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Zusammenfassung
Dieses Protokoll dokumentiert das wöchentliche Projekttreffen des Open Research Institute (ORI) vom 1. September 2026. Im Fokus stehen Fortschritte und Hürden bei FPGA-basierten Software Defined Radios (SDR), Hardware-Spannungsinkompatibilitäten auf Entwicklungsboards, die Umstellung auf raumqualifizierte Teledyne-Komponenten, der Aufbau einer Erd-Mond-Erd (EME)-Funkstation mit K3NG-Rotatorsteuerung sowie die Analyse der Leiterplattenarchitektur der Kraken Discovery Dish für den Empfang der 21-cm-Wasserstofflinie.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:50 OpenCPI-Implementierung: Aaron berichtet über erfolgreiche digitale Loopbacks (FPGA zum Chip und zurück) für das ADRV9009 mittels OpenCPI; die HF-Validierung soll über ein Pluto-SDR (Maya) und einen externen Signalgenerator erfolgen.
3:30 Hardware-Spannungsinkompatibilität: Der ADRV9002 weist eine physikalische Spannungsinkompatibilität mit dem Xilinx Versal VCK190 Dev-Board auf, die sich nicht über Pin-Constraints oder Vivado-DRC-Regeln lösen lässt.
6:05 Teledyne-Komponenten & ESIstream: Strategiewechsel hin zu raumqualifizierten ADCs und DACs von Teledyne für das VCK190; Nutzung des quelloffenen ESIstream-Protokolls (bis 10+ Gbps) als leichtgewichtige Alternative zu JESD204B/C.
31:40 VCK190 Remote-Lab-Deployment: Paul beschreibt die Installation des VCK190 im Remote-Lab, die Herausforderungen beim Boot-Prozess, den massiven Kupferkühlkörper sowie den Quad-Port-Seriell/JTAG-Mikrocontroller.
41:00 Oszillator-Stabilität & Phasenouschnitt: Die internen Taktquellen weisen eine Drift von ca. 25 ppm auf; für Mikrowellen- und Weltraumanwendungen sind externe Referenzen oder GPS-basierte Oszillatoren zur Kompensation des Doppler-Effekts erforderlich.
51:10 EME-Stationssteuerung: Entwicklung einer Arduino-Mega-basierten Steuereinheit (K3NG-Firmware, Seed Studio Relais-Hat, 20x4-LCD) zur Ansteuerung des Yaesu G5500 DC-Rotators als kostengünstiger Ersatz für eine $750 teure kommerzielle Schnittstelle.
53:15 Septum-Speisehorn & Sendeleistung: Einsatz eines via Send-Cut-Send gefertigten Septum-Polarisators zur Erzeugung zirkularer Polarisation für EME-Betrieb, betrieben mit einem 20-Watt-Verstärker (DB6NT).
1:02:40 Projekt "Sending Stones": Fortschritte beim Meshtastic-basierten Telemetrienetzwerk für Packet Delivery Ratio (PDR)-Messungen auf der kommenden Defcon.
1:05:05 Kraken Discovery Dish: Adrian analysiert das Leiterplattendesign der Discovery Dish für den Empfang der 21-cm-Wasserstofflinie (L-Band), bestehend aus einer integrierten zweistufigen LNA, SAW-Filtern und einer breitbandigen Mikrostrip-Antennenstruktur.
Glossar
FPGA (Field Programmable Gate Array): Ein integrierter Schaltkreis, der nach der Produktion konfiguriert werden kann, um beliebige digitale Schaltungen und Logikfunktionen zu implementieren.
SDR (Software Defined Radio): Ein Funksystem, bei dem Signalverarbeitungsfunktionen (wie Modulation, Filterung und Mischen) ganz oder teilweise durch Software auf FPGAs oder CPUs ausgeführt werden.
Digital Loopback: Ein Testmodus, bei dem digitale Daten intern vom Sender direkt zum Empfänger geroutet werden, um die Schnittstelle ohne HF-Abstrahlung zu testen.
ADRV9009 / ADRV9002: Hochintegrierte, agile Breitband-HF-Transceiver-ICs von Analog Devices für drahtlose Kommunikationssysteme.
