Helikopter am Mars Anlauf, Bild: NASA

Sechs nur zehn Millimeter große DCX-Gleichstrommotoren sitzen direkt an der Rotorwelle des Helikopters und verstellen die Blattwinkel, um ihn zu steuern. Bild: NASA

Marsmissionen mögen inzwischen wie Routine erscheinen, doch nach wie vor schaffen es nur wenige Systeme heil bis zur Oberfläche. Das hat auch die Europäische Weltraumorganisation (ESA) schmerzhaft erleben müssen, als ihr Lander Schiaparelli 2016 auf dem Roten Planeten zerschellte. Immerhin hat die US-Raumfahrtbehörde NASA bereits vier Roboterfahrzeuge erfolgreich zum Mars gebracht. Und mit dem Perseverance-Rover, gestartet am 20. Juli 2020 an der Spitze einer Saturn-V-Rakete, will sie im Februar 2021 erneut Geschichte schreiben. Zum ersten Mal werden wir Menschen Livebilder von einer Marslandung sehen. Hochauflösende Videokameras vermitteln das Gefühl, selbst auf unserem Nachbarplaneten zu landen.

maxon macht Mars-Mission mobil

Der bürstenlose DC-Motor EC 32 flat: Neun solcher Gleichstrommotoren mit einem Durchmesser von 32 Millimetern werden im Rover eingesetzt. Bild: maxon

Elektromotoren von maxon wurden auf dem Roten Planeten schon häufig eingesetzt und haben kosmischer Strahlung, Staubstürmen und Temperaturschwankungen standgehalten. Mit dem Rover „Perseverance“ fliegen Präzisionsantriebe erneut zum Mars. Der Schlüssel zum Erfolg: Standard-Katalogprodukte. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden diese Gleichstrommotoren in praktisch allen erfolgreichen Robotermissionen eingesetzt. Mehr als 100 von ihnen befinden sich bereits auf dem Roten Planeten, und die Zahl wird weiter steigen, sobald der NASA Perseverance Rover 2021 seine Arbeit aufnimmt. Die meisten DC- und BLDC-Motoren, Steuerungen, Getriebe und Encoder des Schweizer Unternehmens werden jedoch in medizinischen Anwendungen, der industriellen Automatisierung oder der Robotik eingesetzt.

DCX-Motoren, Bild: maxon
Ohne sie läuft nichts: Sechs nur zehn Millimeter dicke DCX-Motoren verstellen die Rotorblätter des Helikopters und ermöglichen so dessen Steuerung. Bild: maxon

Doch bis Menschen auf dem Mars landen, wird es noch dauern. Aus diesem Grund müssen vorerst Roboter die Arbeit verrichten. Perseverance landet im Jezero-Krater, der einst mit Wasser gefüllt war. Dort soll er untersuchen, ob die Gegend früher lebensfreundlich gewesen ist. Gleichzeitig wird der Rover nach Spuren von früherem Leben suchen, sogenannten Biosignaturen. Hiefür ist er mit verschiedenen Messinstrumenten ausgestattet. Die dritte Aufgabe besteht darin, mit einer Technologiedemonstration den Weg für bemannte Missionen zu ebnen. Ein Instrument namens MOXIE wird dazu den geringen Anteil von Sauerstoff aus der Marsatmosphäre extrahieren. Diese Technik wäre für bemannte Missionen fundamental, um Sauerstoff zum Atmen und für Treibstoff erzeugen zu können.

Das Geheimnis des Lebens

Rover Getriebe, Bild: maxon
Technik im Detail: eines der Antriebssysteme für den Rover, bestehend aus einem BLDC-Motor EC 20 flat und einem Getriebe GP 22 UP. Bild: maxon

Die spektakulärste und technisch anspruchsvollste vierte Mission: Perseverance wird bis zu 30 Bodenproben entnehmen, diese einzeln in Behälter füllen, versiegeln und schließlich an einem geeigneten Platz deponieren, damit eine spätere Mission die Proben einsammeln und zur Erde zurückbringen kann. Für Wissenschaftler wäre es das höchste der Gefühle, wenn sie saubere Marsproben erhielten und hier – mit allen modernen Mitteln – untersuchen könnten. Oder wie es die NASA ausdrückt: Diese Proben haben das Potenzial, uns die Basis und Entstehung von Leben in unserem Sonnensystem zu erklären.

