Spirit of Styria

Per Anruf IN DIE GALAXIS

Gerhard Paar von der Forschungsgruppe Intelligent Vision Applications am Institut DIGITAL der JOANNEUM RESEARCH erforscht „an Bord“ von NASA und ESA das All und seine Planeten. Warum die steirische Kompetenz in Sachen Bilddatenverarbeitung weltweit gefragt ist und wieso ein Telefonanruf in den 1990er Jahren heimische Wissenschaftsgeschichte schrieb, lesen Sie hier.

Wenn man schon als Kind nach den Sternen greift, kommt man immerhin bis zum Mars. So oder so ähnlich ging es Gerhard Paar, der sich von klein an für den Weltraum interessierte. „Ich hatte ein Teleskop und las sämtliche populärwissenschaftlichen Bücher, die ich bekommen konnte.“ Das spätere Studium der Technischen Mathematik führte ihn anlässlich der Diplomarbeit an die Joanneum Research (in den 1980ern: Forschungsgesellschaft Joanneum). Thema der Arbeit: Digitale Bildverarbeitung. „Wir beschäftigten uns mit Satellitenaufnahmen und CT-Bildern des menschlichen Körpers – eine damals sehr innovative und komplexe Forschungstätigkeit, weil Hardund Software viel weniger leisten konnten als heute. Ein Computer war zudem teuer, nur am Institut verfügbar und privat nicht leistbar.“

WO KÄLTE UND WÄRME STRÖMEN
Der Laie fragt sich: Was heißt „Bilddatenverarbeitung“ konkret? Paar erklärt: „Jedes Bild besteht aus einzelnen Pixeln, also Bildpunkten. Ein PC mit entsprechen der Software kann diese Bilder bearbeiten, auswerten und interpretieren: etwa den Kontrast verstärken, um Dinge besser erkennbar zu machen, Neues ins Bild zeichnen oder Künstliche Intelligenz zum Einsatz bringen, um Bedeutungen herauszulesen. Das alles ist unser Metier.“ So untersuchten die Grazer Forscher beispielsweise schon vor Jahrzehnten Wärmeströme in der Stadt Graz, die die Thermalkamera eines Satelliten aufgezeichnet hatte. Die unterschiedlichen kalten und warmen Luftströme durch Täler wie die Ragnitz ließen Rückschlüsse auf lokale Umwelteinflüsse und damit verbundene Probleme zu. „Das ist eine typische Anwendung – ich könnte noch Hunderte andere nennen – die uns in der Forschungsgruppe und am Institut DIGITAL beschäftigt.“

DER GRIFF ZUM TELEFONHÖRER
Anfang 1990 knüpfte man erste Kontakte zur europäischen Weltraumorganisation ESA, und zwar anlässlich einer Studie, die sich der automatischen kameragesteuerten Landung von unbemannten Raumsonden auf Himmelskörpern widmete. Weitere Projekte zur Exploration des Weltraumes folgten.
2003 dann der erste echte Milestone: die Landeeinheit „Beagle 2“ der ESA-Mars-Express-Mission, entwickelt unter der Leitung britischer Universitäten. Gerhard Paar griff zu unkonventionellen Methoden, um seinem Team Zugang zum hochkarätigen Projekt zu verschaffen. „Wir wurden noch in der Konzeptphase auf die Mission aufmerksam, mein Chef hatte in der Zeitung davon gelesen.“ Im Vorfeld ritterten zwei Wissenschaftsteams um den Auftrag, den „Lander“ auszurichten: eines aus dem britischen Leicester, das andere aus der Sowjetunion, dem heutigen Russland. „Ich habe recherchiert, wer die jeweiligen Ansprechpersonen sind und ihre Telefonnummern herausgefunden. Dann rief ich sie einfach an und fragte, ob sie unsere Expertise brauchen könnten“, berichtet Paar. Sie konnten, und so fand die steirische Kameraauswertungstechnologie den Weg in die legendäre Mission.
Die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG stellte die nötigen Mittel zur Verfügung. „Es ist nicht leicht, ins internationale Spitzenfeld vorzudringen, und natürlich profitieren alle, wenn wir Österreich gut positionieren.“ Dass „Beagle 2“ zwar erfolgreich auf der Marsoberfläche landete, aber nie Funkkontakt zur Erde aufnahm, tat der Zusammenarbeit keinen Abbruch. „12 Jahre später konnte man über Satellitenbilder nachvollziehen, dass die Sonde eines der Sonnensegel nicht ausfahren konnte und so die Antenne verdeckt blieb.“ Das Problem besteht heute nicht mehr, da nun zumeist Radiothermalaggregate die Segel ersetzen. Sie sind verlässlich und bis zu 50 Jahre widerstandsfähig.

