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Die Rover-Herausforderung: Mars Rover Evolution 1970-2020

Die Rover-Herausforderung: Mars Rover Evolution 1970-2020

Danke an Leon Yao & Lisa Doetsch, zusammen mit dem UCL Rover-Team für diesen hervorragenden Gastbeitrag. Leon & Lisa sind Teamleiter des Projekts und teilten freundlicherweise ihr Wissen über die Geschichte dieser erstaunlichen Ingenieurleistungen!

Accu sponsert seit 2018 das UCL Mars Rover-Team. 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 weitergeht, hofft das UCL Rover-Team, dabei zu sein!

Außerirdische Rover sind einer der faszinierendsten Teile der Weltraumforschung. Rover (auch Mondbuggys genannt) sind Planetenoberflächenerkundungsfahrzeuge, die entwickelt wurden, um 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 untersucht. Das Erlernen von Rovern aus der Vergangenheit hat uns einige unglaubliche Einblicke in das Design und die Konstruktion von Rovern gegeben. In diesem Artikel untersuchen wir, wie sich unbemannte Rover in den letzten 50 Jahren entwickelt haben. Wir werfen auch einen Blick auf die Zukunftsperspektiven der Rover-Erkundung und die endlosen Möglichkeiten, die noch kommen werden.

Die Reise von 1970 bis 2020

In den letzten 50 Jahren gab es zahlreiche Missionen zur Erkundung des Weltraums. Für Wissenschaftler und Ingenieure war es ein langer Weg, ein Hindernis nach dem anderen zu überwinden. Heute gab es 8 erfolgreiche unbemannte Rover, die auf dem Mond oder Mars gelandet sind, und wir erwarten in den kommenden Jahren immer mehr Missionen. Im folgenden Abschnitt werden wir kurz eine Mondmission und drei Marsmissionen aus der Vergangenheit besprechen und sehen, wie sich die Rover-Technologie im Laufe der Zeit entwickelt hat.

1970er Jahre: Lunokhod

Alles begann 1970. Nachdem die USA die ersten Männer auf den Mond geschickt hatten (Apollo 11-Mission), war die Sowjetunion das erste Land, das einen unbemannten Rover entsandte, um die Oberfläche des Mondes zu erkunden. Ziel der Mission war es, die Mondoberfläche abzubilden, das Umgebungslicht zu untersuchen, lokale Magnetfelder zu messen und Laserentfernungsversuche 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 wurde drei Jahre später ebenfalls erfolgreich auf dem Mond gelandet.

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Schnelle Fakten: Lunokhod 1

Datum der Landung: Nov. 1970
Betriebsdauer: 10 Monate
zurückgelegte Entfernung: 10,5 km
Gewicht: 756 kg
Größe: 2,3 m lang, 1,5 m hoch

Rückblickend waren die Lunokhod-Rover äußerst erfolgreiche technische Geräte. Lunokhod 1 operierte 10 Monate lang und reiste eine Gesamtstrecke von mehr als 10 km. Zum Vergleich: In den ersten sechs Betriebsjahren von Opportunity ist es nur etwa 12 km zurückgelegt.

Die Lunokhod-Rover wurden tagsüber mit Solarenergie betrieben und waren auf Wärmeenergie einer Polonium-210-Radioisotopenheizung angewiesen. Lunokhod 1 wurde von Betreibern auf der Erde ferngesteuert, mit einer Kommunikationsverzögerung von 5 Sekunden - eine enorm 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 20000 TV-Bilder, führten 500 Oberflächensonden und 25 Röntgenuntersuchungen durch. Lunokhod 1 scheiterte schließlich, als seine Isotope ausfielen, und Lunokhod 2 versagte an einer Überhitzung.

1996: Sojourner

Sojourner-credit-NASA

Sojourners Dimension war nur etwa 48 cm breit, 30 cm hoch und wog 10,6 kg, die NASA beschreibt es 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, deren viele Merkmale noch heute in Rovern sichtbar sind.

