Ob sie den Flugverkehr stören, herrliche Ausblicke auf die Erde von oben zurückgeben oder einfach nur die Nachbarn ausspionieren (wenn das Ihr Ding ist), Drohnen sind zu einem vertrauten Anblick an unserem Himmel geworden. Jetzt ist die US-Raumfahrtbehörde NASA erstmals bereit, einen drohnenähnlichen Helikopter in die Atmosphäre eines anderen Planeten zu fliegen.
Das Fahrzeug mit dem Namen Ingenuity wird an Bord des eine Tonne schweren Perseverance-Landers, der neuesten Roboter-Rover-Mission der NASA, per Anhalter zum Roten Planeten fahren, um über die zerklüftete Oberfläche des Planeten zu fahren. Perseverance wird voraussichtlich diesen Sommer von der Erde aus gestartet, die Landung auf dem Mars ist für Frühjahr 2021 geplant.
Das Fliegen in der außerirdischen Atmosphäre einer anderen Welt ist eine Leistung, die eine einzigartige Reihe von technischen Herausforderungen mit sich bringt, und doch, wenn diese kleine Technologietestmission erfolgreich ist, wird sie Wissenschaftlern eine neue und hocheffektive Möglichkeit bieten, die Planeten und Monde unserer Erde zu erforschen Sonnensystem. Das liegt daran, dass das Fliegen eine viel schnellere Art ist, sich fortzubewegen als das Ground Roving.
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Flugzeuge können Luftbilder sammeln, die viel schärfer sind als Bilder, die von Raumfahrzeugen zurückgesendet werden. Sie können auch als Späher dienen, um potenzielle Ziele für bodengestützte Rover-Fahrzeuge zu identifizieren, und sie können sogar Proben sammeln und sie zur Analyse zu einer zentralen Landestation zurückbringen.
Und natürlich können sie dorthin gehen, wo andere Sonden einfach nicht hinkommen.
„Größere Mars-Hubschrauber in der Klasse von 5 kg bis 20 kg mit geringer wissenschaftlicher Nutzlast könnten Bereiche erreichen, die für Rover nicht erreichbar sind, und großflächige Vermessungen in kürzerer Zeit unterstützen“, sagt Dr. Bob Balaram, Chefingenieur von Ingenuity am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA ) in Pasadena, Kalifornien.
„Es gibt auch eine NASA-Mission zur Erforschung des Saturnmonds Titan mit einem fliegenden Lander, der Anfang der 2030er Jahre eintreffen wird.“
Das Ingenuity-Fahrzeug ist 50 Zentimeter hoch und hat vier Blätter – ein Paar über dem anderen –, die auf zwei gegenläufig rotierenden Rotoren mit einer Spannweite von jeweils 1,2 Metern montiert sind.
Die Größe der Rotoren (die so groß sein müssen, damit der Hubschrauber in der dünnen Atmosphäre des Mars fliegen kann) ist der Hauptgrund, warum ein bekannteres drohnenähnliches Quadcopter-Design abgelehnt wurde – ein solches Fahrzeug wäre einfach zu groß, um auf den zu passen Rover.
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Ingenuity ist unter dem Körper von Perseverance verstaut, von wo aus es wahrscheinlich ein paar Monate nach Beginn der Mission auf die Marsoberfläche fallen gelassen wird. Der Rover wird dann 100 Meter entfernt fahren, um das Kollisionsrisiko zu minimieren, und die beiden werden Funksignale austauschen, um sich zu „koppeln“ – ein bisschen wie das Koppeln von drahtlosen Ohrhörern mit Ihrem Telefon – bevor der Rover den Befehl für Ingenuity sendet, seinen Erstflug zu machen .
Dies wird wahrscheinlich das sein, was Balaram ein „gegenseitiges Selfie“ nennt – die beiden Fahrzeuge machen Fotos voneinander, während der Hubschrauber zu einem niedrigen Schwebeflug aufsteigt und dann wieder landet.
