Spezialtechnik im Mars-Rover Curiosity: Mission Dämpfung erfüllt

Der robuste Bohrer am Roboterarm von Mars-Rover Curiosity ermöglicht das Gewinnen von Gesteinsstaub auf dem Mars – ein Meilenstein für die Forscher. Eine Reibungsfeder aus Edelstahl dämpft die beim Bohren entstehenden Kräfte und verhindert jegliche Resonanzerscheinungen.

Bauteile und Systeme unter Extrembedingungen getestet

Im Mars-Rover Curiosity stecken einige dieser Spezialtechniken. Bei zwei vorherigen Mars-Expeditionen der NASA hatte ihre Technik den harten Bedingungen nicht lange widerstanden. Die Folge: Zwei Rover-Wracks auf unserem roten Nachbarplaneten. Der Curiosity sollte mehr verkraften als seine Vorgänger. So versorgt ein Plutonium-Generator anstelle von Solaranlagen den Rover mit Energie. Dieser Generator ist langlebig und arbeitet eventuell noch, wenn irgendwann in den 2030ern der erste bemannte Raumflug den roten Planeten erreicht.

Schlagbohrer im Vakuum

Langlebig musste auch das Werkzeug sein, dass der fast eine Tonne schwere Curiosity an Bord hat: zwei Kameras, Spektrometer, ein starker Laser, ein Teleskop und einen Bohrer. Den hatten seine Vorgänger nicht. Zusammen mit einer kleinen Baggerschaufel ist er Teil eines zwei Meter langen Roboterarms mit drei Gelenken. Die Möglichkeit, damit Gesteinsstaub gewinnen und untersuchen zu können, war für die Forscher ein Meilenstein in der Geschichte der Marsmission. Die Funktion des Bohrers stellten sie vorher sicher. Auf der Erde bohrten sie mehr als 1200 Löcher mit acht verschiedenen Schlagbohrern in unterschiedlichste Gesteinsarten. Denn auf dem Mars musste es dann einfach klappen. Erstmals sollte ein Forschungsroboter irgendwo anders als auf der Erde in einen Stein bohren. Härte und Beschaffenheit der einzelnen Gesteinsproben waren dabei weitgehend unbekannt, auch wenn Marsmeteoriten einige erste Erkenntnisse lieferten: Wie bei allen terrestrischen Planeten herrschen Basalte und quarzreiche Tiefengesteine sowie Olivin vor. Die haben eine relativ hohe Härte, nämlich sechs bis acht Mohshärte. Zum Vergleich: Ein Diamant hat eine Mohshärte von zehn. Der Bohrer musste dem gewachsen sein und das Marsgestein trotz allen Widerständen pulverisieren.

Reibungsfeder als Puffer

Das kalifornische Jet Propulsion Laboratory (JPL), das Raumsonden für die NASA baut, wählte schließlich eine Variante, bei der eine spezielle Reibungsfeder nachhaltig für Robustheit sorgt. Sie dämpft die Schläge des Bohrers und absorbiert die auftretende kinetische Energie, die bis zu sechs Joule betragen kann. Dadurch wird das empfindliche Gesamtsystem bei der Gewinnung von Bodenproben geschont. Das Element, das nur einen Durchmesser von 18 Millimetern hat, wurde speziell von RINGFEDER POWER TRANSMISSION für den Curiosity entwickelt. Es darf natürlich genauso wenig schlapp machen wie die Energieversorgung – und das bei extremen Temperaturen zwischen rund –133 °C und 30 °C sowie heftigen Staubstürmen. Das Dämpfungselement musste zudem den Besonderheiten der Mars-Atmosphäre mit ihrem Druck von 6 10⁻³ bar gerecht werden, also im Vakuum funktionieren.

360° View des Curiosity auf dem Mars (Klicken Sie auf das Video und schauen Sie sich mit gehaltener Maus-Navigation um.)
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Reibungsfedern: Langlebig, robust, wartungsfrei

Reibungsfedern, die hohe Kräfte bei relativ geringen Abmessungen dämpfen können, werden neben Anwendungen im Maschinenbau und der Luftfahrt auch für den Erdbebenschutz in Gebäuden und Energieversorgungsanlagen eingesetzt. Sie bestehen aus Innen- und Außenringen, die über konische Berührungsflächen und unter Einsatz eines auf den Anwendungsfall abgestimmten Schmiermittels zusammenwirken. 66 Prozent der eingeleiteten Energie nehmen die Reibungsfedern standardmäßig auf, wodurch Resonanzerscheinungen vollständig unterdrückt werden. Die Ingenieure entwickelten das speziell auf die Anforderungen der Marsmission ausgelegte Bauteil aus hochfestem Edelstahl. Auch wurde anstelle des üblichen Schmiermittels individuell für den Marsroboter eine Beschichtung aufgebracht.

Nach diversen Praxistests bei JPL begann 2012 die Reise der Reibungsfeder als kleiner, aber entscheidender Teil des Mars-Rovers Curiosity. Alles funktionierte prima. Nach dem ersten Bohrloch im legendären Marsfelsen „John Klein" folgten etliche weitere. Das "Powder Acquisition Drill System" (PADS)des Bohrers bohrt seitdem regelmäßig bis zu fünf Zentimeter tiefe Löcher mit einem Durchmesser von 1,6 Zentimetern und gewinnt das entstehende Gesteinspulver für weitere Untersuchungen. Curiosity hat zwar 2014 seine Primärmission abgeschlossen, ist aber immer noch unterwegs. Mitte Januar 2016 funkte er ein Selbstporträt zur Erde, das ihn beim Buddeln in der sogenannten Namib-Düne zeigt.