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Dirty Bits in Low-Earth Orbit: The Carbon Footprint of Launching Computers

Diese Studie zeigt mit Hilfe des Tools ESpaS, dass die CO₂-Bilanz von Computern im erdnahen Orbit selbst unter optimistischen Annahmen aufgrund der hohen Emissionen beim Start und Wiedereintritt deutlich schlechter ausfällt als bei terrestrischen Rechenzentren, was einen dringenden Bedarf an kohlenstoffbewusstem Design und regulatorischer Aufsicht für nachhaltige Weltraum-Infrastruktur begründet.

Ursprüngliche Autoren: Robin Ohs, Gregory F. Stock, Andreas Schmidt, Juan A. Fraire, Holger Hermanns

Veröffentlicht 2026-02-19

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Robin Ohs, Gregory F. Stock, Andreas Schmidt, Juan A. Fraire, Holger Hermanns

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

🚀 Der große Traum: Computer im All

Stell dir vor, wir bauen riesige Rechenzentren nicht auf der Erde, sondern schweben lassen sie als Satelliten um unseren Planeten. Die Idee klingt verlockend:

Schneller: Daten müssen nicht erst zum Boden und zurück, sondern können direkt im All verarbeitet werden.
Global: Kein Winkel der Erde ist zu weit weg.
Effizient: Im Weltraum gibt es keine Wolken, die Solarpaneele blockieren – die Sonne scheint immer.

Aber die Forscher fragen sich: Ist dieser Traum eigentlich grün? Oder ist er ein riesiger CO₂-Verursacher?

🌍 Die harte Realität: Der Preis für den Start

Die Studie kommt zu einem klaren, aber ernüchternden Ergebnis: Computer im All sind derzeit viel „schmutziger" als auf der Erde.

Warum? Stell dir vor, du willst ein kleines Haus bauen.

Auf der Erde: Du kaufst die Ziegel, mischt den Mörtel und baust es. Das kostet Energie.
Im All: Du musst erst eine riesige Rakete bauen, tausende Liter Treibstoff verbrennen und das Haus in den Himmel schießen. Und das Schlimmste: Wenn die Rakete oder Teile davon wieder zurück zur Erde fallen, verbrennen sie in der Atmosphäre wie ein riesiges Streichholz.

Die Forscher nennen das „Embodied Emissions" (eingebettete Emissionen). Das bedeutet: Der größte Teil des CO₂-Ausstoßes entsteht gar nicht beim Betrieb des Computers, sondern beim Start und beim Wiedereintritt der Satelliten.

🔍 Die drei Hauptakteure der Studie

Die Autoren haben ein kleines Werkzeug namens ESpaS entwickelt, um diese Kosten zu berechnen. Sie haben drei Szenarien verglichen:

Der Raketen-Vergleich (Start-Technologien):
- Der Klassiker (Falcon 9): Wie ein schwerer Lastwagen, der nur teilweise wiederverwendbar ist. Er hinterlässt viel „Rauch".
- Der Zukunftsträumer (Starship): Ein riesiges Raumschiff, das komplett wiederverwendbar ist. Es ist effizienter, aber immer noch ein massiver Energieaufwand, um Dinge ins All zu bringen.
- Die Erkenntnis: Selbst mit der besten Rakete ist der Start teuer für die Umwelt.
Der Rechen-Vergleich (Datenzentren):
- Wenn ein Computer im All läuft, muss er nicht nur Strom für die Rechenleistung verbrauchen, sondern auch für die Batterien (um die Nacht im Orbit zu überstehen) und für die schweren Solarpaneele, die ihn tragen.
- Ergebnis: Ein Rechenvorgang im All erzeugt bis zu 14-mal mehr CO₂ als derselbe Vorgang in einem normalen Rechenzentrum auf der Erde.
Der Daten-Transport (Die Abwägung):
- Hier wird es spannend. Manchmal macht es Sinn, Daten im All zu verarbeiten.
- Die Analogie: Stell dir vor, du hast einen Berg roher Kartoffeln (Rohdaten).
  - Szenario A (Erde): Du schickst den ganzen Berg mit einem riesigen Lastwagen zur Fabrik, um sie zu schälen und zu kochen. Der Lastwagen ist voll und verbraucht viel Diesel.
  - Szenario B (All): Du schälst und kochst die Kartoffeln direkt im Feld (im Satelliten) und schickst nur die fertigen Pommes (verarbeitete Daten) nach Hause.
- Wann lohnt es sich? Nur wenn du die Kartoffeln so stark verkleinerst (z. B. von 100 kg auf 10 kg), dass der Transport der Pommes weniger Treibstoff spart als der Aufwand für das Kochen im All. Wenn die Datenmenge nur wenig kleiner wird, lohnt sich der Weg ins All nicht.