„Ich habe die britischen
bzw. sowjetischen Forschungsteams einfach angerufen und gefragt,
ob sie unsere Expertise brauchen.“

GERHARD PAAR
INSTITUT DIGITAL DER
JOANNEUM RESEARCH

MIT DER NASA ERFOLGREICH Auch die ursprünglich für 2009 geplante, dann für eine Landung 2023 bereits vollständig vorbereitete ExoMars-Rover-Mission unter steirischer Beteiligung scheiterte (vorerst); der Ukrainekrieg machte eine Zusammenarbeit mit dem russischen Missionspartner, der Raumfahrtagentur Roskosmos, unmöglich. Das hochkarätige Netzwerk blieb den Steirern – und wuchs über den Kontinent hinaus: Mars 2020 ist die fünfte Mars-Rover- und erste Helikopter-Mission der NASA auf dem Mars. Joanneum Research ist – FFG-unterstützt – mit „an Bord“, ebenso das Wiener K1-Zentrum VRVis für Virtual Reality und Visualisierung sowie die Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Am 18. Februar 2021 landete die Sonde mit dem Rover Perseverance sowie dem Kleinhelikopter Ingenuity nach 480 Millionen Kilometern und knapp sieben Monaten Flug auf dem roten Planeten.

3D-REKONSTRUKTION 
 aus Stereobildern der Mastcam-Z Kamera von der Boston-Knob-Formation, aufgenommen an den Mars-Tagen ("Sol") 458 und 459 der Perseverance-Mars-Rover-Mission. 
Die eingearbeitete Skalierungsinformation ist wichtig für die Interpretation der Korngrößen und Schichtdicken um z. B. Gesteine mit Spuren allfälligen ehemaligen Lebens auf dem Mars zu identifizieren. 
Im Hintergrund sind die Reste eines ehemaligen Flussdeltas zu erkennen. Das 3D-Modell des Gesteins wurde in ein aus Satellitenbildern erstelltes 3D-Modell der Marsoberfläche eingebettet, um die Situation auf dem Mars möglichst wirklichkeitsgetreu nachzubilden.

AM MARS WANDERN WIE IM PC-SPIEL
Seitdem liefert Perseverance täglich Daten, die Gerhard Paar und sein Team auswerten. Eine wesentliche steirische Kompetenz ist die 3D-Rekonstruktion. So kann der Rover mittels zweier Kameras ähnlich den menschlichen Augen zwar räumlich sehen, diese Perspektive muss von den Wissenschaftern jedoch erst virtuell hergestellt werden. Die NASA profitiert von der jahrelangen Erfahrung der österreichischen Projektpartner auf Gebieten, in denen sie keine gleichwertige Expertise hat. „Wir messen Geometrien wie die Schichtdicke und Erosionsrichtung, wir untersuchen visuell die Festigkeit der Mars-Oberfläche und wann sie im Boden zu rieseln beginnt. Wir helfen, Rückschlüsse auf Tektonik, Vulkantätigkeit, Meteoriteneinflüsse und ein früheres Vorhandensein von Wasser zu ziehen. Das alles stellen wir auf vielen verschiedenen Skalen, in Auflösungen vom Zehntelmillimeter bis zu mehreren 100 Metern bereit.“ Optisch „gehen“ die steirischen Wissenschafter in der Software durch die Landschaft wie in einem PC-Spiel, „aus demselben Blickwinkel, als wären die Geologinnen vor Ort.“

Sehen lernen: Mars-Rover „Preseverance“ erkennt die Umgebung dank KI von
JOANNEUM RESEARCH

GERHARD PAAR 
leitet das Space Robotics & Instruments Team der JOANNEUM RESEARCH in Graz.