Schnelle Fakten: Sojourner

Datum der Landung: Juli 1997
Betriebsdauer: 83 Tage zurückgelegte
Entfernung: 100 m
Gewicht: 11,5 kg
Größe: 66 cm lang, 30 cm hoch

Eines der bemerkenswertesten Merkmale von Sojourner war der Rocker-Bogie-Aufhängungsmechanismus, ein Mechanismus, dem Rover heute noch inhärent sind. Es bietet dem Rover eine hohe Stabilität und Fähigkeit zum Überqueren von Hindernissen und ist eine der wichtigsten Designkomponenten, die es dem Rover ermöglichen, auf der unebenen Marsoberfläche zu navigieren. Der Rover wurde tagsüber mit Sonnenkollektoren und einer nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterie angetrieben, um den Rover nachts beheizt zu halten, was bedeutete, dass der Rover eine begrenzte Lebensdauer hatte.


2004: Geist und Gelegenheit

Spirit und Opportunity waren Zwillingsrover, die am 3. bzw. 24. Januar auf dem Mars landeten. Gemeinsam entdeckten sie, dass der Mars vor langer Zeit feuchter war und dass die Bedingungen auf dem Mars das mikrobielle Leben erhalten haben könnten, falls vorhanden.

Spirit-Opportunity-Rover-credit-NASA

Schnelle Fakten: Gelegenheit

Datum der Landung: Januar 2004
Betriebsdauer: 15 Jahre zurückgelegte
Entfernung: 45 km
Gewicht: 185 kg
Größe: 2,3 m lang, 1,5 m hoch

Die wissenschaftliche Nutzlast des Geistes und der Gelegenheit hatte seit Sojourner eine deutliche Verbesserung erlebt. Es gibt zwei Panoramakameras, die detaillierte 3D-Panoramabilder mit mehreren Wellenlängen der Landschaft aufgenommen haben; mikroskopische Bildgebung, die hochauflösende Bilder von Felsen und Böden aufnahm; und Gesteinsabriebwerkzeuge zum Bohren in Felsen und Oberflächen.

Dank der damals jüngsten Entwicklungen in der Mikrochip-Architektur verfügten Spirit and Opportunity im Vergleich zu Sojourner über 1000-mal mehr Onboard-Speicher, wodurch die Rover autonome planetare Mobilität erlangen konnten, das Stereokamerabild wird auf ein 3D-Terrain abgebildet und anschließend entscheiden die Rover das sicherste und der effizienteste Pfad selbst. Das Federungssystem ist an das Rocker-Bogie-System von Sojourner angepasst und verbessert.

Eine der technischen Herausforderungen, mit denen Spirit and Opportunity immer noch konfrontiert war, war die Energiequelle. Die Rover wurden immer noch von Sonnenkollektoren angetrieben, aber Verbesserungen der Batterietechnologie, angeführt von der mobilen Revolution im frühen 21. Jahrhundert, bedeuteten, dass wiederaufladbare Lithiumbatterien jetzt eine Energieversorgung bereitstellten, die leicht wieder aufgefüllt werden konnte. Dies bedeutete, dass die Rover nur die Äquatorregionen erkunden konnten, in denen es regelmäßig Möglichkeiten gab, sich bei Tageslicht wieder aufzuladen.

2012: Neugier

Curiosity ist der neueste Rover, der zum Mars geschickt wurde und der einzige Rover ist, der derzeit in Betrieb ist. Ziel ist es zu untersuchen, ob die Bedingungen für das mikrobielle Leben günstig waren, und Hinweise in den Felsen auf mögliche vergangene Leben zu bewahren. Im Vergleich zu seinen Vorgängern war Curiosity ein weiteres bedeutendes Upgrade in fast allen Aspekten des Rovers.

Curiosity-Rover-Credit-NASA

Schnelle Fakten: Neugier

Datum der Landung: Aug 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 Curiosity etwa fünfmal schwerer ist und eine mehr als zehnmal so schwere Nutzlast enthält. Es enthält Geräte zum Sammeln und Verarbeiten von Gestein- und Bodenproben und kann diese in Testkammern an Bord verteilen.

Die technische Herausforderung in Bezug auf Macht wurde auch von Curiosity überwunden. Es basiert auf einem Radioisotop-Stromsystem, das Elektrizität aus der Hitze des radioaktiven Zerfalls von Plutonium erzeugt.

