Exo-Mars-Rover im Einsatz auf dem Mars

Der Exo-Mars-Rover, der 2022 zum Mars fliegen soll, enthält 17 verschiedene Konfigurationen von bürstenbehafteten oder bürstenlosen Gleichstrommotoren in Kombination mit Getrieben, Bremsen und Encodern. - Bild: ESA

| von Maxon

Mars-Missionen ohne Antriebstechnik des Schweizer Spezialisten Maxon? Undenkbar! In den letzten zwei Jahrzehnten wurden diese Gleichstrommotoren in praktisch allen erfolgreichen Roboter-Missionen eingesetzt. Mehr als 100 von ihnen befinden sich bereits auf dem Roten Planeten, und die Zahl wird wieder steigen, sobald der NASA Perseverance Rover 2021 seine Arbeit aufnimmt.
Jeder Antrieb, der auf dem Mars verwendet wurde, basiert auf Katalog-Produkten des Unternehmens, die auf der Erde in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden. Natürlich müssen Änderungen an ihnen vorgenommen werden, damit die Elektromotoren den rauen Bedingungen standhalten. Trotzdem sind die Grundkonstruktionen gleich.

Sojourner Rover (1997): 11 Gleichstrommotoren für extreme Umgebungen

1997, zum ersten Mal in der Geschichte, fuhr ein Fahrzeug auf der Mars-Oberfläche herum, machte Fotos und untersuchte den Boden. Der Sojourner Rover der NASA mit sechs Rädern und einem Gewicht von nur 11 Kilogramm sollte zu dieser Zeit ein relativ kostengünstiges Experiment sein.
Es wurde beschlossen, so viele industrielle Standard-Motoren wie möglich zu verwenden - beispielsweise die 11 Gleichstrommotoren, die dem Antrieb, der Lenkung und dem Betrieb wissenschaftlicher Instrumente im Roboter dienen. Die Antriebstechnik mit ihrem typischen eisenlosen Rotor und ihrer rhombischen (rautenförmigen) Wicklung war leistungsstärker und dynamischer als es bei herkömmlichen Gleichstrommotoren der Fall ist.

Und auch die Bürsten und das Schmiermittel der Gleichstrommotoren wurden modifiziert. Zu dieser Zeit waren sich die Ingenieure des Schweizer Antriebsspezialisten noch unsicher, ob die Änderungen für eine erfolgreiche Mars-Erkundung ausreichen würden. Schließlich waren die Hürden hoch und die Herausforderungen gewaltig: Starke Vibrationen während des Raketenstarts, Vakuum und kosmische Strahlung während der Reise, eine harte Landung auf dem Mars, Staubstürme und Temperaturschwankungen von -120 bis + 25 Grad Celsius. Die Mars-Reise war schließlich dennoch ein Erfolg.

Kleinstmotoren im Weltraum – ke NEXT besucht Maxon

2004 – Wie die Twin Rover Opportunity und Spirit Wasser entdeckten

Nach dem Erfolg von Sojourner beschloss die NASA, zwei weitere wissenschaftliche Forschungs-Roboter gleichzeitig in den Weltraum zu schicken: die Twin Rover Opportunity und Spirit. Sie gehörten zu einer ganz anderen Klasse als Sojourner, wogen jeweils 185 Kilogramm und waren mit Instrumenten ausgestattet, die den Boden bürsten und in Marsgestein bohren konnten.

Im Januar 2004 landeten die Roboter getrennt voneinander auf dem Planeten und begannen ihre Mission, die mindestens drei Monate dauern sollte. Spirit arbeitete schließlich sechs Jahre lang, bevor er im Sand steckte. In 15 Jahren legte er mehr als 45 Kilometer zurück. Für die beteiligten Wissenschaftler war diese Mission ein wahr gewordener Traum: Mit Hilfe der Mars-Rover konnten sie zeigen, dass auf dem Roten Planeten einst flüssiges Wasser existiert haben musste - eine Voraussetzung für Leben.

