Astrophysik Wie KI das Einstein-Teleskop vor irdischem Lärm schützt

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Das geplante Einstein-Teleskop soll Gravitationswellen tief unter der Erde messen. Um irdische Vibrationen zu filtern, entwickeln Forscher der FH Aachen eine KI-Rauschkompensation auf FPGA-Basis – mit enormem Potenzial für die Industrie.

„Gravitationswellen sind unsichtbar und gleichzeitig können wir damit in die Zeit zurückblicken, in der es noch gar kein Licht im Universum gab“, erklärt Prof. Dr. Ingo Elsen, Leiter des Big Data Labs am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der FH Aachen. Im Herbst startet er mit seinem Team ein dreijähriges Forschungsprojekt, um einen entscheidenden Baustein für das geplante europäische Einstein-Teleskop zu entwickeln.

Das ist Science-Fiction ohne Fiction. Ich bin total begeistert.

Prof. Dr. Ingo Elsen, FH Aachen

Im Gegensatz zu klassischen Teleskopen schaut das Observatorium nicht direkt ins All, sondern misst Erschütterungen in Raum und Zeit, die etwa bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher entstehen. „Das ist Science-Fiction ohne Fiction. Ich bin total begeistert“, sagt der Professor.

Science-Fiction tief unter der Erde

Die Dimensionen des Projekts sind gigantisch: Das Observatorium soll rund 300 Meter unter der Erdoberfläche in Form eines gleichseitigen Dreiecks gebaut werden. Jede Seite besteht aus einem zehn Kilometer langen Tunnel, in dem Laser und Spiegel minimale Längenänderungen messen. Laut Elsen dürfte die Anlage nach dem CERN die zweitgrößte Maschine der Welt werden und deutlich präzisere Daten liefern als bisherige, kleinere Gravitationswellen-Detektoren.

Das größte Problem der Anlage: Unsere Welt ist schlichtweg zu laut. Lkw, rotierende Windräder oder winzige Erdbeben erzeugen Vibrationen, die sich selbst 300 Meter unter der Erde als „Newtonsches Rauschen“ mit den Signalen aus dem All mischen.

Die Wirkung kann man sich vorstellen wie bei Noise-Cancelling-Kopfhörern. Störende Hintergrundvibrationen werden live herausgefiltert.

Prof. Dr. Ingo Elsen, FH Aachen

Noise-Cancelling für das Universum durch FPGAs

Hier kommt das Team der FH Aachen ins Spiel. Da klassische mathematische Signalverarbeitung bei derartig unvorhersehbarem Rauschen an ihre Grenzen stößt, entwickeln die Forscher ein spezielles KI-Modell zur Echtzeit-Kompensation. „Die Wirkung kann man sich vorstellen wie bei Noise-Cancelling-Kopfhörern. Störende Hintergrundvibrationen werden live herausgefiltert und es bleibt das übrig, was man wirklich haben möchte“, so Prof. Elsen.

Interessant für Elektronik-Entwickler ist dabei die Wahl der Hardware. „Klassische KI-Rechner, wie sie momentan überall für KI-Sprachmodelle errichtet werden, sind nicht schnell genug“, erklärt der Projektleiter. Das Herzstück der Rauschreduktion wird daher auf Field Programmable Gate Arrays (FPGA) programmiert. Diese speziell anpassbaren Computerchips ermöglichen die nötige Geschwindigkeit. Das Ziel: extrem kompakte Modelle, die eine Datenverarbeitung in harter Echtzeit erlauben.

Simulation

Was nie ein Mensch zuvor gesehen hat

Spannende Spin-offs für Auto- und Medizintechnik

Diese hochkomplexe Signalverarbeitung könnte auch in der Industrie wichtige Innovationen anstoßen. Denkbar wäre laut Elsen etwa eine Anwendung auf die Stoßdämpfer eines Autos: „Sofort würden alle Unebenheiten der Straße herausgerechnet und es würde sich anfühlen, als gleite man auf einer Eisfläche dahin.“ Auch in der Medizintechnik ließe sich das Bruch- und Splitterrisiko bei Knochen-OPs senken, wenn Vibrationen in Echtzeit reduziert würden.

Das Einstein-Teleskop, bei dem neben der FH Aachen (inklusive Masterstudent und künftigem Doktorand Jan Pihl) auch die RWTH Aachen, das Forschungszentrum Jülich und die Universität Siegen mitwirken, befindet sich derzeit in der Planungsphase. Im kommenden Jahr soll der Standort (möglicherweise in der Euregio Maas-Rhein) final geklärt werden. Der Bau soll bis 2035 größtenteils abgeschlossen sein.