Sein Spezialgebiet ist die Bildverarbeitung im industriellen Bereich sowie in der Weltraumrobotik.
Er hat mehr als 20 Jahre Erfahrung im internationalen Projektmanagement, Paar ist Co-Investigator von Instrumenten der ESA ExoMars Rover-Mission sowie der Mastcam-ZKamera der NASA Mars 2020 Rover-Mission.

2015 bis 2021 war Gerhard Paar Panel-Mitglied des European Space Science Committee ESSC des European Science Funds ESF.
Paar veröffentlichte bis dato mehr als 200 Fachartikel und zwei Buchkapitel.

INTERNET IM ALL
Zwischen acht und 20 Stunden Zeit brauchen die Daten im Durchschnitt, um vom Mars zur Erde zu gelangen. Sie bedienen sich des „deep space network“, so nennt sich das „Internet des Weltalls“. Es besteht aus einem Zusammenschluss internationaler Satelliten rund um den Mars und im gesamten Sonnensystem sowie aus irdischen Bodenstationen. Die Satelliten speichern die Informationen temporär und übermitteln sie, wenn sich optimale Zeitfenster öffnen. Gerhard Paar: „Im Oktober 2021 haben wir drei Wochen nichts von Perseverance gehört oder gesehen, weil der Mars quasi hinter der Sonne stand. Ihr Signal ist sehr stark, und sie blockierte mit ihren Radiowellen den Äther.“ Erste Andockstation für die Daten ist das Jet Propulsion Laboratory JPL der NASA, das diese vor-prozessiert und dekomprimiert. „Der Bottleneck von Weltraummissionen ist immer die Datenrate, da das Übermitteln sehr viel Energie braucht und eben nur zu eingeschränkten Zeiten möglich ist.“ Die JR-Software wertet die Informationen selbstständig aus. „Ich entscheide dann: Sind die Datenprodukte relevant? Dann bereite ich sie den internationalen Projektpartnern auf, parallel stehen sie dem Mars 2020 Team auf einem geschützten Portal bei uns zur Verfügung.“

Wir ‚gehen‘ durch die Marslandschaft wie in einem PC-Spiel – als wären die Geologinnen vor Ort.

GERHARD PAAR, INSTITUT DIGITAL DER JOANNEUM RESEARCH

ASTEROIDEN – BEDROHUNG DER ERDE?
Künftiges Projekt der JR-Forscher und deren österreichische Partner: 3D-Bildanalyse und Visualisierung für die in Entwicklung befindliche ESA-Raumfahrtmission „Hera“. Sie ist Teil eines internationalen Programms, das unseren Planeten gegen die Bedrohung durch erdnahe Asteroiden (und deren mögliche Einschläge) wappnen soll. Die Mission hat den Doppelasteroiden Didymos mit Hauptkörper Didymain und dem Begleiter Dimorphos im Visier. 2022 beschoss die NASA den Nebenmond des Asteroiden und verursachte u.a. eine nachweisliche Änderung seiner Umlaufbahn. Nun soll „Hera“ künftige Möglichkeiten zur Ablenkung von Asteroiden ausloten, damit diese der Erde nicht gefährlich werden können. Bis erste Erkenntnisse vorliegen, empfiehlt sich, bei Spotify reinzuhören: Dort liefert Gerhard Paar mit seiner Band „Nette ältere Herren“ ebenso Hochkarätiges. Musik und das All sind eventuell themenverwandt. Wer Talent für das eine hat, beherrscht auch das andere.

Fotos: © NASA/JPL/CalTech/MSSS/ASU/USGS/JR/VRVis/ÖAW, Joanneum Research, beigestellt

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