Xilinx Versal VCK190: Ein High-End-Entwicklungsboard von AMD/Xilinx auf Basis der Versal ACAP-Architektur (Adaptive Compute Acceleration Platform) mit starken KI- und Signalverarbeitungsressourcen.
Pin-Constraints: Konfigurationsvorgaben in der FPGA-Entwicklung, die definieren, welche internen Signale mit welchen physischen Package-Pins des ICs verbunden werden.
JESD204B/C: Ein JEDEC-Standard für Hochgeschwindigkeits-Serienschnittstellen zwischen Logikbausteinen (FPGAs) und Datenwandlern (ADCs/DACs).
ESIstream: Ein offener, leichtgewichtiger Protokollstandard zur seriellen Datenübertragung mit niedriger Latenz für Hochgeschwindigkeits-ADCs und -DACs.
ADC / DAC (Analog-Digital-Wandler / Digital-Analog-Wandler): Halbleiterkomponenten zur Konvertierung analoger Wellenformsignale in digitale Daten (ADC) bzw. digitaler Daten in analoge Signale (DAC).
JTAG: Ein Test- und Programmierstandard (IEEE 1149.1) für integrierte Schaltungen und Leiterplatten.
PPM (Parts Per Million): Maßeinheit zur Angabe der relativen Frequenzabweichung von Oszillatoren (z. B. 25 ppm entspricht einer Abweichung von 25 Teilen pro Million).
EME (Earth-Moon-Earth): Eine Funkbetriebsart, bei der Funksignale über interkontinentale Distanzen hinweg an der Mondoberfläche reflektiert werden.
K3NG Rotator Controller: Eine quelloffene Arduino-Firmware zur Steuerung von Antennen-Rotoren über serielle Protokolle (z. B. Yaesu-Emulation).
Septum-Polarisator: Eine spezielle Wellenleiterstruktur, die linear polarisierte Signale in zirkular polarisierte Signale (links- oder rechtsdrehend) umwandelt oder trennt.
LNA (Low Noise Amplifier): Ein extrem rauscharmer HF-Vorverstärker zur Verstärkung schwacher Eingangssignale direkt an der Antenne.
SAW-Filter (Surface Acoustic Wave Filter): Ein analoger Bandpassfilter, der Oberflächenwellen auf einem piezoelektrischen Kristall nutzt, um Frequenzen hochselektiv zu trennen.
Mikrostrip (Microstrip): Eine standardisierte Leiterbahngeometrie auf einer Leiterplatte zur geführten Übertragung von Mikrowellensignalen mit definierter Impedanz (typischerweise 50 Ohm).
Dieses Video dokumentiert und analysiert die praktische Anwendung und Leistungsfähigkeit von strahlungsbasierten Kühlfarben (Radiative Cooling Paints) im Rahmen zweijähriger Praxistests auf einer Werkstatt in Michigan. Der Moderator vergleicht eine selbst entwickelte Acryl/PLA-Beschichtung mit einer neu erworbenen kommerziellen, wasserbasierten Sub-Ambient-Kühlfarbe („Kryo-X“, die eine Kühlleistung von bis zu 15 °F unter Umgebungstemperatur verspricht) sowie der kommerziellen Silikon-Dachbeschichtung „Henry's Tropicool“. Es werden die physikalischen Grundlagen der passiven Strahlungskühlung – hohe Solarreflexion und Infrarot-Emission durch atmosphärische Transmissionsfenster in den Weltraum – sowie die praktischen Auswirkungen auf Innentemperaturen, den thermischen Batterieeffekt und die Raumfeuchtigkeit erörtert.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:00 Strahlende Kühlung (Radiative Cooling): Einführung in dreijährige Versuche mit selbstgemachten Kühlfarben und Vorstellung einer neuen kommerziellen, wasserbasierten Farbe („Kryo-X“), die bis zu 15 °F unter der Umgebungstemperatur kühlen soll.
0:47 Physikalischer Mechanismus: Kühlung basiert auf der Kombination aus extremer Sonnenlichtreflexion und der Emission von Infrarotstrahlung, die durch atmosphärische Fenster direkt in den kalten Weltraum entweicht.
