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Die Rover-Herausforderung: Mars Rover Evolution 1970-2020

Vielen Dank an Leon Yao & Lisa Doetsch zusammen mit dem UCL Rover-Team für diesen ausgezeichneten Gastartikel. Leon & Lisa sind Teamleiter des Projekts und haben freundlicherweise ihr Wissen über die Geschichte dieser erstaunlichen technischen Meisterleistungen geteilt!

Accu sponsert das UCL Mars Rover Team seit 2018. Die Teams von UCL nahmen 2018 und 2019 an der European Rover Challenge (ERC) teil und planen, 2020 an der University Rover Challenge (URC) teilzunehmen. (Update URC 2020 wurde aufgrund von COVID-19 abgesagt. Wenn ERC weitermacht, hofft das UCL Rover-Team, dabei zu sein!

Außerirdische Rover sind einer der faszinierendsten Teile der Weltraumforschung. Rover (auch Mondbuggys genannt) sind Fahrzeuge zur Erkundung der Planetenoberfläche, die darauf ausgelegt sind, zu überleben und die Oberfläche eines anderen Himmelskörpers zu erkunden. Diese Geräte sind aus Sicht eines Ingenieurs besonders interessant, da sie die technischen Herausforderungen und Erfolge jedes Jahrzehnts veranschaulichen.

Als Teil des Mars Rover Teams der UCL (University College London) haben wir die Entwicklung außerirdischer Rover zwischen 1970 und 2020 erforscht. Das Lernen über Rover aus der Vergangenheit hat uns einige unglaubliche Einblicke in das Design und die Technik von Rovern gegeben. In diesem Artikel untersuchen wir, wie sich unbemannte Rover in den letzten 50 Jahren entwickelt haben. Außerdem werfen wir einen Blick auf die Zukunftsaussichten der Erforschung von Rovern und die endlosen Möglichkeiten, die noch bevorstehen.

Die Reise von 1970 bis 2020

In den letzten 50 Jahren gab es zahlreiche Missionen zur Erforschung des Weltraums. Für Wissenschaftler und Ingenieure war es eine lange Reise, ein Hindernis nach dem anderen zu überwinden. Heute waren acht erfolgreiche unbemannte Rover auf dem Mond oder Mars gelandet, und wir erwarten in den kommenden Jahren immer mehr Missionen. Im folgenden Abschnitt werden wir kurz auf eine Mondmission und drei Marsmissionen aus der Vergangenheit eingehen und sehen, wie sich die Rovertechnologie im Laufe der Zeit weiterentwickelt hat.

1970er Jahre: Lunokhod

Alles begann 1970. Nachdem die USA die ersten Menschen auf den Mond geschickt hatten (Apollo 11-Mission), war die Sowjetunion das erste Land, das einen unbemannten Rover zur Erkundung der Mondoberfläche entsandte. Ziel der Mission war es, die Mondoberfläche abzubilden, das Umgebungslicht zu untersuchen, lokale Magnetfelder zu messen und Experimente zur Laserentfernung von der Erde aus durchzuführen. Der Rover mit dem Namen Lunokhod 1 („Moonwalker“ auf Russisch) war der erste unbemannte Rover, der erfolgreich auf einem außerirdischen Körper gelandet ist. Sein Nachfolger, Lunokhod 2, landete drei Jahre später ebenfalls erfolgreich auf dem Mond.

Schnelle Fakten: Lunokhod 1

Landedatum: November 1970 
 Betriebsdauer: 10 Monate Rückgelegte 
 Strecke: 10,5 km 
 Gewicht: 756 kg 
 Größe: 2,3 m lang, 1,5 m hoch

Rückblickend betrachtet waren die Lunokhod-Rover äußerst erfolgreiche technische Geräte. Lunokhod 1 war 10 Monate in Betrieb und legte eine Gesamtstrecke von über 10 km zurück. Zum Vergleich: In den ersten sechs Betriebsjahren hat Opportunity nur etwa 12 km zurückgelegt.

Die Lunokhod-Rover wurden tagsüber mit Sonnenenergie betrieben und waren auf die Wärmeenergie einer Polonium-210-Radioisotopenheizung angewiesen. Lunokhod 1 wurde von Bedienern auf der Erde mit einer Kommunikationsverzögerung von 5 Sekunden ferngesteuert — eine äußerst schwierige Aufgabe mit hohen Risiken. Lunokhods trugen auch verschiedene wissenschaftliche Geräte wie ein Penetrometer (zur Messung der Bodendichte), ein Röntgenspektrometer, ein Röntgenteleskop und einen Detektor für kosmische Strahlung.