Helikopter auf dem Mars, Bild: NASA
Sechs nur zehn Millimeter große DCX-Gleichstrommotoren sitzen direkt an der Rotorwelle des Helikopters und verstellen die Blattwinkel, um ihn zu steuern. Bild: NASA

Um die Proben einzusammeln, müssen drei Systeme nahtlos funktionieren: Zunächst bohrt sich der große Roboterarm vorne am Rover ins Marsgestein und entnimmt eine Probe, die er dann ins Karussell steckt. Dieses transportiert die Probe ins Innere des Rovers. Dort übernimmt das dritte System, wiederum ein wesentlich kleinerer Roboterarm namens SHA. Dieser entnimmt die Probe dem Karussell, führt sie zur Volumen- und Bildprüfung, dann zur Versiegelungsstation und schließlich ins Zwischenlager – alles autonom.

An dieser Stelle betritt maxon die Bühne. Denn bei der Handhabung der Proben sind mehrere BLDC-Motoren im Spiel. Sie sind unter anderem im SHA-Roboterarm verbaut, der die Proben von Station zu Station navigiert, die Probenbehälter versiegelt und sie schließlich platziert.

Erfolgsrezept bleibt unverändert

Ingenieur am JPL, Bild: NASA
Ein Ingenieur am JPL befestigt den Hubschrauber auf der Unterseite des Rovers. Nach der Ankunft auf dem Mars wird das Fluggerät mithilfe eines maxon Antriebs auf dem Boden abgesetzt. Bild: NASA

Genau wie die mehr als 100 maxon Antriebe, die bisher auf dem Mars ihre Arbeit verrichtet haben, basieren die Perseverance-Motoren auf Standard-Katalogprodukten: Es handelt sich um neun bürstenlose DC-Motoren EC 32 flat und einen EC 20 flat in Kombination mit einem Planetengetriebe GP 22 UP. Der bürstenlose Gleichstrommotor EC 32 flat hat einen Durchmesser von 32 Millimetern. Dank der flachen Bauform sind sie für viele Anwendungen genau der richtige Antrieb. Die durchdachte, einfache Konstruktion erlaubt eine weitgehend automatisierte Fertigung.

Natürlich waren Anpassungen nötig, damit die Antriebe die hohen Anforderungen der Mission erfüllen. Doch die Basis der Antriebe unterscheidet sich nicht von Modellen, die auf der Erde in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden.

Ulrich Claessen, Group CTO, maxon

„In den vergangenen Jahren hat unser Unternehmen die Weltraumprojekte in eine neue Dimension gehoben: Alle Entwicklungs- und Herstellprozesse wurden verbessert, um den hohen Anforderungen unserer Kunden gerecht zu werden. maxon verfügt heute über ein einzigartiges Portfolio an Antrieben für den Einsatz auf dem Mars. Und wir arbeiten bereits an den Projekten für die Zukunft.“

„Igenuity“: der Mars-Hubschrauber

Rover am Mars, Bild: NASA
Auf dem Weg zum Mars: Ab Februar 2021 soll der Rover Perseverance untersuchen, ob es auf dem Roten Planeten Leben gab; mehrere Antriebe von maxon sorgen für Bewegung. Bild: NASA

Wenn der Perseverance-Rover am 18. Februar 2021 auf dem Mars landet, wird er nicht allein sein. Er hat die Hubschrauberdrohne Ingenuity im Gepäck. Die Drohne wiegt 1,8 Kilogramm, ist solarbetrieben und für Luftaufnahmen auf kurzen Flügen ausgelegt. Mit diesem Experiment wird in erster Linie das Konzept für weitere Drohnen ihrer Art getestet. Auch hier ist maxon an Bord. Sechs gebürstete DCX-Motoren mit einem Durchmesser von zehn Millimetern steuern die Neigung der Rotorblätter, die die Flugrichtung bestimmt.