Wie Ingenuity den Mars erforschen wird
Ingenuity trägt eine Schwarz-Weiß-Navigationskamera und eine 4.208 x 3.120-Pixel-Farbkamera, vergleichbar mit dem, was in einem Mobiltelefon zu finden ist. Die Bilder werden über eine Kurzstrecken-Funkverbindung zu Perseverance übertragen, die sie dann an eines von mehreren NASA-Raumfahrzeugen im Marsorbit weiterleitet, von wo aus sie zurück zur Erde übertragen werden.
„Mehrere Bilder können irgendwann mit Bodensoftware-Tools zu einem Panorama zusammengefügt werden“, sagt Balaram.
Der Hubschrauber wird jedoch keine tatsächlichen wissenschaftlichen Beobachtungen machen. Stattdessen liegt der Fokus darauf, technische Daten aus den Testflügen zurückzugeben, die hoffentlich die Technologie validieren oder zumindest wertvolles Feedback zur Verfeinerung zukünftiger Designs liefern werden.
Der primäre Missionsplan sieht bis zu fünf Flüge über einen Zeitraum von 30 Tagen vor, kann jedoch verlängert werden. Die maximale horizontale Reichweite der Flüge beträgt etwa 300 Meter bei einer Deckenhöhe von 10 Metern und einer maximalen Flugzeit von 90 Sekunden, danach müssen die sechs Lithium-Ionen-Batterien des Hubschraubers aufgeladen werden.
Dafür sorgt ein direkt über den Rotorblättern montiertes Solarpanel. Eine vollständige Aufladung dauert einen ganzen Marstag, und zwei Drittel der gespeicherten Energie werden benötigt, um die Elektronik des Flugzeugs während der bitterkalten Marsnacht warm zu halten, wenn die Temperaturen auf -100 °C fallen können.
Die niedrige Temperatur ist nur der Anfang der Probleme, mit denen ein angehender Marsflieger konfrontiert ist. Flugzeuge heben mit „Auftrieb“ ab, einer nach oben gerichteten Kraft, die entsteht, wenn Luft über ein gekrümmtes Tragflächenprofil strömt. In einem Flugzeug ist die Tragfläche der Flügel; bei einem Helikopter sind es die Rotorblätter.
Aber die Oberflächendichte der Marsatmosphäre beträgt nur 1 Prozent der Erdatmosphäre. Ein Kubikmeter Luft auf Meereshöhe wiegt auf der Erde 1,2 kg, auf dem Mars reduziert sich diese Zahl auf wenige Gramm – das entspricht in etwa der dünnen Erdatmosphäre in 30.000 Metern Höhe. Und um genug Auftrieb zu erzeugen, um aus so dünner Luft zu fliegen, muss der Motor Überstunden machen.
Während Hubschrauber auf der Erde ihre Rotorblätter normalerweise mit 500 Umdrehungen pro Minute (U/min) drehen, müssen Sie diese auf dem Mars auf etwa 2.500 U/min hochdrehen.
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Aus dem gleichen Grund wird das Gewicht des Bootes auf ein absolutes Minimum reduziert. So wiegt jedes Paar Rotorblätter nur 56 Gramm – trotz einer Länge von über einem Meter.
„Auflagen aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen in einer Schaumkernmatrix wurden verwendet, um leichte, aber steife Blätter zu erzielen“, sagt Balaram. Insgesamt wiegt Ingenuity nur 1,8 Kilogramm, weniger als ein paar Tüten Zucker.
Balaram hat sogar die beste Tageszeit ausgerechnet, um den Helikopter auf dem Mars zu fliegen – am Vormittag, wie sich herausstellt, gegen 11:00 Uhr. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Schiff nach der kalten Marsnacht von der Sonne erwärmt, aber die Luft ist kühl, hält ihre Dichte so hoch wie möglich und ihre Windgeschwindigkeiten niedrig, während die Batterien noch eine gesunde Ladung haben.
„Nachdem wir die ersten paar Flüge hinter uns gebracht haben, werden wir sicher versuchen, am Nachmittag zu fliegen und weitere Erkundungsarbeiten durchzuführen, aber das Konservativste, was wir tun können, ist, einen Flug am Vormittag auszuwählen.“ sagt er.
