystemen

Hier unten auf der Erde haben wir den Luxus von Computersystemen mit vielen Terabyte an Festplattenspeicher und RAM. Die Systeme für die Marsrover müssen jedoch nur leistungsfähig genug sein, um die für ihre Missionen spezifischen Befehle auszuführen, weshalb sie einfach nicht so viel Speicherplatz und Rechenleistung benötigen.

Da der Entwicklungsprozess für die Spirit- und Opportunity Rover bereits im Jahr 2000 begann, beschränkte sich auch der verwendete Datenspeicher auf die damals verfügbare Technologie. Lassen Sie uns für einen Moment etwas technisch werden und einen schnellen Vergleich der Rechenleistung und Datenspeichertechnologien zeigen, die seit 1997 in der NASA-Flotte der Marsrover eingesetzt werden:

Witzige Ergänzung: Der Curiosity Rover verwendet den strahlungsgehärteten RAD750 CPU-Chip, der jeweils rund 200.000 Dollar kostet! Diese Chips sind Teil der PowerPC 750 Familie und basieren auf den gleichen Chips, die seit Mitte der späten 90er Jahre im Apple PowerBook G3, iBook und mehreren anderen Macs verwendet wurden.

Zusätzlich zu seinem Hauptcomputerspeicher verfügt Curiosity auch über ein separates 8 GB Flash-Speichergerät für jeden seiner beiden nach vorne gerichteten Kameramasten. Das ist genug Storage, um viele Fotos und Videos von der Mars-Landschaft zu machen!

Immer ein Backup dabeihaben

Sowohl die Curiosity als auch die Spirit/Opportunity Rover verwendeten RAM mit Fehlererkennung und -korrektur, aber Curiosity unterscheidet sich insofern von den anderen Mars-Rovern, da er der einzige ist, der gleich zwei identische Computer an Bord hat. Für den Betrieb des Rovers wird immer nur ein Computer verwendet, so dass der zweite, redundante Computer als Backup zur Verfügung steht, falls mit dem ersten etwas schiefgehen sollte.

Das ist auch gut so, denn wenn Sie 225 Millionen Kilometer weit entfernt sind (durchschnittlich), ist es nicht gerade möglich einfach mit der Werkzeugkiste zum Mars zu gelangen und Ontrack hat leider auch kein Datenrettungslabor auf dem Mars... zumindest nicht zum Zeitpunkt wo dieser Artikel geschrieben wurde!

Sobald der Rover die Erde verlassen hat, ist die einzige Möglichkeit, Probleme per Satellitenkommunikation zu beheben, was bedeutet, dass alle physischen Probleme mit dem Rover in der Regel nicht mehr zu lösen sind. Ingenieure müssen sich daher im Voraus auf alle Eventualitäten vorbereiten und sich einfach auf logische Lösungen verlassen, um Probleme zu umgehen.

Der Umgang mit einem Flash-Speicherausfall

Wie jede Art von Datenspeichergerät wird es irgendwann einmal in Zeit (und Raum) ausfallen. Beispielsweise haben SSDs nur einen begrenzten Breeich, wo sie beschrieben werden können, bevor sie sich zu verschlechtern beginnen. Da Flash-Speicher in den Computersystemen der Mars-Rover verwendet wird, wäre es nur eine Frage der Zeit, bis der Speicher vollständig abgenutzt und der Rover damit völlig inoperabel gemacht würde.

Im Jahr 2011 begann Opportunity erstmals Fehler beim Schreiben in seinen Flash-Speicher zu machen, wobei der Rover dann in der Folge unter "Amnesie"-Ereignissen litt, bei denen Daten komplett verloren gingen. Die NASA schaffte es schließlich, das Problem zu lokalisieren, nachdem es 2014 immer wieder aufgetreten war. Da eine der Flash-Speicher-Bänke nicht mehr korrekt funktionierte, was in der Konsequenz bedeutete, dass Opportunity oft nicht mehr auf ihren nichtflüchtigen Flash-Speicher zugreifen konnte, um Informationen zu speichern. In diesem Fall speicherte der Rover stattdessen automatisch Daten in seinem flüchtigen RAM, der dann in der Folge gelöscht wurde, sobald der Rover wie jede Nacht ausgeschaltet wurde.

