Perseverance-Rover, Bild: Maxon

Perseverance-Rover - Bild: Maxon

| von Stefan Roschi, Corporate Marketing Communication, Maxon Group

Mit dem Perseverance-Rover sind erneut Präzisionsantriebe zum Mars geflogen. Das Erfolgsrezept bleibt gleich: industrielle Standardprodukte.

Marsmissionen ohne Maxon-Antriebssysteme? Undenkbar! Denn in den letzten zwei Jahrzehnten sind die DC-Motoren in praktisch allen erfolgreichen Robotermissionen eingesetzt worden. Mehr als 100 Stück befinden sich inzwischen auf dem Roten Planeten – und die Zahl wird weiterwachsen, sobald der NASA-Rover Perseverance in diesem Jahr seine Arbeit aufnimmt. Dabei machen Space-Missionen nur einen kleinen Teil der Projekte von Maxon aus. Die meisten DC- und BLDC-Motoren, Steuerungen, Getriebe und Encoder des Schweizer Unternehmens landen in medizinischen Anwendungen, in der Industrieautomation oder in der Robotik.

Alle auf dem Mars eingesetzten Antriebe basieren auf Standardantrieben.

Mit 11 DC-Motoren ins Ungewisse

Wieso also ist der Antriebstechnikspezialist ein so wichtiger Lieferant für Weltraumprojekte? Die kurze Antwort lautet: wegen der hohen Qualität der Standardprodukte. Alle Antriebe, die bisher auf dem Mars eingesetzt worden sind, basieren auf Katalogprodukten, die auf der Erde in allen möglichen Anwendungen eingesetzt werden. Natürlich sind jeweils Modifikationen nötig, damit die Produkte den harschen Bedingungen trotzen können. Doch die Basis der Konstruktionen unterscheidet sich nicht.

Maxon – Kleiner Beitrag zu einer Space-Revolution

  • Heute darf Maxon zu Recht behaupten, ein wichtiger Lieferant für Weltraum-Projekte zu sein. Die Schweizer Antriebssysteme finden sich in Satelliten, regulieren Raketentriebwerke oder kommen auf der internationalen Weltraumstation ISS zum Einsatz.

  • Ein spezialisiertes Team handhabt inzwischen alle Space-Projekte. Doch das Prinzip hinter den Lösungsansätzen für die verschiedensten Anwendungen ist nach wie vor dasselbe: Das Standard-Katalogprodukt wird modifiziert und getestet, bis es alle Anforderungen komplett erfüllt. Hochpreisige Spezialprodukte werden vermehrt durch modifizierte Industrieprodukte ersetzt. Das führt zu günstigeren Projekten, die wiederum einer größeren Gruppe den Zugang zum Weltraum ermöglichen.

  • Der Erfolg kommt nicht von ungefähr. Über die Jahre haben die Ingenieurinnen und Ingenieure viel gelernt – vor allem durch die enge Zusammenarbeit mit den Kunden, insbesondere mit dem Jet Propulsion Laboratory JPL, das im Auftrag der NASA alle unbemannten Missionen handhabt. Dadurch ließen sich die Qualitätsstandards sukzessive steigern und neue Prüfverfahren und Prozesse konnten erarbeitet werden.
EC 32 flat, Bild: Maxon
Der EC 32 flat – neun Exemplare dieses Motors finden sich im Perseverance-Rover (großes Bild), der am 18. Februar 2021 auf dem Mars angekommen ist. - Bild: Maxon

Das war bereits 1997 so, als zum ersten Mal in der Geschichte ein Fahrzeug auf der Marsoberfläche herumkurvte, Bilder schoss und den Boden untersuchte. Der Sojourner Rover der NASA, mit sechs Rädern und einem Gewicht von nur elf Kilogramm, sollte damals ein relativ günstiges Experiment werden. Entsprechend setzte man auf möglichst viele industrielle Standardprodukte – so wie die elf DC-Motoren, die für Antrieb, Lenkung und die Bedienung wissenschaftlicher Instrumente sorgten.