3:01 Langzeiterfahrung mit Silikon-Beschichtung: Applikation der kommerziellen Silikonbeschichtung „Henry's Tropicool“ auf einem 50 Jahre alten, verrosteten Blechdach; senkte die Innentemperatur im Sommer von 85 °F (bei 65 °F außen) auf 72–74 °F (bei 78 °F außen) nach zwei Jahren Bewitterung.
6:04 Thermischer Batterie-Effekt: Kühlfarben lassen Gebäude nachts stark abkühlen; durch die geringe Solarabsorption erwärmt sich die Dachkonstruktion tagsüber extrem langsam, wodurch angenehme Innentemperaturen über den gesamten Tag gehalten werden.
6:55 Winterverhalten: In Michigan führt die weiße Farbe zu keinen signifikanten Nachteilen beim Winterheizen, da Dächer bei Schnee ohnehin weiß sind und die glatte Silikonbeschichtung Schnee schnell abgleiten lässt.
8:08 Feuchtigkeitsproblem im Frühjahr/Herbst: Das Ausbleiben der tagsüber üblichen Aufheizung durch dunkle Dächer führt in feuchten Klimazonen (Michigan) zu einer relativen Innenluftfeuchtigkeit von bis zu 80 %, was Risiken für Schimmel und Korrosion birgt.
10:08 Energieeffiziente Entfeuchtung: Ein 325-Watt-Luftentfeuchter senkt die Innenfeuchtigkeit in 8 Stunden von 80 % auf 50 % und muss nur einmal wöchentlich betrieben werden – weit energieeffizienter als eine 1200-Watt-Klimaanlage.
17:03 Applikation von Kryo-X: Vorbereitung und Auftrag der kommerziellen Farbe „Kryo-X“ auf eine grundierte Testplatte mittels Mini-Rolle; die Schichtdickenmessung per Messschieber ergibt ca. 0,24 mm (ca. 10 mil), was über der empfohlenen Mindestdicke von 7 mil liegt.
23:43 Vergleichende Temperaturmessungen: Freilandtests in Michigan zeigen, dass die selbstgemachte Farbe ca. 10 °F unter der Umgebungstemperatur liegt, während die kommerzielle Kryo-X-Farbe unter den Testbedingungen nicht sub-ambient kühlt (und bis zu 7 °F über der Umgebungstemperatur liegt).
Glossar
Radiative Cooling (Strahlungskühlung): Ein passiver Kühlprozess, bei dem Oberflächen thermische Energie durch Wärmestrahlung (Infrarotlicht) an den kalten Nachthimmel und letztlich in den Weltraum abgeben, ohne elektrische Energie zu verbrauchen.
Sub-Ambient Cooling (Unter-Umgebungs-Kühlung): Die Fähigkeit eines Materials, eine Temperatur anzunehmen, die aktiv unter der aktuellen Umgebungslufttemperatur liegt, selbst bei direkter Sonneneinstrahlung.
Atmosphärisches Fenster (Atmospheric Window): Spezifische Infrarot-Wellenlängenbereiche (ca. 8 bis 13 Mikrometer), in denen die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung durchlässig ist, sodass diese ungehindert ins All entweicht.
Emissivität (Emissionsgrad): Das materialabhängige Maß für die Fähigkeit, thermische Infrarotstrahlung abzugeben, verglichen mit einem idealen Schwarzen Körper (Wert zwischen 0 und 1).
Taupunkt (Dew Point): Diejenige Temperatur, bei der die Luft mit Wasserdampf vollständig gesättigt ist, sodass überschüssiger Wasserdampf als Kondenswasser (Tau) ausfällt.
Mil: Eine angelsächsische Maßeinheit für Längen, entsprechend einem Tausendstel Zoll ($1,\text{mil} = 0{,}001,\text{Inch} \approx 0{,}0254,\text{mm}$), standardmäßig in der Beschichtungsindustrie verwendet.
