Siemens unterstützt das Startup-Unternehmen Space Perspective dabei, AWS-Funktionen zu nutzen, um die Entwicklung des Weltraumtourismus zu beschleunigen

Das Startup-Unternehmen Space Perspective und der AWS-Partner Siemens revolutionieren Simulationsprozesse, um eine innovative und luxuriöse Kapsel für den Weltraumtourismus zu bauen. Durch den Einsatz von Siemens-Lösungen in Amazon Web Services (AWS) hat Space Perspective die Analysezeit für strukturelle, thermische und andere Faktoren, die das Kapseldesign beeinflussen, von einer Woche auf acht bis 12 Stunden reduziert. Space Perspective benötigte eine umfassende Suite von Tools, die die enormen Verarbeitungsanforderungen seiner Modellierung von Computational Fluid Dynamics (CFD) bewältigen konnten. Durch den Einsatz der multiphysikalischen Simulationssoftware STAR-CCM+ in Verbindung mit AWS-Services konnte Space Perspective simultane Simulationen auf AWS durchführen und so viel Zeit und Kosten sparen.

Space Perspective möchte mit seinem Weltraumtourismusfahrzeug zivile Abenteurer in den Weltraum schicken. Mit diesem einmaligen Erlebnis, den blauen Planeten vom Weltraum aus zu sehen, hofft das Unternehmen, den Passagieren eine neue Perspektive auf den Platz der Menschheit im Universum zu bieten. In einer luxuriösen und äußerst komfortablen Druckkapsel, die an einem großen Weltraumballon hängt, steigen acht Personen und ein Pilot mit 19 Kilometern pro Stunde sanft durch die Atmosphäre. Die Passagiere schweben zwei Stunden lang auf 30 480 Meter Höhe und beobachten die Krümmung der Erde, bis es Zeit für den sanften, allmählichen Abstieg ist. Die Kapsel landet im Meer, wo ein Bergungsschiff die Passagiere empfängt, um ihre Reise abzuschließen. 

Im Gegensatz zu Raumfahrzeugen gibt es keine Trennung zwischen Kapsel und Fahrzeug. Die Kapsel im Schiff und der Ballon bleiben während des gesamten Fluges intakt. Diese Art von Dynamik stellt Space Perspective vor eine dreifache Herausforderung: Wie wird die Kapsel während ihres Aufstiegs in den Weltraum funktionieren, wie wird die Kapsel funktionieren, nachdem sie die maximale Reiseflughöhe im Weltraum erreicht hat, und wie wird die Kapsel während ihres Abstiegs zur Erde funktionieren, der eine weiche Wasserlandung beinhaltet? Das Projekt erfordert robuste Analysen, um die komplexen Belastungen und die CFD einer sechsstündigen Rundreise zu ermitteln, die Reisen durch Luft, Weltraum und Wasser beinhaltet und gleichzeitig eine sichere und komfortable Umgebung für die Passagiere gewährleistet. „Wir müssen verstehen, wie sich das Fahrzeug in all diesen unterschiedlichen Umgebungen verhält, damit wir es so konstruieren können, dass es sicher und effektiv funktioniert“, sagt Taber MacCallum, Co-CEO und Chief Technical Officer bei Space Perspective. „Deshalb ist unsere analytische Belastung so hoch.“ 

Space Perspective erkannte schnell, dass die Durchführung von analytischen Belastungen On-Premises in Bezug auf Kosten und Zeit unerschwinglich war. Um die Markteinführung zu beschleunigen und seine Simulationsmöglichkeiten zu erweitern, wandte sich Space Perspective an Siemens Digital Industries Software, einen AWS-Partner, der Unternehmen bei ihrer digitalen Transformation unterstützt. Die Aufgaben, mit denen Space Perspective konfrontiert wurde, erforderten den Einsatz möglichst vieler virtueller Tools und den Verzicht auf teure Prototypen. Im August 2021 übernahm Space Perspective die Softwarelösungen für Startups von Siemens und begann kurz darauf mit Simulationen mit AWS. Das Unternehmen nutzt das Xcelerator-Portfolio von Siemens, ein umfassendes und integriertes Portfolio an Software, Services und einer Anwendungsentwicklungslösung, die Benutzern hilft, ihre eigenen Anwendungen zu erstellen. „Es handelte sich um eine strategische Entscheidung darüber, ob wir CFD verwenden würden, um diese Fragen überhaupt zu beantworten“, sagt MacCallum. „Ohne die Kombination von Siemens und AWS wären wir diesen Weg auf keinen Fall gegangen.“