Planetengetriebe GP 22 UP, Bild: Maxon
Auch die modifizierte Antriebskombination aus einem bürstenlosen DC-Motor EC 20 flat und dem Planetengetriebe GP 22 UP kommt im Perseverance-Rover zum Einsatz. - Bild: Maxon

Die Maxon-Antriebe mit ihrem typischen eisenlosen Rotor und der rautenförmigen Wicklung waren leistungsstärker und dynamischer als herkömmliche DC-Motoren. Zudem modifizierten die Ingenieure die Bürsten und den Schmierstoff. Wirklich sicher, ob dies alles für eine gelungene Marsmission ausreichen würde, war man sich zu dieser Zeit aber nicht. Schließlich fehlten die Erfahrungswerte. Und die Anforderungen waren beachtlich: starke Erschütterungen beim Raketenstart, Vakuum und kosmische Strahlung während der Reise, eine harte Landung auf dem Mars und schließlich Staubstürme sowie Temperaturschwankungen von -120 bis 25 Grad Celsius. Doch die Mission wurde zu einem Erfolg – und der Antriebstechnikspezialist weltbekannt.

Bei den Raumfahrtagenturen steigerte sich der Drang, weitere Erkundungsmissionen zum Roten Planeten zu unternehmen. Schließlich galt es, Antworten zu finden auf Fragen wie: Gibt es Wasser oder Eis auf dem Mars? Existiert Leben oder könnte es zumindest früher Leben gegeben haben? Und: Warum haben sich die Nachbarplaneten Erde und Mars derart unterschiedlich entwickelt?

Ein Duo übertrifft alle Erwartungen

Helikopter, Bild: Maxon
Der Helikopter, der an der Unterseite des Rovers mitgereist ist, ist ebenfalls mit Maxon-Antrieben bestückt. Sechs DCX-Motoren sind für die Neigung der Rotorblätter zuständig. - Bild: Maxon

Nach dem Erfolg von Sojourner entschied die NASA, gleich zwei weitere wissenschaftliche Untersuchungsroboter ins All zu schicken: die Zwillingsrover Opportunity und Spirit. Sie spielten in einer anderen Liga als Sojourner, waren je 185 Kilogramm schwer und mit Instrumenten versehen, die den Boden abbürsten und Marsgestein anbohren konnten. Im Januar 2004 landeten die Fahrzeuge unabhängig voneinander auf dem Planeten und starteten ihre Mission, die mindestens drei Monate dauern sollte. Spirit arbeitete schlussendlich sechs Jahre lang, bevor er im Sand steckenblieb. Zwilling Opportunity brachte es auf 15 Jahre und legte dabei mehr als 45 Kilometer zurück. Für die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bedeutete diese Mission ein wahrgewordener Traum: Jetzt konnten sie mithilfe der Rover nachweisen, dass einst flüssiges Wasser auf dem Roten Planeten existiert haben musste – eine Voraussetzung für Leben. Maxon hatte einen wichtigen Beitrag geleistet: Je 35 bürstenbehaftete DC-Motoren mit einem Durchmesser von 20 respektive 25 Millimetern waren in den Fahrzeugen verbaut und für Antrieb, Steuerung oder den Roboterarm zuständig. Weitere acht Elektroantriebe wurden in der Landeeinheit der Rover verwendet.

Gefrorenes Wasser auf dem Mars gefunden

DCX-10-Antrieb, Bild: Maxon
Von den DCX-10-Antrieben werden sechs Stück in dem Mars-Helikopter eingesetzt. - Bild: Maxon

Ähnliche Motoren kamen auch im Jahr 2008 zum Einsatz, als die NASA die nächste Mission zum Roten Planeten schickte: die stationäre Sonde Phoenix. Diese suchte nach gefrorenem Wasser und fand es schließlich in einer Bodenprobe, die zur Analyse erhitzt wurde. Maxons Antriebe richteten dabei die Solarpanels der Sonde aus und bewegten den Roboterarm.