Mehrere fehlgeschlagene Versuche, auf den Flash-Speicher zuzugreifen, führten zu einem weiteren Neustart. Die Sequenzen von Befehlen und Anweisungen, die vom Team auf der Erde gesendet wurden, wurden dadurch unterbrochen, was die Bedienung des Rovers erschwerte. Was die NASA zu diesem Thema im Jahr 2014 zu sagte:

"Angesichts der anhaltenden Flash-Speicherprobleme auf dem Rover hat sich das Projekt dafür entschieden, den Rover ohne Verwendung des nichtflüchtigen Flash-Speichersystems zu betreiben und stattdessen auf den flüchtigen Direktzugriffsspeicher (RAM) für die Zwischenspeicherung von Telemetrie- oder Roverdaten zu setzen. Längerfristig wird das Projekt eine Strategie implementieren, um den problematischen Sektor von Flash abzudecken und die Nutzung des restlichen Flash-Dateisystems im Normalbetrieb wiederaufzunehmen."

Durch die ferngesteuerte Neuformatierung und Neuprogrammierung des Flash-Speichers war das Team in der Tat in der Lage, die defekte Speicherbank zu umgehen, um das Flash-Datenspeichersystem wieder in Betrieb zu nehmen, wenn auch mit weniger Kapazität als zuvor. Aber erfolgreich!

Noch mehr Speicherprobleme

Leider war dies nicht das letzte Mal, dass ein Mars-Rover einen speicherbasierten Fehler hatte. In jüngster Zeit hatte der Curiosity Rover ebenfalls Probleme mit dem Flash-Speicher, die behoben werden mussten. Wie bereits erwähnt, wurde Curiosity jedoch mit zwei identischen Computern ausgestattet, so dass sie im Falle eines Problems weiterarbeiten kann.

Diese Vorausschau erwies sich 2013 von unschätzbarem Wert, als das Team der NASA gezwungen war, auf den redundanten "Backup"-Computer von Curiosity umzusteigen, als der Hauptcomputer einen Fehler hatte, so dass der Rover nicht richtig gesteuert werden konnte und die Batterien nicht mehr geladen werden konnten. Die NASA hat das Problem in ähnlicher Weise angegangen, wie sie es bei der Opportunity behoben hatten; der schlechte Teil des Speichers wurde identifiziert und unter Quarantäne gestellt (also abgetrennt), so dass der Computer wieder ordnungsgemäß verwendet werden konnte. Dies bedeutet allerdings wiederum, dass dabei ein Teil der Speicherkapazität verloren ging.

Dann, im September 2018, führte ein ähnlicher Fehler am anderen, bisher gesunden Computer dazu, dass naturwissenschaftliche und technische Daten nicht richtig gespeichert werden konnten. Als Zwischenlösung wurde der Rover wieder auf den gleichen Computer umgestellt, der 5 Jahre zuvor Probleme hatte, und in der Zwischenzeit versuchten die Ingenieure zu diagnostizieren, was diesmal schiefgelaufen  war und wie man das Problem beheben konnte.

Witzige Anmerkung: Wenn Daten der Curiosity zur Analyse zurück zur Erde heruntergeladen werden, ist ein Dump der Flash-Speicherkarte enthalten. Wenn also irgendwelche Probleme mit dem Speicher auftreten, wird eine "Papierspur" erstellt. Diese Rückverfolgbarkeit ermöglicht es dann, die Ursache für speicherbasierte Fehler zu finden und von den Ingenieuren leichter untersucht zu werden.

Leider ist es nur eine Frage der Zeit, bis der Flash-Speicher des Rovers irgendwann komplett ausfällt. Aber bis dahin fährt die Curiosity als einziger einsatzfähiger Rover auf der Marsoberfläche und schickt fantastische Fotos wie dieses zurück:

Bonussektion: Betriebssystem

Für die Technikbegeisterten unter uns ist ein weiterer interessanter Aspekt des Mars Rover Designs das verwendete Computer-Betriebssystem (OS). Wenn Sie einen Mars-Rover bauen, reicht es nicht aus, nur ein Windows- oder Mac OS zu verwenden, wegen der besonderen Anforderungen des Raumfahrtbetriebs. Stattdessen verwenden die meisten Mars-Rover einen proprietären Typ eines eingebettetem Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) namens VxWorks, das hauptsächlich in Weltraum- und Verteidigungs-/Militäranwendungen eingesetzt wird.