💡 Die wichtigsten Erkenntnisse (in einfachen Worten)

Der Orbit ist kein „kostenloser" Ort: Viele denken, im All sei Energie kostenlos (wegen der Sonne). Das stimmt nur für die Solarzellen. Der Preis für den Transport (die Rakete) und das Verbrennen von Trümmern beim Wiedereintritt wiegt viel schwerer.
Re-entry ist der stille Killer: Wenn Satelliten oder Raketenstufen verglühen, setzen sie nicht nur CO₂ frei, sondern auch Stickoxide (NOx), die der Ozonschicht schaden. Das wird oft vergessen.
Nicht alles muss ins All: Für die meisten Aufgaben ist es besser, die Daten auf der Erde zu verarbeiten. Ein Satellit im All sollte nur dann rechnen, wenn er riesige Datenmengen filtern kann, bevor er sie zur Erde schickt.

🛠️ Was bedeutet das für die Zukunft?

Die Autoren sagen nicht „Nein zum Weltraum", sondern „Vorsicht und Planung".

Wir brauchen klügere Designs: Satelliten sollten so leicht wie möglich sein, damit weniger Treibstoff für den Start nötig ist.
Wir brauchen längere Missionen: Je länger ein Satellit fliegt, desto mehr verteilt sich der hohe Startpreis auf die Jahre.
Wir brauchen Regeln: Bevor wir Tausende von Satelliten starten, müssen wir genau berechnen, ob der Nutzen die Umweltkosten wirklich rechtfertigt.

Fazit: Der Weltraum ist ein spannender Ort für Innovation, aber er ist derzeit kein grüner Rückzugsort für unsere digitalen Probleme. Bevor wir Computer ins All schicken, sollten wir sicherstellen, dass wir sie wirklich brauchen – und dass der Weg dorthin nicht die ganze Umwelt verschmutzt.

Problemstellung

Die Autoren adressieren ein kritisches, aber bisher wenig untersuchtes Problem: den CO2-Fußabdruck (Carbon Footprint) von Rechenzentren und Datenverarbeitung im Weltraum, speziell in der Erdumlaufbahn (Low-Earth Orbit, LEO).
Während LEO-Satellitenkonstellationen (z. B. für Internetzugang oder Edge-Computing) als Lösung für Latenzprobleme und globale Abdeckung gepriesen werden, fehlt es an einer fundierten Nachhaltigkeitsanalyse. Bisherige Studien zeigen, dass satellitengestützte Breitbandnetze pro Nutzer bis zu 14-mal höhere Lebenszyklus-Emissionen verursachen können als terrestrische Netze. Die zentrale Frage ist, ob das Verschieben von Rechenlasten in den Orbit (In-Orbit Computing) ökologisch sinnvoll ist oder ob die Emissionen durch Start und Wiedereintritt die Vorteile (wie höhere Solar-Effizienz) zunichtemachen.

Methodik

Das Paper entwickelt ein quantitatives Modell zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Weltraum-Computing-Systemen:

ESpaS-Tool (Estimator for Space Sustainability):
Die Autoren stellen ein leichtgewichtiges Werkzeug vor, das auf der Software Carbon Intensity (SCI)-Methodik basiert. ESpaS berechnet die Kohlenstoffintensität ( $I$ ) in $gCO_2e$ pro Einheit (z. B. pro Sekunde CPU-Zeit, pro GB-Speicher oder pro Paket).
Die Formel für die Intensität lautet: $I = \frac{O + M}{R}$ , wobei:
- $O$ : Betriebsemissionen (Operational Emissions, z. B. durch Stromverbrauch).
- $M$ : Embodied Emissions (Herstellungs-, Transport- und Entsorgungsemissionen).
- $R$ : Die Ressourceneinheit (z. B. Zeit, Speicher).
Modellierungskomponenten:
- Start und Wiedereintritt (Launch & Re-Entry): Dies ist der kritischste Faktor. Das Modell berechnet Emissionen basierend auf der Nutzlastmasse und der gewählten Starttechnologie (z. B. Falcon-9 vs. Starship). Es berücksichtigt:
  - Treibstoffemissionen (RP-1 vs. Methan).
  - Herstellungsemissionen der Raketenstufen (amortisiert über die Wiederverwendbarkeit).
  - Wiedereintrittsemissionen: Beim Verglühen von Raketenstufen und Satelliten entstehen Stickoxide ( $NO_x$ ), die ein hohes Erwärmungspotenzial haben. Das Modell schätzt dies auf ca. $13,2\ kgCO_2e$ pro kg verglühter Masse.
- Energieversorgung: Berechnung der Intensität von Solararrays und Batterien. Im Orbit ist die Solar-Effizienz höher (keine Atmosphäre), aber Batterien sind nötig für Finsternisse. Die Masse der Batterien muss jedoch mit gestartet werden.
- Hardware-Komponenten: Modellierung von CPU, DRAM, SSD und Netzwerk-Transceivern unter Berücksichtigung von Strahlungshärtung (die die Herstellungskosten und Emissionen erhöht) und Redundanz.
Vergleichsszenarien:
Das Tool vergleicht drei Szenarien für ein 5-jähriges Missionsziel:
- Earth: Terrestrisches Rechenzentrum (kein Start).
- F9: Start mit einer Falcon-9 (teilwiederverwendbar).
- StSh: Start mit einem hypothetischen Starship (vollständig wiederverwendbar).