Lunokhod-Rover lieferten mehr als 500 Panoramabilder und 20.000 Fernsehbilder zurück, führten 500 Oberflächensonden und 25 Röntgenuntersuchungen durch. Lunokhod 1 versagte schließlich, da seine Isotope nachgaben, und Lunokhod 2 versagte aufgrund einer Überhitzung.

1996: Sojourner

Sojourner war nur etwa 48 cm breit und 30 cm hoch und wog 10,6 kg. Die NASA beschreibt ihn als „Micro-Rover“. Tatsächlich ist Sojourner der kleinste Rover, der zum Mars geschickt wurde. Trotz seiner geringen Größe spielte Sojourner eine unersetzliche Rolle bei der Erforschung des Mars. Es war der Pionier der Marsrover, dessen viele Merkmale noch heute in Rovern sichtbar sind.

Schnelle Fakten: Sojourner

Landedatum: Juli 1997 
 Betriebsdauer: 83 Tage 
 Rückgelegte Strecke: 100 m 
 Gewicht: 11,5 kg 
 Größe: 66 cm lang, 30 cm hoch

Eines der bemerkenswertesten Merkmale von Sojourner war der Schwingmechanismus, ein Mechanismus, der den Rovern auch heute noch innewohnt. Es bietet dem Rover eine hohe Stabilität und Fähigkeit, Hindernisse zu überwinden. Es ist eine der wichtigsten Konstruktionskomponenten, die es dem Rover ermöglichen, sich auf der unebenen Marsoberfläche zurechtzufinden. Tagsüber wurde der Rover mit Sonnenkollektoren und einer nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterie betrieben, um den Rover während der Nacht warm zu halten, was bedeutete, dass der Rover nur eine begrenzte Lebensdauer hatte.

2004: Geist und Gelegenheit

Spirit und Opportunity waren Zwillingsrover, die am 3. bzw. 24. Januar auf dem Mars landeten. Zusammen entdeckten sie, dass der Mars vor langer Zeit feuchter war und dass die Bedingungen auf dem Mars mikrobielles Leben aufrechterhalten haben könnten, falls es überhaupt existierte.

Schnelle Fakten: Gelegenheit

Landedatum: Januar 2004 
 Einsatzdauer: 15 Jahre 
 zurückgelegte Strecke: 45 km 
 Gewicht: 185 kg 
 Größe: 2,3 m lang, 1,5 m hoch

Die wissenschaftliche Nutzlast von Spirit und Opportunity wurde seit Sojourner erheblich verbessert. Es gibt zwei Panoramakameras, die detaillierte 3D-Panoramabilder der Landschaft mit mehreren Wellenlängen aufzeichneten, eine mikroskopische Kamera, die hochauflösende Bilder von Felsen und Böden aufnahm, und Werkzeuge zum Abrieb von Felsen und Oberflächen.

Dank der jüngsten Entwicklungen in der Mikrochip-Architektur verfügten Spirit und Opportunity im Vergleich zu Sojourner über 1000-mal mehr integrierten Speicher, was es den Rovern ermöglichte, autonome planetarische Mobilität zu erlangen. Das Stereokamerabild wird auf einem 3D-Gelände abgebildet, und anschließend entscheiden die Rover selbst über den sichersten und effizientesten Weg. Das Federungssystem wurde an das Rocker-Bogie-System von Sojourner angepasst und verbessert.

Eine der technischen Herausforderungen, mit denen Spirit und Opportunity immer noch konfrontiert waren, war die Energiequelle. Die Rover wurden immer noch von Sonnenkollektoren angetrieben, aber Verbesserungen in der Batterietechnologie, die auf die mobile Revolution zu Beginn des 21. Jahrhunderts zurückzuführen waren, bedeuteten, dass wiederaufladbare Lithiumbatterien nun für eine Energieversorgung sorgten, die leicht wieder aufgefüllt werden konnte. Das bedeutete, dass die Rover nur die äquatorialen Regionen erkunden konnten, in denen es bei Tageslicht regelmäßig Gelegenheiten zum Aufladen gab.

2012: Neugier

Curious ist der neueste Rover, der zum Mars geschickt wurde und der einzige Rover ist, der derzeit in Betrieb ist. Sein Zweck ist es, zu untersuchen, ob die Bedingungen für mikrobielles Leben günstig waren und in den Felsen Hinweise auf mögliches früheres Leben bewahrt wurden. Im Vergleich zu seinen Vorgängern war Curiosity ein weiteres bedeutendes Upgrade in fast allen Aspekten des Rovers.