In diesem Live-Stream demonstriert ein Entwickler die Portierung eines MIPS-Prozessor-Emulators (biddyMips) und eines minimalistischen Betriebssystems (funbox) auf die Grafikkarten-Plattform Shadertoy. Der Stream behandelt die Überwindung strikter Plattform-Restriktionen (keine externen Assets, ausschließlich Code-basierte Datenspeicherung), die Behebung komplexer Puffer-Synchronisationsprobleme zwischen Render-Passes, die Implementierung speichergebundener Ein-/Ausgabe (MMIO) für Tastatur- und Maussteuerung sowie die Ausführung von Programmen wie einer Fixpunkt-Mandelbrot-Demo und einem rudimentären Breakout-Spiel direkt im Shader.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:04 MIPS-Emulator auf Shadertoy: Vorstellung von biddyMips, einem kompakten MIPS-Architektur-Emulator, der entwickelt wurde, um die strengen Einschränkungen von Shadertoy (fehlende Möglichkeit zum Laden externer Dateien oder Texturen) zu umgehen.
0:06 Funbox-Betriebssystem: Entwicklung von funbox, einer Kombination aus Betriebssystem-Kernel und Unix-ähnlicher Shell (mit integrierten Hilfsprogrammen wie free, dd, echo), die auf eine Größe von 18 KB optimiert wurde.
0:08 Puffer-Synchronisation: Analyse und Lösung eines Render-Puffer-Konflikts in Shadertoy, bei dem die asynchrone Ausführungsreihenfolge von Buffer A und Buffer B sowie Maus-Resets den Arbeitsspeicher während der Datenausgabe fälschlicherweise überschrieben.
0:13 Ausführungsgeschwindigkeit: Skalierung der Emulationsleistung von einem CPU-Befehl pro Frame auf über 1.024 Befehle pro Frame, um eine flüssige Ausführung von Konsolenanwendungen zu gewährleisten.
0:28 Fixpunkt-Grafik (Mandelbrot): Implementierung eines Programms zur Berechnung der Mandelbrot-Menge in C unter Verwendung von Fixpunktarithmetik, gerendert über direkt in den Videospeicher gemappte Pixel-Arrays.
0:48 Peripherie-Anbindung (MMIO): Einrichtung einer speichergebundenen Ein-/Ausgabe für Tastatur- und Mausereignisse, inklusive Fehlerbehebung bei browserspezifischen Scan-Code-Abweichungen unter Firefox und LibraWolf.
2:15 Funbox-Systemstart: Erfolgreiches Booten der funbox-Shell innerhalb der Shadertoy-Simulation, wodurch standardmäßige Systembefehle wie Prozessübersichten (ps) und Speicherabfragen (free) ausführbar werden.
2:24 Breakout-Entwicklung: Programmierung und schrittweise Fehlerbehebung eines einfachen Breakout-Spiels, bei dem Kollisionslogik, Paddel-Steuerung und Ball-Trajektorien auf dem text- und pixelbasierten Overlay-Bildschirm implementiert werden.
Glossar
MIPS: Eine weit verbreitete, minimalistische RISC-Mikroprozessorarchitektur, die häufig in eingebetteten Systemen und Ausbildungsumgebungen eingesetzt wird.
Shadertoy: Eine browserbasierte Online-Plattform für die Entwicklung und Präsentation von GLSL-Shadern, die primär für Echtzeit-Computergrafik und Simulationen auf der GPU genutzt wird.
Fixpunktarithmetik: Ein Rechenverfahren zur Darstellung von Bruchzahlen auf Prozessoren ohne dedizierte Gleitkommaeinheit (FPU), bei dem Ganzzahlen mit einem festen Skalierungsfaktor verwendet werden.
Speichergebundene Ein-/Ausgabe (MMIO): Ein Architekturmuster, bei dem Ein- und Ausgabegeräte denselben Adressraum wie der physische Arbeitsspeicher (RAM) nutzen, sodass die CPU über Standard-Speicherbefehle mit Peripherie kommuniziert.
Scan-Code: Ein hardwareabhängiger numerischer Code, den eine Computertastatur beim Drücken oder Loslassen einer Taste an das System sendet.
Render-Puffer (Buffer A/B): Getrennte, sequenziell berechnete Textur- oder Datenpuffer in Shadertoy, die es erlauben, den Zustand von Berechnungen über mehrere Bildwiederholholraten hinweg zu speichern (GPGPU-Simulation).
Kernel: Die Kernkomponente eines Betriebssystems, die als Schnittstelle zwischen der Hardwareschicht und den Anwendungsprogrammen dient und Ressourcen wie Speicher und Rechenzeit verwaltet.