In jedem der Roboter wurden 35 bürstenbehaftete Gleichstrommotoren mit Durchmessern von 20 oder 25 Millimetern eingesetzt, die für den Antrieb, die Steuerung und den Roboterarm verantwortlich waren. Weitere acht Elektromotoren kamen in der Landeeinheit der Roboter zum Einsatz.

Ähnliche Motoren wurden 2008 erneut eingesetzt, als die NASA ihre nächste Mission mit der stationären Mars-Sonde Phoenix auf die Reise schickte. Sie suchte nach gefrorenem Wasser und fand es schließlich in einer Bodenprobe des Planeten, die zur Analyse erhitzt wurde. Die Motoren des Schweizer Antriebsspezialisten richteten die Sonnenkollektoren der Sonde aus und bewegten ihren Roboterarm.

2012 und 2018: Wie ein Gleichstrommotor durch den Marsboden hämmert

maxon Curiosity Rover auf dem Mars
Curiosity landete im August 2012 auf dem Mars und übertraf ihre Vorgänger nicht nur in Bezug auf die Technologie. Die Neugier ist so groß wie ein kleines Auto, wiegt 900 kg und wird von einem thermoelektrischen Radioisotop-Generator angetrieben. Der Schweizer Antriebstechnik-Spezialist rüstete es mit präzisen Gebern aus, die an den Antriebsachsen angebracht waren. - Bild: NASA/JPL-Caltech

Seitdem sind viele technische Entwicklungen eingetreten. Heute gibt es zwei weitere Roboter auf dem Mars: Einer ist der 900 Kilogramm schwere Curiosity Rover, der in Bezug auf Größe und Messinstrumente alle bisherigen Missionen in den Schatten stellt. Curiosity ist seit 2012 im Einsatz, wiegt fast eine Tonne und ist mit zehn Instrumenten ausgestattet. Maxon stellte MR-Encoder zur Verfügung, die zur Steuerung der Motoren von Curiosity benötigt werden.

Ende 2018 landete die nächste stationäre Sonde, In-Sight, auf dem Mars. Zur Erweiterung der Solarmodule verwendeten die NASA-Ingenieure die bewährten RE-25-Gleichstrommotoren, die zuvor in den Twin Rovers Spirit and Opportunity installiert waren. In der Zwischenzeit wurde erstmals ein neuer gebürsteter DCX-Gleichstrommotor eingesetzt, um einen Temperaturfühler, Maulwurf genannt, mehrere Meter in den Marsboden zu hämmern.

Maxon Mars Sonde Inside
Die stationäre Sonde InSight landete Ende 2018 auf dem Roten Planeten. Zur Erweiterung der Solarmodule wurden RE 25-Motoren eingesetzt. Zusätzlich wird ein Gleichstrommotor vom Typ DCX 22 verwendet, um den Temperaturfühler (den Maulwurf) bis zu 5 Meter in den Boden zu hämmern. - Bild: NASA/JPL-Caltech

Gleichstrommotoren: Wie Spezialprodukte durch modifizierte Industrieprodukte ersetzt werden

Heute kann Maxon zu Recht behaupten, ein wichtiger Lieferant für Raumfahrtprojekte zu sein. Die Antriebssysteme des Schweizer Unternehmens befinden sich in Satelliten, dienen zur Regulierung von Raketentriebwerken und sind auf der Internationalen Raumstation (ISS) installiert. Dieser Erfolg ist kein Zufall. Die Ingenieure des Unternehmens haben im Laufe der Jahre viel gelernt - insbesondere aus der engen Zusammenarbeit mit Kunden, insbesondere dem Jet Propulsion Laboratory (JPL), das alle unbemannten Missionen für die NASA abwickelt. Infolgedessen wurden die Qualitätsstandards schrittweise angehoben und neue Testverfahren und -verfahren entwickelt.
Heute verfügt der Antriebsspezialist über ein spezialisiertes Team, das alle Weltraumprojekte abwickelt. Der grundlegende Ansatz für die Bewältigung aller Arten unterschiedlicher Anwendungen ist jedoch derselbe wie immer. Das Standardkatalogprodukt wird modifiziert und getestet, bis alle Anforderungen vollständig erfüllt sind. Diese Strategie spielt eine wichtige Rolle in der gegenwärtigen Revolution der Weltraummissionen. Hochpreisige Spezialprodukte werden zunehmend durch modifizierte Industrieprodukte ersetzt. Dies führt zu niedrigeren Projektkosten, was wiederum einem breiteren Teilnehmerkreis den Zugang zum Raum eröffnet. Das Unternehmen wird in den kommenden Jahren viele weitere aufregende Anwendungen für diesen New-Space-Markt entwickeln können.
Weltraummissionen machen jedoch nur einen kleinen Teil des Unternehmens aus. Die meisten DC- und BLDC-Motoren, Steuerungen, Getriebe und Encoder des Unternehmens werden in medizinischen Anwendungen, in der industriellen Automatisierung oder in der Robotik eingesetzt.