Das Rocker-Bogie-System wird immer noch mit sechs Rädern mit jeweils eigenem unabhängigen Motor übernommen. Die beiden Vorder- und Hinterräder haben individuelle Lenkmotoren und bei Bedarf kann der Rover um 360 Grad drehen. Die Räder bestehen aus Aluminium, mit Stollen für die Traktion und gebogenen Titanfedern zur Unterstützung.

Es wurde berichtet, dass die Räder von Curiosity durch windgeformte Felsen beschädigt wurden, und es gab ein Problem mit dem Flash-Speicher des aktiven Computers. Nichtsdestotrotz befindet es sich zum Zeitpunkt der Verfassung dieses Artikels immer noch in einem gesunden Zustand, und wir gehen davon aus, dass er in den kommenden Jahren weiter untersucht wird.

Zusammenfassung: Evolution der Mars Rovers

Durch die Beobachtung der Entwicklung von Mars und Mondrovern in den letzten 50 Jahren haben wir wertvolle Erkenntnisse darüber gewonnen, wie technische Herausforderungen von Ingenieuren bewältigt wurden. Sowohl bei der Hardware als auch bei der Software von Rovern wurden anhaltende Verbesserungen vorgenommen und die Leistung fast oft um eine Größenordnung erhöht.

Zwei Raumschiffingenieure schließen sich einer Gruppe von Fahrzeugen an und bieten einen Vergleich von drei Generationen von Marsrovern, die im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, entwickelt wurden. Die Einstellung ist JPL Mars Yard Testbereich.

Eine der wenigen mechanischen Konstruktionen, die über alle Generationen von Mars-Rovern hinweg erhalten blieben, ist das Rockerbogie-Federungssystem, das sich als einer der zuverlässigsten Mechanismen für Rover erwiesen hat, die auf dem Mars arbeiten. In ähnlicher Weise hat die Verwendung von Aluminium als Radmaterial auch über Generationen von Marsrovern hinweg fortgesetzt.

Auf der anderen Seite verbessert sich die wissenschaftliche Nutzlast eines Rovers jeder Generation ständig - sowohl in Bezug auf Qualität als auch Quantität. Während die Kategorie der Ausrüstung ähnlich bleibt, verbessern sich ihre Qualität und Leistung für jede Generation von Rover drastisch. Darüber hinaus nehmen die Größe und das Gewicht der Rover im Laufe der Zeit auch zu, was auf eine verbesserte Raketentechnologie zurückzuführen ist, die mehr Last tragen kann. Wenn Wissenschaftler und Ingenieure bei jeder Mission mehr über den Mars erfahren, helfen uns das Wissen und die Erfahrung weiterhin dabei, Rover zu bauen, die zuverlässiger und anpassungsfähiger an die Marsumgebung sind.

Zukünftige Rover

Im kommenden Jahr sollen zwei aufregende Rover für den Mars starten: der Mars 2020-Rover der NASA und der ExoMars-Rover der ESA, Rosalind Franklin. Beide Missionen machen den nächsten Schritt in der Schlüsselfrage der Marsforschung, indem sie nach Anzeichen für vergangenes mikrobielles Leben selbst suchen.

Der Mars 2020-Rover verfügt über eine Bohrmaschine, die Proben vielversprechender Standorte sammelt und in einem Cache für eine mögliche zukünftige Rückreise zur Erde beiseite legt. Der Rover wird auch Wissen und Testtechnologie sammeln, die für zukünftige menschliche Expeditionen relevant sind, einschließlich einer Methode zur Herstellung von Sauerstoff 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, ein neues Bedrohungsfutter für steileres Klettern und eine Form, die einen größeren Durchmesser ermöglicht und die Leistung maximiert. Eine weitere interessante Ergänzung ist der Mars Helicopter Scout, eine Drohne, die die Möglichkeit zum Fliegen auf dem Mars testet und verwendet werden kann, um Routen zu kartografieren oder schwer erreichbare Gebiete wie Krater zu studieren

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Der ExoMars Rover ist viel kleiner und hat nur eine Masse von 300 kg, ein Drittel der von Curiosity. Genau wie der Rover der NASA verfügt Rosalind Franklin über einen Bohrer unter der Oberfläche zur Probenahme, bis zu maximal zwei Metern. Die Proben werden direkt mit wissenschaftlichen Instrumenten analysiert, die als Pasteur-Nutzlast bezeichnet werden, um morphologische oder chemische Lebenssignaturen zu erkennen. Im Gegensatz zum Rover und Curiosity der NASA verwendet der Rover Sonnenkollektoren, um den erforderlichen Strom zu erzeugen, und überlebt die Nächte mit neuartigen 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 anzupassen, wodurch auch eine Gehfähigkeit entsteht, die in weichen und nicht kohäsiven Böden nützlich ist.