Die bürstenbehafteten DCX-10-Motoren zeichnen sich vor allem durch eine hohe Leistungsdichte, also das Drehmoment pro Volumen und ihre absolute Laufruhe sowie eine robuste Konstruktion aus. Hierfür sorgt eine weltweit patentierte eisenlose Wicklung. Sie macht die DCX-Motoren zu einem hochdynamischen Antrieb in fast jeder Lebenslage.

Die Zusammenarbeit mit JPL

Roboterarm, Bild: NASA
Der Roboterarm, der die Proben im Inneren des Rovers bewegt: Neun bürstenlose DC-Motoren EC 32 flat, ein EC 20 flat und ein Planetengetriebe GP 22 UP sitzen an den entscheidenden Stellen. Bild: NASA

Die maxon Ingenieure haben die vier Motoren und Getriebe drei Jahre modifiziert und wiederholt getestet. Dabei haben sie eng mit den Spezialisten des Jet Propulsion Laboratory (JPL) zusammengearbeitet, das im Auftrag der NASA alle unbemannten Missionen durchführt. Die Space-Experten aus Pasadena waren oft am Schweizer Hauptsitz der Elektromotoren-Experten anzutreffen. „Durch diese Zusammenarbeit konnten wir sehr viel lernen“, sagt Robin Phillips, Leiter des SpaceLab bei maxon. Das zeigt sich in gesteigerten Qualitätsstandards sowie neuen Prüfverfahren und Prozessen. „Davon profitieren auch Kunden aus anderen Bereichen wie etwa der Medizin, wo die Anforderungen teilweise ähnlich sind.“

Phillips und sein Team werden die Landung des Perseverance-Rovers und dessen Tätigkeiten gespannt verfolgen, schließlich hängt vieles vom Funktionieren der maxon Antriebe ab. Er sagt: „Wir sind in absolut kritische Anwendungen involviert. Wenn der Roboterarm, an dem unsere BLDC-Motoren montiert sind, sich nicht bewegt oder der Greifer nicht funktioniert, dann ist die ganze Mission ein Misserfolg.“

Robin Phillips, Leiter des SpaceLab bei maxon

„Durch die Zusammenarbeit mit dem JPL konnten wir sehr viel lernen. Davon profitieren auch Kunden aus anderen Bereichen wie etwa der Medizin, wo die Anforderungen teilweise ähnlich sind.“

Auf einen Blick

Perseverance soll Spuren von früherem Leben (Biosignaturen) auf dem Mars suchen, Bodenproben entnehmen und für die Rückkehr zur Erde vorbereiten. Zudem sollen Experimente den Weg für bemannte Missionen ebnen.

DIE REISE

■ Transportmittel: Atlas V-401

■ Startort: Cape Canaveral Air Force Station, Florida (USA)

■ Landedatum: 18. Februar 2021

■ Landeort: Jezero-Krater

DER MARS

■ Distanz zur Sonne: 227,94 Millionen Kilometer

■ Planetentyp: terrestrisch

■ Durchschnittstemperatur: -55 Grad Celsius

DIE FAKTEN

■ Geplante Missionsdauer: Mindestens ein Marsjahr (687 Erdtage)

■ Gewicht: 1025 Kilogramm

■ Länge Rover: 3 Meter

■ Höhe Rover: 2,2 Meter

Fünf Herausforderungen, die ein Mars-Elektromotor meistern muss

Der Weltraum verzeiht keine Fehler. Deshalb müssen Präzisionsantriebe, die den Weg zu fremden Planeten antreten, höchste Qualitätsstandards erfüllen. Jeder Marsantrieb von maxon basiert auf einem Katalogprodukt, modifiziert für die jeweilige Mission. Denn auf die DC-Motoren, Getriebe und Encoder warten brutale Anforderungen.