Schnelle Fakten: Neugier

Landedatum: August 2012 
 Betriebsdauer: 15 Jahre 
 zurückgelegte Strecke: 21,2 km (Stand Januar 2020) 
 Gewicht: 899 kg 
 Größe: 2,9 m lang, 2,2 m hoch

Eine der bemerkenswertesten Änderungen im Vergleich zu früheren Rovern ist, dass Curious etwa fünfmal schwerer ist und eine mehr als zehnmal so schwere Nutzlast enthält. Es enthält Geräte zur Entnahme und Verarbeitung von Gesteins- und Bodenproben und kann diese an die Testkammern an Bord verteilen.

Die technische Herausforderung in Bezug auf die Leistung wurde ebenfalls von Curiosity gemeistert. Es basiert auf einem Radioisotop-Energiesystem, das Elektrizität aus der Hitze des radioaktiven Zerfalls von Plutonium erzeugt.

Das Rocker-Bogie-System wird immer noch mit sechs Rädern mit jeweils eigenem Motor verwendet. Die beiden Vorder- und Hinterräder verfügen über individuelle Lenkmotoren. Bei Bedarf kann der Rover an Ort und Stelle um 360 Grad gedreht werden. Die Räder sind aus Aluminium gefertigt und verfügen über Stollen für Traktion und gebogene Titanfedern zur Unterstützung.

Berichten zufolge wurden die Räder von Curiosity durch vom Wind geformte Felsen beschädigt, und es gab ein Problem mit dem Flash-Speicher des aktiven Computers. Nichtsdestotrotz ist er zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels immer noch in einem gesunden Zustand in Betrieb, und wir gehen davon aus, dass er in den kommenden Jahren weiter erforscht wird.

Zusammenfassung: Entwicklung der Mars Rover

Durch die Beobachtung der Entwicklung des Mars und der Mondrover in den letzten 50 Jahren haben wir wertvolle Erkenntnisse darüber gewonnen, wie Ingenieure technische Herausforderungen gemeistert haben. Sowohl die Hardware als auch die Software von Rovern wurden kontinuierlich verbessert, und fast oft wurde die Leistung um eine Größenordnung gesteigert.

Zwei Raumschiffingenieure schließen sich einer Gruppe von Fahrzeugen an, die einen Vergleich von drei Generationen von Mars-Rovern durchführen, die am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, entwickelt wurden. Schauplatz ist das Mars Yard-Testgelände von JPL.

Eine der wenigen mechanischen Konstruktionen, die über alle Generationen von Mars-Rovern hinweg Bestand hatten, ist das Schwingdrehgestänge. Es hat sich als einer der zuverlässigsten Mechanismen für Rover erwiesen, die auf dem Mars operieren. In ähnlicher Weise wurde auch über Generationen von Marsrovern hinweg Aluminium als Radmaterial verwendet.

Andererseits verbessert sich die wissenschaftliche Nutzlast aller Rovergenerationen ständig — sowohl was die Qualität als auch die Quantität angeht. Die Kategorie der Ausrüstung bleibt zwar ähnlich, ihre Qualität und Leistung verbessern sich jedoch mit jeder Rovergeneration drastisch. Darüber hinaus nehmen Größe und Gewicht der Rover im Laufe der Zeit zu, was auf die verbesserte Raketentechnologie zurückzuführen ist, die in der Lage ist, mehr Last zu tragen. Und schließlich lernen Wissenschaftler und Ingenieure bei jeder Mission mehr über den Mars. Das Wissen und die Erfahrung helfen uns auch weiterhin dabei, Rover zu bauen, die zuverlässiger sind und sich an die Marsumgebung anpassen lassen.

Rover der Zukunft

Im kommenden Jahr sollen zwei spannende Rover zum Mars starten: der Mars 2020-Rover der NASA und Rosalind Franklin, der ExoMars-Rover der ESA. Beide Missionen machen den nächsten Schritt in der zentralen Frage der Marserkundung, indem sie nach Spuren des mikrobiellen Lebens in der Vergangenheit selbst suchen.