Ein RTOS wurde speziell entwickelt, um Leistung und Zuverlässigkeit zu priorisieren. Einfach ausgedrückt, funktioniert es, indem es eine Aufgabe in kürzerer Zeit ausführt, als es für das Starten einer anderen Aufgabe (vom gleichen Typ) erforderlich ist. VxWorks ist auch ein sogenanntes "hartes" RTOS, d.h. es eignet sich für den Einsatz bei zeitkritischen Anwendungen, bei denen es zwingend erforderlich ist, dass eine Rechenaufgabe immer pünktlich und fehlerfrei erledigt wird.

Wenn beispielsweise der Mars-Rover angewiesen wurde, in eine bestimmte Richtung zu fahren und dann nach einer bestimmten Zeitspanne (oder Entfernung) den Kurs zu ändern, ist es unerlässlich, dass jede Aktion oder Aufgabe vom Computer rechtzeitig ausgeführt wird, um zu verhindern, dass der Rover vom vordefinierten Kurs abfährt und möglicherweise auf unsicheres Gelände trifft, das das Raumschiff gefährden könnte.

Im Gegensatz dazu verfügt Ihr durchschnittlicher Windows- oder Mac-Computer oder mobiles Gerät über ein so genanntes "weiches" RTOS, wodurch jede Aufgabe, die Sie durch Klicken/Tippen starten, bearbeitet wird, aber die benötigte Zeit ist kein zwingender Faktor. Wenn Sie beispielsweise ein Dokument oder eine Anwendung öffnen, ist es nicht unbedingt erforderlich, dass es innerhalb eines bestimmten Zeitraums geöffnet wird. Das Betriebssystem Ihres Telefons oder Computers kann festlegen, dass das Laden etwas länger dauert, um etwas Anderes zu priorisieren und damit Vorrang zu geben.

Sie würden es wahrscheinlich nicht bemerken, dass ein Selfie einen Bruchteil einer Sekunde länger braucht, um auf Ihr Handy zu laden, aber eine Verarbeitungsverzögerung auf einem Rover könnte zu einem weit größeren Problem führen und die gesamte Mission in Gefahr bringen! Einfach ausgedrückt, durch die Verwendung von VxWorks sind Mars-Rover wie Curiosity in der Lage, mehrere Aufgaben gleichzeitig mit einer gemeinsamen Speicherzuweisung auszuführen, mit der Gewissheit, dass alle Aufgaben erledigt werden, wenn sie es sollen.

Mars-Rovers der Zukunft

Der Mars-Rover 2020 ist der nächste in der Reihe für einen geplanten Start und es wird erwartet, dass er die gleiche Computerhardware und Datenspeicherkapazität wie Curiosity hat. Massive Datenspeicher und Rechenleistung werden für die Zwecke der aktuellen Mars-Missionen einfach nicht benötigt. Stattdessen hält die NASA an ihrer bewährten Formel fest, die sie bereits bei Curiosity verwendet hat und bevorzugt letztendlich die Zuverlässigkeit gegenüber allem anderen Faktoren.

Eine interessante Information, die Sie hier erfahren: Der Mars 2020 Rover wird als erster mit Mikrofonen ausgestattet sein, die es ihm ermöglichen, die Geräusche der Mars-Umgebung aufzunehmen. Der Rover speichert diese Audiodateien in seinem Flash-Speicher und sendet die Daten zurück zur Erde, sodass wir hören können, wie es klingt, auf der Marsoberfläche zu stehen. Wenn David Bowie noch leben würde, könnte man darauf wetten, dass man ein Sample des Sounds in einem seiner Songs hören würde!

Damit ist unsere Analyse der Datenspeichertechnologien auf den Mars-Rover abgeschlossen und wie man erfolgreich Daten auf dem Mars speichert. Wir hoffen, dass Sie ein besseres Verständnis dafür gewonnen haben, wie diese Technologien funktionieren und wie sie sich von unseren üblichen Computergeräten hier auf der Erde unterscheiden. Es mag einige Zeit dauern, bis der Mensch schließlich wirklich den Mars betritt, aber die Rover wie Curiosity erweitern bereits heute unser Wissen darüber, was möglich ist, wenn es darum geht, Technologie auf einem anderen Planeten zu betreiben und damit auch die damit verbundenen endlosen Herausforderungen.

Wenn Sie mehr über die Mars-Rover erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen die folgenden Ressourcen:

NASA: Mars Curiosity Overview

CppCon 2014: C++ on Mars: Incorporating C++ into Mars Rover Flight Software

Chaos Computer Club 2018: 35C3 - The Mars Rover On-board Computer

Scott Manley: NASA Stops Trying to Wake Mars Opportunity After It Remains Silent