Vibration und Schock

Zunächst muss der Antrieb den Raketenstart überstehen. Schocks stellen eine besonders große Herausforderung für Standardprodukte dar, vor allem, wenn sich die erste Stufe vom Rest der Rakete abtrennt. Die hierbei auftretenden Kräfte würden normale Motoren zerstören, weil sie Rotor und Stator auseinanderreißen. maxon verstärkt die Antriebe entsprechend durch Kapselung, spezielle Schweißungen und Sicherungsringe sowie optimierte Materialien.

Vakuum und Strahlung

Während der sechsmonatigen Reise zum Mars müssen die Antriebe Vakuum und schädliche Strahlung hochenergetischer Partikel außerhalb des Sonnensystems ertragen. Sie können die Elektronik zerstören. Das erfordert eine speziell gehärtete Elektronik für die Hallsensoren der Motoren. Diese werden zudem paarweise eingebaut, um die Sicherheit weiter zu erhöhen. Und der eingesetzte Klebstoff darf seine chemischen Eigenschaften im luftleeren Raum nicht verändern.

Gewichtsreduktion

Raketen können nur eine begrenzte Ladungsmasse transportieren. Außergewöhnliche Formen, dünnere Gehäusewände oder Titan statt Stahl halten sie gering. Da die Betriebsdauer im Vergleich zu Industrieanwendungen kurz ist, reicht die kleinstmögliche Baugröße des Antriebs.

Marsatmosphäre

Der Motor muss über die gesamte Missionsdauer einwandfrei funktionieren. Die dünne Atmosphäre erfordert geeignete Schmierstoffe, die nicht ausgasen und ihre Eigenschaften behalten. Speziell bei bürstenbehafteten DC­-Motoren ist zudem die richtige Bürstenmischung wichtig. Da sich auf dem Mars keine Patina aufbaut, sind spezielle Bürsten mit Silbergrafit mit 15 Prozent MoS2 imprägniert. Normale Motoren würden nach wenigen Stunden ausfallen.

Qualitätstests

Jedes einzelne Bauteil wird geprüft, zusätzlich jede montierte Baugruppe. Eine Dokumentation weist nach, dass der Motor genau den Vorgaben entspricht. Die Flugmodelle müssen exakt identisch sein mit den Einheiten, die qualifiziert wurden, denn sie haben dasselbe erlebt wie ihre Zwillinge auf dem Mars, wurden auf Shaker gestellt, Temperaturzyklen ausgesetzt und Lebensdauertests unterzogen. Die Geschichte von Space-­Missionen zeigt: Ohne diesen Aufwand geht etwas schief. Der Weltraum verzeiht keine Fehler.

Gespräch mit Matt Keennon, AeroVironment

Matt Keennon, Bild: AeroVironment Inc.
„Gemeinsam mit maxon haben wir eine riesige Wissensbasis geschaffen.“ Matt Keennon, Raumfahrtingenieur und Project Manager, AeroVironment Inc. Bild: AeroVironment

„Unglaublich wertvolle Daten“

Zum ersten Mal wird ein Hubschrauber auf dem Mars abheben. Raumfahrtingenieur Matt Keennon. Programmdirektor beim US-amerikanischen Technologieunternehmen AeroVironment, erklärt, wie die unmögliche Mission Realität geworden ist. Und welche Rolle die Motoren und Getriebe von maxon dabei spielen.

Zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit wird auf dem Mars ein Hubschrauber eingesetzt. AeroVironment war beim Bau des Hubschraubers involviert. Nervös?

