Eine Drohne auf dem Mars
Als der Mars-Rover „Perseverance“ der US-Weltraumagentur NASA am 18. Februar auf dem roten Planeten landete, da hielten überall auf der Welt interessierte Beobachter kurz den Atem an. Nicht zuletzt in der kleinen Gemeinde Sachseln im schweizer Kanton Oberwalden. Denn dort ist die Maxon Motor AG ansässig, ein Hersteller von präzisen Kleinmotoren und Antriebssystemen, die unter anderem in unbemannten Flugsystemen zum Einsatz kommen. Bereits mehrfach belieferten die Eidgenossen zudem die NASA, auch bei der aktuellen Mars-Mission kommen Maxon-Motoren zum Einsatz. (Lese-Tipp: Kameradrohne auf der Internationalen Raumstation ISS) Nicht nur in „Perseverance“, sondern auch in „Ingenuity“ – der ersten Drohne, die in der Mars-Atmosphäre fliegen soll. Wenn dabei alles klappt wie geplant, dann ist das auch ein Verdienst von Robin Phillips, Head of Space Labs bei Maxon. Doch wie baut man eigentlich den Antrieb für eine Drohne auf dem Mars? Drones fragt nach.
Von Jan Schönberg
Drones: Eine Mars-Mission ist ein milliardenschweres Projekt mit einem gewaltigen logistischen und technischen Aufwand: Wie kam es dazu, dass Maxon spezielle Motoren für „Ingenuity“ entwickeln durfte?
Robin Phillips: Unsere bürstenbehafteten Industriemotoren haben im Verhältnis zu Masse und Volumen eine sehr hohe Leistungsdichte. Genau diese Eigenschaften sind bei Space-Missionen gefragt, bei denen vor allem dem Gewicht enge Grenzen gesetzt sind. Für unsere Arbeit am europäischen ExoMars-Rover-Projekt haben wir schon zuvor die erforderlichen Modifikationen entwickelt, um unsere Motoren weltraumtauglich zu machen. Daher war es relativ einfach, äquivalente Anpassungen auch für die kleinen Motoren vorzunehmen, die bei „Ingenuity“ zum Einsatz kommen.
Welche speziellen Faktoren müssen denn berücksichtigt werden, damit Motoren unter den spezifischen Bedingungen des Mars zuverlässig funktionieren?
Zum einen werden andere Materialien als für gewöhnliche Industrieanwendungen auf der Erde benötigt, die den extremen Bedingungen auf dem Mars standhalten. Und zum anderen sind zusätzliche Befestigungen von den Hauptteilen im Motor erforderlich. Man muss bedenken, dass schon die Reise zum roten Planeten einiges an Extrembelastungen bereit hält. Extreme Vibrationen sowie ruckartiges beschleunigen und abbremsen bei Start und Landung. Während der mehrmonatigen Reise herrschen Vakuum-Bedingungen und später auf dem Mars müssen alle Komponenten unter den spezifischen Bedingungen einer dünnen CO2-Atmosphäre zuverlässig funktionieren und dabei noch enormen Temperaturschwankungen sowie extremer Kälte bis zu -130 Grad Celsius standhalten.
Wie viele Ihrer Motoren kommen denn in der Drohne zum Einsatz und wofür genau werden sie bei „Ingenuity“ eingesetzt?
In der Drohne befinden sich sechs DCX10-Motoren, die die Taumelscheibe kontrollieren, die für die Lenkung zuständig ist. Darüber hinaus sind überhaupt nur zwei weitere Motoren im Hubschrauber vorhanden, die die Rotorblätter antreiben. Diese sind eine Eigenentwicklung von UAV-Hersteller Aerovironment. Da die Antriebsmotoren so eng in das Design integriert werden mussten, kam an dieser Stelle kein externer Lieferant in Frage.
Wie lange haben Sie an dem Projekt gearbeitet und wie konnten Sie eigentlich eine Testumgebung schaffen, um die Funktionalität in der Mars-Atmosphäre zu erproben?
