Wie Linearmotoren surfen und Flugbahnen stabilisieren

Eine Kapsel mit Materialproben auf dem Rückweg zur Erde. Fliehkräfte bis zu zwölf G zerren an Ihr, Temperaturen zwischen -270 und 5000 Grad attackieren Ihre Hülle. Die Kapsel muss all das aushalten, um Antworten auf eine wichtige Frage zurück zu bringen: Wie ist das Leben auf unserem Planeten entstanden?

Nach Hinweisen suchen Wissenschaftler mit Hilfe von Raumsonden unter anderem auf Asteroiden und Kometen. Denn es gibt Indizien, dass diese eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens spielten. Natürlich muss die Kapsel mit ihren kostbaren Proben den Eintritt in die Erdatmosphäre und die Landung unbeschadet überstehen. Genau das ist das Ziel des Hades-Projektes an der Schweizer Hochschule für angewandte Wissenschaften in Genf, das von Faulhaber gesponsert wird. Zur dynamischen Stabilisierung der Fluglage der Kapsel setzt das Hades-Team auf Linearmotoren von Faulhaber.

1969 betraten Neil Armstrong und Buzz Aldrin als erste Menschen den Erdtrabanten. Ihre Mondlandemission war auch die erste Raumfahrtunternehmung, bei der auf einem Himmelskörper Proben gesammelt und zur Erde gebracht wurden. Bis heute arbeiten Wissenschaftler an deren Auswertung und gewinnen immer wieder neue Erkenntnisse aus dem Material. Zum Einsammeln von kosmischem Gestein ist die bemannte Raumfahrt aber eigentlich zu aufwendig. Seit Apollo 11 sind es daher vor allem unbemannte Sonden, die Substanzen von Himmelskörpern holen.

Brachten die berühmten Astronauten noch mehrere Zentner Mondgestein mit nach Hause, begnügen sich die unbemannten Missionen in der Regel mit wenigen Gramm des kosmischen Materials. Dank moderner Untersuchungsmethoden reichen auch kleinste Mengen für tiefgreifende Forschung aus. Sie hilft den Wissenschaftlern, die Vorgänge bei der Entstehung unseres Sonnensystems besser zu verstehen. Außerdem wurde in solchen Proben auch die Aminosäure Glyzin nachgewiesen. Dieser Eiweißbaustein ist demnach mit Meteoriten auf die Erde gelangt und hat wahrscheinlich entscheidend zur Entstehung des Lebens auf unserem Planeten beigetragen. Bevor die Proben untersucht werden können, müssen sie freilich erst zur Erde zurückgelangen. Dafür verwendet man bei den unbemannten Missionen sogenannte Rückholkapseln. Sie werden in einem genau berechneten Moment von der Raumsonde gelöst und mit einem kleinen Schubs auf den Weg gebracht. Die Anziehungskraft der Erdmasse lässt sie schließlich in einem vorausberechneten Gebiet landen.

Wie alle Objekte, die aus dem All in die Erdatmosphäre eintreten, heizt sich auch die Kapsel bei Kontakt mit der Atmosphäre stark auf. Gegen diese Einwirkung ist sie durch ihre rund-ovale Form und ein Hitzeschild wirksam geschützt. Eine besonders kritische Phase der Rückkehr beginnt erst kurze Zeit später, nachdem sie vom Luftwiderstand bereits stark abgebremst wurde und sich "nur" noch mit Unterschallgeschwindigkeit bewegt.

In diesem Abschnitt ihres Fluges ist die Kapsel bereits der irdischen Aerodynamik ausgesetzt. Jeder Luftwirbel beeinträchtigt ihre Flugbahn und ihre Ausrichtung. Ohne Flügel und Klappen gibt es keine Möglichkeit der Stabilisierung von außen. Es besteht die Gefahr, dass die Kapsel ins Trudeln gerät. Das geschah etwa mit der Rückholkapsel der Genesis-Mission der NASA im Jahr 2004. Sie verlor in dieser Flugphase ihre vorgesehene Ausrichtung, konnte den Fallschirm nicht auslösen und stürzte ungebremst zu Boden.