Seit damals hat sich technisch viel getan. Heute befinden sich zwei weitere Roboter auf dem Mars: Zum einen der Curiosity Rover, der bezüglich seiner Größe und der Messgeräte alle bisherigen Missionen in den Schatten stellt. Das Gefährt ist seit dem Jahr 2012 im Einsatz, fast eine Tonne schwer und mit zehn Instrumenten ausgestattet. In diesem Projekt ist Maxons Beitrag zwar klein, aber wichtig. Schließlich stellte das Unternehmen MR-Encoder zur Verfügung, die für die Steuerung der Motoren nötig sind.

Ende 2018 landete zudem die nächste stationäre Sonde InSight auf dem Mars. Die NASA-Ingenieure verwendeten für das Ausfahren der Solarpanels die bewährten RE-25-Motoren, die bereits in den Zwillingsrovern Spirit und Opportunity steckten. Gleichzeitig kam zum ersten Mal ein neuer, bürstenbehafteter DCX-Antrieb zum Zug, mit dessen Hilfe eine Temperatursonde, die Maulwurf genannt wird, mehrere Meter in den Marsboden gehämmert werden soll.

Interview mit Robin Phillips, Maxon

Robin Phillips, Leiter des SpaceLab, Maxon Group, Schweiz - Bild: Maxon

„Unsere Präzisionsantriebe übernehmen bei solchen Missionen oft wichtige Aufgaben“

Herr Phillips, wie sind Sie auf den bürstenlosen Antrieb im Perseverance-Rover gekommen?

Ich glaube, dass Inspiration nicht von einem leeren Blatt Papier kommt. Deshalb habe ich eine Menge interessanter Motoren und Komponenten an meinem Arbeitsplatz gesammelt. Eines dieser Bauteile brachte mich auf die Schlüsselidee für den bürstenlosen Antrieb, der jetzt im Perseverance-Rover der NASA eingesetzt wird. Dieses Fahrzeug wird auf dem Mars Proben sammeln, und unsere Motoren werden diese Proben transportieren.

Die von Ihnen entwickelten Antriebe sind also entscheidend für den Erfolg der Mars-Mission?

Ja! Es macht mich stolz, zu etwas beizutragen, das der Menschheit helfen wird, mehr über das Sonnensystem zu erfahren, in dem wir alle leben. Weltraummissionen sind die Entdeckungsreisen unserer Zeit und können nur mit höchstem technischem Standard durchgeführt werden. Unsere Präzisionsan-triebe übernehmen bei solchen Missionen oft wichtige Aufgaben. Fehler sind keine Option, und das macht es so spannend. Als Leiter des SpaceLab bin ich immer auf der Suche nach neuen Technologien für unser Unternehmen. Ich arbeite auch daran, den Leuten ein Umfeld zu schaffen, in dem sie ihre Arbeit so perfekt wie möglich machen können. Erfreulicherweise werden wir bei Maxon in dieser Hinsicht immer besser.

Inwiefern werden Sie und Ihre Mitarbeiter immer besser?

Früher haben wir einfach die Antriebe mit den vorgegebenen Modifikationen geliefert und die Kunden waren dafür verantwortlich, was dann passierte. Heute verfügen wir über Know-how in der Raumfahrt und haben Qualitätssicherungsprozesse etabliert, die den Erwartungen der Branche entsprechen. Von diesem Know-how profitieren auch Kunden aus anderen Branchen, in denen die Anforderungen ebenso anspruchsvoll sein können, wie zum Beispiel im medizinischen Bereich.

Für Applikationen im Weltraum braucht man als Ingenieur aber einen langen Atem, oder?

Raumfahrtprojekte erfordern viel Geduld. Ich mache meinen Job schon seit mehr als zehn Jahren, aber erst jetzt kommen langsam die Antriebe zum Einsatz, an denen ich gearbeitet habe. Umso befriedigender ist es, wenn alles funktioniert.