Einfallsreichtum auf dem Prüfstand
Das Team testete sein Design in der Weltraumsimulationskammer des JPL, einem 25 Meter hohen und acht Meter breiten zylindrischen Testbehälter, in dem die Atmosphäre präzise abgestimmt werden konnte, um die aerodynamischen Bedingungen auf dem Mars nachzubilden.
Der Unterdruck war jedoch nur eine der Besonderheiten des Fliegens auf dem Mars, die es zu modellieren galt. Sie mussten immer noch die Schwerkraft des Planeten berücksichtigen, die nur 0,38 (etwas mehr als ein Drittel) der auf der Erde gefundenen beträgt. Sie haben eine neuartige Lösung entwickelt.
„In der Kammer wurde eine Schwerkraftentlastungsvorrichtung installiert, die dazu diente, eine kompensierende Kraft auf das Fahrzeug auszuüben, um den Unterschied in der Schwerkraft zwischen Erde und Mars auszugleichen“, sagt Balaram.
Das bedeutet buchstäblich das Anbringen eines leichten Fadens an der Oberseite des Fahrzeugs, den sie gerade genug festgezogen haben, um 0,62 des Gewichts des Hubschraubers auf der Erde zu heben – die restlichen 0,38 (sein Gewicht auf dem Mars) werden aerodynamisch von den Rotoren angehoben. P>
Neben der Demonstration der grundsätzlichen Machbarkeit des Fluges auf dem Mars waren diese Bodentests aus einem anderen Grund von entscheidender Bedeutung – sie ermöglichten es dem Team, die Guidance, Navigation and Control (GNC)-Software zu optimieren, die den Hubschrauber tatsächlich auf dem Mars steuern muss /P>
Wenn die ersten echten Marsflüge beginnen, wird die Lichtreisezeit von der Erde zum Mars viele Minuten betragen, was es den Lotsen unmöglich macht, das Raumschiff fernzusteuern.
Stattdessen bestehen die Befehle der Bodenkontrolle auf der Erde aus einer Reihe von Wegpunkten – Koordinaten, die von den Lotsen ausgewählt werden – denen die GNC-Software folgt, während sie den Strom von Echtzeitdaten berücksichtigt, die von den Sensoren des Hubschraubers einfließen. Dazu gehören Gyroskope, Beschleunigungsmesser, eine Navigationskamera, ein Höhenmesser und ein Neigungsmesser, der die Neigung des Flugzeugs misst.
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„Wegpunkte bestehen aus einer x-y-Position, einer Höhe über Grund, einer Fahrzeugrichtung und einer gewünschten Ankunftszeit an jedem Punkt“, sagt Balaram. Um die Software zu testen, stellte sein Team sogar mehrere Hochenergielampen im Simulator auf, um die Sonnenlichtbeleuchtung auf der Marsoberfläche nachzubilden, sowie Ventilatoren, um den Flug bei windigen Bedingungen zu simulieren.
Darüber hinaus muss Ingenuity auch ein Raumschiff sein, das zertifiziert ist, die Belastungen des Starts, die siebenmonatige Reise zum Mars zu überstehen, während der es Strahlung und dem rauen Vakuum des interplanetaren Weltraums ausgesetzt sein wird, und schließlich von der hohe G-Kräfte und sengende 2.200°C Hitze beim Eintritt, Abstieg und der Landung durch die Marsatmosphäre.
Aber wenn es funktioniert und die Erprobung des Helikopters auf dem Mars erfolgreich verläuft, dann wird es eine echte historische Errungenschaft – der erste motorbetriebene Flug über die Erde hinaus. Und das gewonnene Fachwissen wird die Grundlage dafür schaffen, größere und bessere Flugzeuge zu fliegen, die in der Lage sind, eine volle Nutzlast wissenschaftlicher Instrumente zu tragen, um den Himmel ferner Welten zu erkunden.
Wie Balaram es ausdrückt:„Es ist eine Art Wright Brothers-Moment auf einem anderen Planeten.“
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 350 von BBC Science Focus