Der Mars 2020-Rover verfügt über einen Bohrer, der Proben vielversprechender Standorte sammelt und sie in einem Cache für eine mögliche zukünftige Rückkehr zur Erde beiseite legt. Der Rover wird auch Wissen sammeln und Technologien testen, die für zukünftige menschliche Expeditionen relevant sind, darunter eine Methode zur Sauerstoffgewinnung aus der Atmosphäre des Planeten und Landetechniken. Das Design des Rovers basiert auf Curiosity und verwendet viele seiner Ersatzteile. Zu den Verbesserungen gehören das neue Raddesign mit fortschrittlicherem Aluminium, eine neue Schutzverkleidung für steilere Steigungen und eine Form, die einen größeren Durchmesser ermöglicht und so die Leistung maximiert. Eine weitere interessante Neuerung ist der Mars Helicopter Scout, eine Drohne, die die Möglichkeit testen wird, auf dem Mars zu fliegen. Sie könnte verwendet werden, um Routen zu kartieren oder schwer zugängliche Gebiete wie Krater zu untersuchen

Der ExoMars-Rover ist viel kleiner und hat nur eine Masse von 300 kg, ein Drittel der Masse von Curiosity-Rover. Genau wie der Rover der NASA verfügt Rosalind Franklin über einen unterirdischen Bohrer für Probenentnahmen bis zu einer Tiefe von maximal zwei Metern. Die Proben werden direkt mit wissenschaftlichen Instrumenten, der sogenannten Pasteur-Nutzlast, analysiert, um morphologische oder chemische Lebenszeichen zu erkennen. Im Gegensatz zu Rover und Curious der NASA nutzt der Rover Sonnenkollektoren, um den benötigten Strom zu erzeugen, und übersteht die Nächte mithilfe neuartiger Batterien. Ein ungewöhnliches Merkmal ist die Möglichkeit, die Räder einzeln zu schwenken und die Höhe und den Winkel des Rovers in Bezug auf die Oberfläche einzustellen, wodurch auch die Gehfähigkeit verbessert wird, was auf weichen und nicht bindigen Böden nützlich ist.

Gleichzeitig werden Missionen zum Mond immer häufiger. Zum Beispiel arbeitet China, das gerade mit Yutu-2 als dem am längsten funktionierenden Rover auf dem Mond einen Rekord gebrochen hat, auf seine nächste Mondmission zur Probenrückführung hin. Viele andere Agenturen planen Missionen, darunter Roscosmos, Nordkorea und verschiedene private Unternehmen wie Astrobotic Technology und PTScientists.

Update vom März 2020: Der Mars 2020-Rover wird den Namen „Perseverence“ tragen

Zusammenarbeit und Vermarktung

Heute verändert sich die Art und Weise, wie Weltraummissionen entwickelt werden. In der Vergangenheit führte die Erforschung des Weltraums oft zu Rivalitäten zwischen Ländern. Erfolgreiche Weltraummissionen waren ein Beweis für die technologische Leistungsfähigkeit eines Landes. Diese Rivalität führte dazu, dass die Weltraumprogramme von der Regierung stark finanziert wurden. Heutzutage gibt es immer mehr Missionen, die das Ergebnis internationaler Zusammenarbeit sind. Der Rosalind Franklin-Rover ist ein Gemeinschaftsprojekt der ESA und der russischen Weltraumbehörde Roscosmos; China und Russland erforschen gemeinsam den Mond; und natürlich gibt es auch die internationale Raumstation.

Darüber hinaus sind es nicht mehr nur Regierungen, die am Wettlauf ins All beteiligt sind. Seit der Gesetzgebung zur privatisierten Raumfahrt sind Unternehmen wie SpaceX, Virgin Galactic und Astrobotic Technology in die Branche eingestiegen. Dies wird die Produktion kleinerer, billigerer und effizienterer Produkte beschleunigen, indem ein Vertragswettbewerb zwischen den Unternehmen ermöglicht wird. Dennoch ist darauf hinzuweisen, dass die nationalen Raumfahrtagenturen bei Technologien und Missionen, die der Markt nicht unterstützen kann, immer noch eine Vorreiterrolle einnehmen werden. Oft sind diese zwar wissenschaftlich relevant, aber es fehlt ihnen an der direkten Investitionsrendite, die für ihre Vermarktung notwendig wäre.

Das ist erst der Anfang...

Die Erforschung außerirdischer Gebiete wird auch in den kommenden Jahren eines der aufregendsten Ereignisse sein, auf das man sich freuen kann. Dieser Artikel gab einen kurzen Überblick über die Entwicklung der Rover, zukünftige Rover und ihre Auswirkungen auf die Welt, in der wir heute leben. Wir haben nur an der Oberfläche all der Projekte und Missionen gekratzt, die in der Vergangenheit stattgefunden haben und in Zukunft stattfinden werden. Doch genau das macht das Thema so interessant — die Erforschung von Außerirdischen ist der Versuch der Menschheit, das Unbekannte zu verstehen, und wir haben noch eine lange Reise vor uns.

Ein letzter Dank geht an Lisa & Leon vom UCL Rover 2020-Team für die Beiträge zu diesem Artikel.