"Dieses Szenario wollen wir verhindern, indem wir die Lage der Kapsel während ihres Fluges durch die Atmosphäre stabilisieren", erklärt Aurélien Walpen von der Fachhochschule Westschweiz (HESSO), die Campusse in Genf und Freiburg unterhält. Als Masterstudent arbeitet er dort am Hades-Projekt mit. "Einer unserer Professoren ist im Bereich Raumfahrt sehr aktiv und hat uns mit dem Problem der Rückholkapsel konfrontiert. Wir haben verschiedene Konzepte durchgespielt, sind dann aber bald zu unserer allerersten Idee zurückgekehrt: Stabilisierung durch Schwerpunktverlagerung."

Die Kapsel soll im Prinzip dasselbe tun, was einen Surfer beim Wellenreiten auf dem Brett hält: Er gleicht die Einwirkung seines dynamischen "Untergrundes" aus, indem er sein Körpergewicht einsetzt und dessen Schwerpunkt ständig verlagert. "In die Sprache der Mechanik übersetzt, findet die ausgleichende Bewegung auf der x- und der y-Achse statt. Wenn man je ein Gewicht auf diesen Achsen hin- und herschiebt, kann man die von außen einwirkenden destabilisierenden Kräfte kompensieren."

Es lag nahe, lineare DC-Servomotoren im Inneren der Kapsel zu verwenden, um die beiden Gewichte zu bewegen. Praktischerweise reicht in diesem Fall die Motormasse selbst aus, um als Ausgleichsgewicht zu fungieren. Die stabilisierende Wirkung wird bereits erreicht, indem zwei Motoren auf ihren Achsen hin- und herflitzen. Zusätzliches "totes Gewicht" wird nicht benötigt. Auf der Suche nach zuverlässigen Lösungen für diese Aufgabe und den entsprechenden Linearmotoren entschieden sich die Experten von ESA und HADES für Faulhaber. Im Portfolio fanden sie den passenden Antrieb für diese ausgefallene Aufgabe, der die physikalische Anforderungen optimal erfüllte. Diese sind beträchtlich. Als erstes müssen sie ziemlich robust sein, um die enormen Kräfte beim Raketenstart und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre auszuhalten. Vor allem bei letzterem wird es in der Kapsel ziemlich heiß – nachdem sie im All extrem tiefen Temperaturen und dem dort herrschenden Vakuum ausgesetzt war. All das darf die Motoren nicht daran hindern, ihre Aufgabe zuverlässig und schnell zu erfüllen. Pro Sekunde müssen sie auf ihrer Bewegungsachse bis zu viermal hin- und herfahren können. Dabei müssen beträchtliche Brems- und Fliehkräfte ausgeglichen werden. Gleichzeitig ist Platz, wie immer in der Raumfahrt, ein sehr knappes Gut. Der Motor muss also bei kleinsten Ausmaßen Höchstleistung liefern.

"Auch hier haben wir verschiedene Typen ausprobiert, um schließlich bei unserer ersten Wahl zu bleiben", erklärt Aurélien Walpen. "Der lineare DC-Servomotor LM 2070-12 von Faulhaber hat in allen wichtigen Punkten die besten Werte erreicht und sich als der zuverlässigste Antrieb erwiesen. Wichtig war auch, dass man die Motorsteuerung sehr leicht programmieren und ins Gesamtsystem einbinden kann."

Getestet wurde das Ganze in Klima- und Vakuumkammern sowie im Windkanal der Genfer Uni. Dort hat man die Reaktion der Kapsel auf den Luftwiderstand beim Flug durch die Atmosphäre simuliert. Dabei haben die Linearmotoren zuverlässig ihre Lage stabilisiert. Der für März 2020 geplante Praxistest mit echter Rückkehr aus dem Weltraum musste wegen der Corona-Krise ins Frühjahr 2021 verschoben werden. Die Kapsel wird an Bord einer Rexus-Rakete vom Esrange Space Centre im nordschwedischen Kiruna aufsteigen. Nach einer Beschleunigung auf 20 G soll sie eine Spitzengeschwindigkeit von 4.300 Stundenkilometer erreichen und sich 100 Kilometer von der Erdoberfläche entfernen. Von dort wird die Rückholkapsel zurückgeschickt und wird dank Faulhaber sicher zur Erde zurückkehren.