Gleichzeitig werden Missionen zum Mond immer häufiger. Zum Beispiel arbeitet China, das gerade mit Yutu-2 als dem am längsten arbeitenden Rover auf dem Mond einen Rekord gebrochen hat, auf seine nächste Mondmission für die Probenrückgabe 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 als „Perseverence“ bezeichnet

Zusammenarbeit und Kommerzialisierung

Heute ändert sich die Art und Weise, wie Weltraummissionen entwickelt werden. In der Vergangenheit hat die Weltraumforschung oft zu Rivalitäten zwischen Ländern geführt; erfolgreiche Weltraummissionen waren ein Beweis für die technologische Macht eines Landes. Diese Rivalität führte dazu, dass die Weltraumprogramme viel Geld von der Regierung erhielten. Heutzutage gibt es immer mehr Missionen, die das Ergebnis internationaler Zusammenarbeit sind. Der Rosalind Franklin Rover ist eine gemeinsame Anstrengung der ESA und der russischen Raumfahrtbehörde Roscosmos; China und Russland schließen sich zusammen, um den Mond zu erkunden; und natürlich gibt es auch die internationale Raumstation.

Darüber hinaus sind es nicht mehr nur Regierungen, die am Weltraumrennen beteiligt sind. Seit der Gesetzgebung der privatisierten Raumfahrt sind Unternehmen wie SpaceX, Virgin Galactic und Astrobotic Technology in die Branche eingetreten. Dies wird die Produktion kleinerer, billigerer und effizienterer Produkte beschleunigen, indem ein Vertragswettbewerb zwischen den Unternehmen ermöglicht wird. Dennoch ist anzumerken, dass nationale Raumfahrtagenturen bei Technologien und Missionen, die der Markt nicht unterstützen kann, immer noch führend sein werden. Oft sind diese wissenschaftlich relevant, aber es fehlt die direkte Rendite der Investitionen, die für die Kommerzialisierung erforderlich sind.

Es ist erst der Anfang...

Extraterrestrische Erkundungen werden weiterhin eine der aufregendsten Veranstaltungen sein, auf die man sich in den kommenden Jahren freuen kann. Dieser Artikel gab einen kurzen Überblick über die Entwicklung von Rovern, zukünftigen Rovern und deren Auswirkungen auf die Welt, in der wir heute leben. Wir haben nur an der Oberfläche aller Projekte und Missionen gekratzt, die in der Vergangenheit stattgefunden haben und in Zukunft stattfinden werden. Doch genau das macht das Thema so interessant - außerirdische Erforschung 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 den Beitrag zu diesem Artikel. Schauen Sie sich hier an, was sie vorhaben: UCL Rover Website

Zitierte Werke & weitere Lektüre

exploration.esa.int. (2019). ESA - Robotische Erforschung des Mars - ExoMars Mission (2020).

Mars.nasa.gov. (2019). Überblick - NASA Mars.

NASA Sonnensystem Exploration. (2018). In die Tiefe | Lunokhod 01 — NASA-Sonnensystem-Erforschung.

NASA Sonnensystem Exploration. (2019). In die Tiefe | Gelegenheit - NASA Sonnensystem Exploration.

NASA. (2012). Drei Generationen von Mars Rovers mit Ingenieuren.

NASA.gov. (2020). NASA - Lunar Rovers der Sowjetunion.

Das Mars-Explorationsprogramm der NASA. (2017). Körper | Rover - Mars-Explorationsprogramm der NASA.

News.CGTN.com. (2019). China wird 2020 die Mondsonde Chang'e-5 starten.

Pasadena, ich. (2019). Die NASA entwickelt ein MHS-Raumschiff, um über den Mars zu fliegen.

photojournal.jpl.NASA.gov. (1997). Auf der Katalogseite für PIA01122.

Pyle, R. (2020). Unwegsame Straße voraus: Felsiges Mars Terrain fordert Curiosity Rover heraus.