Das Zusammenspiel von Kapsel, Takelage, Ballon und natürlichen Elementen wie Wind und Wellen trägt zu komplexen CFD-Modellen bei, die bis zu mehrere hundert Prozessorkerne gleichzeitig verwenden. Mithilfe von AWS-Lösungen half Siemens Space Perspective bei der Entwicklung umfangreicher Tools der Parallelverarbeitung, mit denen Analysen schnell genug wiederholt werden konnten, um sie als Grundlage für die Konstruktion der Fahrzeugstruktur zu verwenden. Innerhalb des Xcelerator-Portfolios verwendet Space Perspective Simcenter STAR-CCM+, eine von Siemens entwickelte multiphysikalische Simulationssoftware. Mithilfe von STAR-CCM+ konnten Ingenieure Produkte simulieren, die unter realen Bedingungen funktionieren. Das hilft Teams dabei, schneller bessere Designentscheidungen zu treffen und letztendlich die Markteinführung zu beschleunigen. Die multiphysikalische CFD-Modellierung erfordert eine ausgeklügelte Verarbeitung, um effizient zu funktionieren. Daher läuft STAR-CCM+ auf einem Cluster von High Performance Computing der aus einer Sammlung von separaten Servern besteht, die als Knoten bezeichnet werden und über Netzwerkverbindungen mit hoher Bandbreite verbunden sind.

AWS hat kürzlich neue High-Performance-Computing-Services eingeführt, die die Leistung und Skalierbarkeit von CFD-Workloads in AWS verbessern. STAR-CCM+ läuft mit 100 Gbit/s in Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2), die sichere und anpassbare Rechenkapazität für praktisch jeden Workload bietet. Insbesondere verwendet die Anwendung Amazon-EC2-C5-Instances, die kostengünstige, leistungsstarke Rechenleistung zu einem niedrigen Preis-Leistungs-Verhältnis für die Ausführung anspruchsvoller rechenintensiver Workloads bieten. Bisher benötigte Space Perspective für eine einzige Simulation mit einer Million Zellen auf einem lokalen Computer mit acht Kernen etwa einer Woche Laufzeit. 

Mithilfe von High-Performance-Computing-Services von AWS hatte Space Perspective Zugriff auf durchschnittlich 72 Kerne und konnte dieselbe Simulation in durchschnittlich 10 Stunden ausführen. Space Perspective würde Kosten in Millionenhöhe verursachen, wenn das Unternehmen anhand der zahlreichen Simulationen, die es durchführt, physische Prototypen mit jeweils unterschiedlichen Geometrien, Geschwindigkeiten und Formen bauen müsste. Stattdessen spart das Unternehmen erhebliche Kosten, indem es mehrere Simulationen gleichzeitig in AWS ausführt. Die Simulationen helfen Space Perspective dabei, anhand des Best-Case-Szenarios, das sich aus der Analyse ergab, einen Prototyp zu erstellen. „Wir wären nicht in der Lage gewesen, den Zeitplan einzuhalten, wenn wir nicht mehr Rechenleistung für die Analyse bereitstellen könnten“, sagt MacCallum. „Wir haben uns an AWS gewandt, um herauszufinden, wie wir unsere Arbeit parallel verarbeiten können. Und das Projekt ist noch nicht abgeschlossen. Wir sind immer noch dabei, eine Menge analytischer Arbeit zu erledigen.“

Space Perspective arbeitet weiterhin an dem Analyseprozess, um für seine Kunden das sicherste und luxuriöseste Fahrzeug zu entwickeln, das möglich ist. Die Reise vom Land durch die Atmosphäre an den Rand des Weltraums und zurück zur Erde für eine Wasserlandung erzeugt enorme Stressfaktoren für die Kapsel. Durch einen digitalisierten Ansatz modelliert Space Perspective das Verhalten dieser verschiedenen Umgebungen mit hoher Genauigkeit, was Zeit und erhebliche Kosten bei der Entwicklung reduziert. „Es ist eine Strategie und ein Prozess unserer technischen Arbeit, ein Fahrzeug zu entwickeln, das noch nie zuvor hergestellt wurde, um eine Art von Flug zu bieten, der noch nie zuvor angeboten wurde“, sagt MacCallum. „Siemens und AWS helfen uns dabei, unsere Vision für den Weltraumtourismus zu verwirklichen.“