Und wie! Schließlich gibt es vom Start bis zur Landung auf dem Mars viele Unbekannte. Der Betrieb eines Hubschraubers in einer so feindseligen Umgebung ist ein absolutes Novum. Das gesamte Team – von JPL über NASA Ames und NASA Langley bis hin zu uns hier bei AeroVironment – gab sich große Mühe, alle Risiken zu eruieren und auf ein Minimum zu beschränken.

Wie kam die Idee für einen Mars-Hubschrauber zustande?

Die Idee, ein flugfähiges Gerät auf dem Mars abheben zu lassen, reicht Jahrzehnte zurück. So veröffentlichten rumänische Wissenschaftler bereits 1993 eine Arbeit über ein solarbetriebenes Senkrechtstartfahrzeug für den Mars. Die NASA führte in den späten 90er-Jahren einen Wettbewerb durch, bei dem Studierende ein Konzept für einen Mars-Hubschrauber erarbeiten mussten. Der aktuelle Mars-Hubschrauber Ingenuity ist die Idee von Bob Balaram von JPL, der schon seit über 20 Jahren mit uns zusammengearbeitet hatte. Er ist der Chefingenieur bei diesem Projekt und leitete es auch von Anfang an.

Welche Erkenntnisse erhofft sich die Wissenschaft von den Flügen und den Flugbildern?

Obwohl jeder Flug weniger als zwei Minuten dauert, werden sie unglaublich wertvolle Daten liefern, die uns helfen, die Umwelt auf dem Mars auf neue Art und Weise besser zu verstehen.

Die Luft auf dem Mars ist so dünn wie auf der Erde in 30 Kilometern Höhe. Wie wahrscheinlich ist es, dass die kleine Drohne tatsächlich auf dem Roten Planeten abhebt?

Meine Zuversicht ist groß, dass der Hubschrauber abheben und fliegen wird, vorausgesetzt, er kommt sicher an. AeroVironment hat schon solar- und batteriebetriebene Flugzeuge gebaut, die erfolgreich in dieser Höhe bei dieser geringen Luftdichte geflogen sind. Diese Flugzeuge flogen mit Propellern, die den Rotorblättern des Mars-Hubschraubers Ingenuity sehr ähnlich sind.

Wie viele Personen sind daran beteiligt, und wie lange läuft dieses Pionierprojekt bereits?

Die Entwicklung des Mars-Hubschrauber-Innovationsprojekts hat 2013 begonnen. Im Laufe der Zeit werden wohl mehrere Hundert Personen dabei und Dutzende von Unternehmen beteiligt gewesen sein. Sie mussten, wie maxon, maßgefertigte und nach unglaublich strengen Spezifikationen getestete Komponenten entwickeln. Es war nicht immer einfach, die Anforderungen der Mission zu erfüllen, aber jetzt haben wir es geschafft.

Warum maxon?

maxon verfügt über äußerst wertvolle Erfahrung im Space-Bereich und war auch schon maßgeblich am Erfolg des „Nano Hummingbird“-Flugzeugs von AeroVironment Anfang der Nullerjahre beteiligt. Das war der erste Kolibri-Roboter, der einen 8-mm-Gleichstrom-Bürstenmotor von maxon für den Antrieb verwendet.

Wie sind die Anforderungen an die Gleichstrommotoren?

Aspekte wie Gewicht, Länge, Betriebsspannung, Wirkungsgrad bei einem bestimmten Drehmoment und einer bestimmten Drehzahl, Lebensdauer unter einer bestimmten Last, Lagertemperatur, Betriebstemperatur oder der Widerstand gegen das Eindringen von Staub sind nur einige Punkte.

Wie lief die Zusammenarbeit mit maxon?

Die kleinen Gleichstrommotoren sind die schwierigste Komponente in diesem Projekt. Die Zusammenarbeit mit maxon war und ist in jeder Hinsicht großartig. Dank der intensiven Zusammenarbeit konnte gemeinsam eine riesige Wissensbasis geschaffen werden.

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