Wie plant man eine Raumfahrtmission, bei der mehrere Himmelskörper besucht werden sollen, die sich ständig bewegen? Forschende der Universität Bielefeld haben dafür erstmals einen exakten mathematischen Lösungsansatz entwickelt. Die Veröffentlichung in einem internationalen Spitzenjournal zeigt: Methoden zur Entscheidungsunterstützung an der Schnittstelle von Wirtschaftswissenschaft und Mathematik können Raumfahrt und Verkehrsplanung voranbringen – mit Relevanz weit über Missionen im All hinaus.
Die wichtigsten Fakten im Überblick:
- Ein internationales Team unter Beteiligung der Universität Bielefeld hat erstmals einen exakten Lösungsansatz für ein hochkomplexes Problem der Weltraumlogistik entwickelt.
- Die Ergebnisse wurden im INFORMS Journal on Computing, einem internationalen Spitzenjournal, veröffentlicht.
- Die Methode könnte künftig nicht nur Weltraummissionen, sondern auch Verkehrs- und Logistiksysteme auf der Erde effizienter machen.
Eine wissenschaftliche Veröffentlichung aus der Universität Bielefeld setzt neue Maßstäbe in der Optimierungsforschung. Gemeinsam mit einem internationalen Team hat Professor Dr. Michael Römer von der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften einen mathematischen Rahmen entwickelt, der ein komplexes Problem der Weltraumlogistik erstmals exakt lösen kann: die optimale Planung einer Route zum Besuch mehrerer Asteroiden unter realistischen astrodynamischen Bedingungen.
Im Zentrum steht das sogenannte Asteroid Routing Problem. Dahinter steckt die Frage: In welcher Reihenfolge sollte eine Raumsonde mehrere Asteroiden ansteuern, wenn gleichzeitig Flugzeit und Treibstoffverbrauch möglichst gering bleiben sollen? Die Schwierigkeit: Anders als bei klassischen Routenproblemen verändern sich die „Wege“ zwischen den Zielen ständig, weil sich alle Himmelskörper permanent bewegen.
Von der ESA-Idee zur Spitzenpublikation
Die Idee zur Studie entstand in Bielefeld. Auslöser war ein Erfolg bei einem Wettbewerb der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Während eines Forschungsaufenthalts in Bielefeld griff Erstautor Isaac Rudich das Thema auf und entwickelte gemeinsam mit dem Team einen neuen Lösungsweg.
Die Forschenden nutzen dafür sogenannte Decision Diagrams – grafische Optimierungsmodelle, die sehr große Mengen möglicher Lösungen systematisch strukturieren. Kombiniert mit einer speziellen Suchmethode, die vielversprechende Lösungen gezielt eingrenzt, konnte das Team erstmals exakte Lösungen für dieses Problem berechnen.
Besonders anspruchsvoll war dabei ein Teilproblem aus der Himmelsmechanik: das sogenannte Lambert-Problem. Es beschreibt, wie eine optimale Flugbahn zwischen zwei sich bewegenden Objekten berechnet wird. Weil diese Rechnung für jede mögliche Route neu durchgeführt werden muss, gilt das Gesamtproblem bisher als extrem schwer lösbar.
Relevanz weit über die Raumfahrt hinaus
Die gesellschaftliche Bedeutung reicht deutlich weiter als in die Raumfahrt, denn viele reale Planungsprobleme funktionieren ähnlich: Auch bei Busverbindungen, Lieferketten oder Schifffahrtsrouten hängt die Dauer der Reise oft vom Startzeitpunkt ab, weil sich Faktoren wie Wetter oder Verkehrsaufkommen dynamisch verändern. Die Berechnungen hierzu sind oft mit hohem Aufwand verbunden.
Der entwickelte Ansatz könnte künftig helfen, solche Systeme effizienter und robuster zu planen. Das betrifft Fragen von Mobilität, Versorgung und Nachhaltigkeit. In Tests lieferte das Verfahren nicht nur mehrere nachweislich optimale Lösungen, sondern auch neue Vergleichswerte, an denen sich zukünftige Forschung orientieren kann.
Einschätzung von Professor Dr. Michael Römer zum Thema
„Diese Arbeit ist besonders, weil sie einen wissenschaftlichen Durchbruch mit einer starken Anwendungsperspektive verbindet. Wir haben nicht nur ein komplexes kombinatorisches Optimierungsproblem erstmals exakt gelöst, sondern zeigen auch, dass unsere Methoden Impulse für Raumfahrt, Logistik und Personenverkehr geben können. Gerade diese Verbindung von Grundlagenforschung und gesellschaftlicher Anwendung macht die Veröffentlichung so relevant.“