Das nächste Abenteuer steht an

Derzeit blicken die Mitarbeitenden des Antriebstechnikspezialisten einmal mehr gespannt Richtung Mars: Im Jahr 2020 hat die NASA den Rover Perseverance losgeschickt, mit dessen Hilfe Spuren von ehemaligem Leben gefunden werden soll. Seine wichtigste Aufgabe besteht darin, Bodenproben zu nehmen, sie in Behältern zu versiegeln und so zu platzieren, dass sie von einer späteren Mission zur Erde zurückgebracht werden können. Für die Handhabung der Proben im Innern des Rovers werden mehrere BLDC-Motoren eingesetzt. Sie sind unter anderem im kleinen Roboterarm verbaut, der die Proben von Station zu Station navigieren wird. Auch bei der Versiegelung der Probenbehälter und deren Platzierung kommt Maxon zum Einsatz. Natürlich basieren auch diese Antriebe auf Standard-Katalogprodukten – neun EC 32 flat und ein EC 20 flat in Kombination mit einem Planetengetriebe GP 22 UP. Die Ingenieure haben die Antriebe über mehrere Jahre modifiziert und ausführlich getestet – zusammen mit den Spezialisten vom Jet Propulsion Laboratory JPL, das im Auftrag der NASA alle unbemannten Missionen handhabt.

Nur Fliegen ist schöner

Marssonde Phoenix, Bild: Maxon
Die fix stationierte Marssonde namens Phoenix landete am 25. Mai 2008 auf dem Mars, um dort mit ihrem Roboterarm Gesteinsproben aus dem Boden zu holen und zu analysieren. Einsatzdauer: fünf Monate. Maxon lieferte neun bürstenbehaftete DC-Motoren des Typs RE 25 mit speziellen Kugellagern für die Ausrichtung der Solarpanels sowie für den Roboterarm. - Bild: Maxon

Der Perseverance Rover ist am 18. Februar 2021 auf dem Mars gelandet – aber nicht allein. Im Gepäck hat er die Helikopter-Drohne Ingenuity. Sie wiegt 1,8 Kilogramm, ist solarbetrieben und soll auf kurzen Flügen Luftbilder schießen. Mit diesem Experiment wird in erster Linie das Konzept für weitere Drohnen getestet. Und wen wundert’s: Auch in diesem Gerät steckt Technik des schweizer Antriebstechnikspezialisten drin. Sechs bürstenbehaftete DCX-Motoren mit einem Durchmesser von zehn Millimetern steuern die Neigung der Rotorblätter und somit die Flugrichtung. Falls der Helikopter abhebt, wird der Antriebstechnikspezialist erneut Teil einer großartigen Ingenieursleistung auf dem Mars sein – 24 Jahre nach Sojourner. Das neue Mars-Abenteuer kann mit der erfolgreichen Landung des Perseverance Rovers jetzt jedenfalls beginnen.

Der Europäische Rover startet 2022

Mehr als 50 Antriebssysteme von Maxon befinden sich im ExoMars Rover, der von der Europäischen Weltraumorganisation ESA zum Mars geschickt wird. Der Rover mit dem Namen Rosalind Franklin sollte ursprünglich schon 2018 starten. Die Mission wurde dann aber auf 2020 verschoben und ist inzwischen für das Jahr 2022 vorgesehen. Verschiedenste Kombinationen von Antriebssystemen aus DC-Motoren, Getrieben und Encodern sind für die Fortbewegung und Steuerung des Rovers nötig, treiben den Bohrer an, bewegen die Solarpanels oder den Kamerakopf.

ExoMars-Rover, Bild: Maxon
Im ExoMars-Rover, der 2022 zum Mars fliegen soll, stecken 17 verschiedenen Konfigurationen aus bürstenbehafteten oder bürstenlosen DC-Motoren in Kombination mit Getrieben, Bremsen und Encodern. Der Rover soll mit einem zwei Meter langen Bohrer Bodenproben entnehmen und diese vor Ort analysieren. - Bild: Maxon

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