Schlüsselergebnisse

Start und Wiedereintritt dominieren die Bilanz:
Selbst unter optimistischen Annahmen (vollständige Wiederverwendbarkeit wie bei Starship) verursachen orbitalen Systeme signifikant höhere CO2-Kosten als terrestrische Systeme.
- Die Emissionen durch Start und Wiedereintritt machen den Großteil der „Embodied Emissions" aus.
- Der Wiedereintritt allein fügt etwa 50 % der Startemissionen hinzu, da $NO_x$ -Emissionen beim Verglühen entstehen.
- Die Gesamtintensität für Falcon-9 liegt bei ca. 51,7 kgCO2e/kg Nutzlast, für Starship bei ca. 34,4 kgCO2e/kg.
Rechenlasten im Orbit sind teurer:
Die Analyse von CPU-, Speicher- und Netzwerkkosten zeigt, dass das Ausführen von Workloads im Orbit eine deutlich höhere Kohlenstoffintensität aufweist als auf der Erde.
- Zwar ist die Energieintensität im Orbit pro kWh niedriger (durch effizientere Solarzellen), aber die massiven Startkosten überwiegen diesen Vorteil bei weitem.
- Tabelle 1 im Paper zeigt, dass die Intensität für eine CPU im Leerlauf (nur Embodied Emissions) im Orbit (F9) fast dreimal so hoch ist wie auf der Erde.
Datenaggregation als Trade-off:
Ein häufiges Argument für In-Orbit Computing ist die Vorverarbeitung (Aggregation) von Rohdaten, um die Datenmenge für den Downlink zu reduzieren.
- Die Simulationen zeigen, dass dies nur dann nachhaltig ist, wenn die Aggregationsrate ( $f_{Aggr}$ ) sehr hoch ist (starke Datenreduktion) und die Anzahl der Hops (Weiterleitungen zwischen Satelliten) gering ist.
- Bei geringer Datenreduktion oder vielen Zwischenhops (ISLs) ist das Senden der Rohdaten zur Erde und die dortige Verarbeitung fast immer nachhaltiger.
- Die Wahl der Starttechnologie verschiebt die „Break-even"-Punkte leicht, ändert aber den generellen Trend nicht: Terrestrische Verarbeitung ist meist überlegen.

Beiträge

ESpaS-Tool: Bereitstellung eines open-source Tools zur Berechnung der Carbon-Intensität von orbitalen Systemen, das Starttechnologien, Missionsdauer und Hardware-Konfigurationen berücksichtigt.
Quantifizierung des Wiedereintritts: Erste detaillierte Einbeziehung der Emissionen durch das Verglühen von Satelliten und Raketenstufen ( $NO_x$ ) in die Lebenszyklusanalyse.
Systematischer Vergleich: Erster direkter Vergleich der CO2-Kosten von Rechenzentren auf der Erde vs. im Orbit unter Berücksichtigung von Start, Betrieb und Wiedereintritt.

Bedeutung und Fazit

Die Studie widerlegt die Annahme, dass „Computing im Weltraum" per se nachhaltig oder effizienter sei.

Kernbotschaft: Der ökologische Preis für den Transport von Hardware in den Orbit (Start + Wiedereintritt) ist so hoch, dass er die operativen Vorteile (wie bessere Solar-Effizienz oder geringere Latenz) in den meisten Fällen nicht kompensiert.
Implikationen: Die Entwicklung von orbitalen Rechenzentren erfordert kohlenstoffbewusste Designprinzipien. Regulierungsbehörden und Entwickler müssen die Emissionen von Start und Wiedereintritt als primäre Nachhaltigkeitskriterien betrachten, nicht nur den Energieverbrauch während des Betriebs.
Zukunftsausblick: Nur durch extreme Massereduktion, noch effizientere Starttechnologien und sehr spezifische Anwendungsfälle (hohe Datenaggregation, kurze Missionsdauer) könnte In-Orbit Computing eine nachhaltige Alternative werden. Derzeit ist die terrestrische Infrastruktur deutlich umweltfreundlicher.