2020: Findet der Perseverance-Rover Spuren außerirdischen Lebens?

Im Juli 2020 hat die NASA den Perseverance-Rover auf den Roten Planeten gesendet, der dazu beitragen könnte, Spuren früheren Lebens zu entdecken. Seine wichtigste Aufgabe ist es, mehrere Bodenproben zu entnehmen, in Behältern zu verschließen und auf der Mars-Oberfläche abzulegen, damit eine zukünftige Mission sie zur Erde zurückbringen kann. Für die Handhabung der Proben im Rover werden mehrere BLDC-Motoren verwendet. Einige sind im Roboterarm installiert, der die Proben von Station zu Station auf dem Roten Planeten bewegt. Weitere Elektromotoren werden zum Verschließen und Ablegen der Probenbehälter verwendet.

Die Antriebe des Perseverance Rovers basieren auf Standard-Elektromotoren aus dem Katalog des Schweizer Antriebsspezialisten - neun EC 32-Flachmotoren und ein EC 20-Flachmotor in Kombination mit einem GP 22 UP-Planetengetriebe. Die Ingenieure von Maxon haben die Antriebe über viele Jahre hinweg modifiziert und gründlich getestet, und zwar in Zusammenarbeit mit den Spezialisten des Jet Propulsion Laboratory (JPL), das alle unbemannten Missionen für die NASA abwickelt.

Maxon EC 32-Flachmotoren und ein EC 20-Flachmotor
Der Perseverance Rover soll im Februar 2021 auf dem Mars eintreffen. Er nimmt zehn bürstenlose Gleichstrommotoren mit: neun EC 32 Flat (oben) und eine EC 20 Flat in Kombination mit einem GP 22 UP-Planetengetriebe. - Bild: Maxon

Der Perseverance Rover wird am 18. Februar 2021 auf dem Mars landen - aber er wird nicht allein sein. Es wird die Hubschrauberdrohne Ingenuity mit sich führen. Die Drohne wiegt 1,8 Kilogramm, ist solarbetrieben und für Luftaufnahmen auf kurzen Flügen ausgelegt. In diesem Experiment wird in erster Linie das Konzept für weitere Flug-Robotik dieser Art getestet. Sechs gebürstete DCX-Motoren mit einem Durchmesser von 10 Millimetern steuern die Neigung der Rotorblätter, die die Flugrichtung bestimmt.

Maxon Mars Helicopter
Der Mars-Hubschrauber ist auch mit Maxon-Antrieben ausgestattet. Sechs DCX-Motoren sind für die Neigung der Rotorblätter verantwortlich. - Bild: NASA/JPL-Caltech

2022: Wann startet der Exo-Mars-Rover Rosalind Franklin?

In dem Exo-Mars-Rover, den die Europäische Weltraumorganisation (ESA) an den Mars sendet, sind mehr als 50 Antriebssysteme von Maxon installiert. Der Rover mit dem Namen Rosalind Franklin sollte ursprünglich im Jahr 2018 starten. Die Mission wurde jedoch auf 2020 verschoben und ist nun für das Jahr 2022 geplant. Viele verschiedene Kombinationen von Antriebssystemen mit Gleichstrommotoren, Getrieben und Encodern sind erforderlich. Sie bewegen und steuern den Rover, fahren seinen Bohrer und bewegen seine Sonnenkollektoren, seinen Kamerakopf und vieles mehr.