Da wir als Unternehmen ja schon einige Erfahrung mit Weltraumprojekten haben konnten wir über mehrere Jahre unsere Testumgebung aufbauen, um Space-Motoren zu testen. Vom ersten Kundenkontakt bis hin zur Lieferung der Flugeinheiten hat es in diesem Fall nur etwa zwei Jahre gedauert. Für ein Space-Projekt ist das sehr wenig und deutet auf den experimentellen Charakter des Projekts hin. Hier ging daher Geschwindigkeit tatsächlich vor Gründlichkeit, da mit dieser Mission zunächst einmal nur der Beweis erbracht werden soll, dass eine Drohne auf dem Mars überhaupt autonom fliegen kann. Die Vorgehensweise ist vergleichsweise mit der, die bereits beim ersten Rover-Projekt Sojourner im Jahr 1997 angewendet wurde. Wenn das erste Experiment erfolgreich ist, kann mehr Arbeit in ein komplexeres System für die Zukunft investiert werden. Bei möglichen weiteren Missionen werden dann auch wissenschaftliche Experimente durchgeführt und auch größere UAV eingesetzt werden.
Welche Erkenntnisse können Sie aus dem „Mars-Motoren-Projekt“ für Produkte gewinnen, die in Drohnen auf der Erde eingesetzt werden?
Maxon entwickelt für professionelle Drohnen-Antriebe speziell dafür angelegte Motoren und Steuerungen, um die hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Zudem fokussieren wir uns auf Gewichts- sowie Systemeffizienz-Optimierungen für möglichst lange und sichere Flugmissionen. Die zugrundeliegende Technologie basiert auch bei diesen Produkten auf unseren Industrie-Steuerungen und -motoren, die durch Projekte wie Mars-Missionen laufend verbessert werden.
Also sind Weltraummissionen für sie vor allem auch Möglichkeiten, Forschung und Entwicklung voranzutreiben?
Einen Hauptgrund für Maxon, die Mars-Motoren zu entwickeln ist, dass die Verbesserungen, die wir an den Motoren vornehmen, oft in die normalen Serienproduktionen einfließen können. Im konkreten Fall also beispielsweise neue Ideen, um Gewicht zu reduzieren oder die Lebensdauer zu verlängern. Beides ja auch hoch relevante Faktoren für UAV-Anwendungen auf der Erde. Wir vertiefen durch solche Projekte also unser Wissen über die einzelnen Bauteile im Motor, über die Verbindungstechnologien, welche wir verwenden und über das Verhalten des Motor-Designs unter extremsten Umweltbedingungen.
Hand aufs Herz: Was würde es für ein Unternehmen wie Maxon bedeuten, sollten ausgerechnet Ihre Motoren ausfallen und die „Ingenuity“-Mission deshalb scheitern?
In der Tat wäre es eine extreme Enttäuschung und jedoch sind wir sehr zuversichtlich, dass dies nicht passieren wird. Es gibt standardisierte Entwicklungsverfahren, die über Jahrzehnte von der Weltraumindustrie entwickelt wurden, und diesen haben wir strikt befolgt. Dabei wird jedes Teil der Mission geprüft. Ein Motor wird Vibrations-, Schock-, Temperatur- und Lebensdauertests ausgesetzt und wenn er diese Tests besteht, dann wissen wir mit sehr hoher Sicherheit, dass das Design für die jeweilige Mission geeignet ist. Danach müssen die tatsächlich eingesetzten Flugeinheiten „nur noch“ nach denselben Standards wie die Erprobungseinheiten gebaut werden. Maxon hat auch hierfür etablierte Abläufe geschaffen, die von hoch qualifizierten Produktionsmitarbeitern befolgt werden. Jeder Bauschritt wird dokumentiert und geprüft, bevor es mit dem nächsten Schritt weitergeht. Die Wahrscheinlichkeit, das im Einsatz etwas schief geht, ist somit recht gering.
