Das Marswunder: Erprobung und Entwicklung des Marshubschraubers Ingenuity

Worte von Paul Willis

Im vergangenen April absolvierte Ingenuity, ein NASA-Hubschrauber, der im Rahmen der Mission Mars 2020 zum Mars geschickt wurde, seinen 50. Flug auf dem Roten Planeten. Der Flug krönte bemerkenswerte zwei Jahre für das kleine Fluggerät, das im April 2021 zum ersten Mal auf dem Mars flog, in einer 39-sekündigen Reise, die den ersten angetriebenen und kontrollierten Flug eines Drehflüglers auf einem anderen Planeten markierte.

Seitdem hat Ingenuity die Erwartungen seiner Entwickler weit übertroffen, die es als Technologiedemonstration für nur fünf Flüge auf der Marsoberfläche gedacht hatten. Einer der wichtigsten Ingenieure ist Bob Balaram, der Urheber des Ingenuity-Konzepts und Chefingenieur während der Entwicklung, der Tests und des Marsbetriebs.

Balaram ist verständlicherweise stolz auf das, was die Ingenuity-Mission erreicht hat. „Es ist wirklich cool, in den Nachthimmel zu schauen und den kleinen roten Punkt des Mars zu sehen und zu denken, dass sich irgendwo darauf unser kleiner Hubschrauber befindet, den unser Team zusammengestellt hat“, sagt er.

Man kann kaum genug betonen, was für eine außergewöhnliche Ingenieursleistung es war, Balarams Idee in die Realität umzusetzen, und in den Annalen der Weltraumforschung könnte sich Ingenuity durchaus als Wendepunkt erweisen. Wie Balaram es ausdrückt, hat Ingenuity „die Tür geöffnet“ für zukünftige unbemannte Flüge auf anderen Planeten.

Im Fall des Mars plant die NASA, im Rahmen einer vorläufig für 2026 geplanten Probenrückgabemission zwei weitere Hubschrauber zum Planeten zu schicken. Eine weitere NASA-Mission, die im darauffolgenden Jahr, 2027, starten soll, ist Dragonfly, ein 450 kg (990 lbs) schwerer Hubschrauber. Drehflügler, mit denen der Saturnmond Titan nach Lebenszeichen untersucht werden soll.

Die Entwickler von Dragonfly sind weitaus größer als Ingenuity, das nur 1,8 kg wiegt, und haben große Ambitionen. Der Hubschrauber wird ein mobiles Wissenschaftslabor sein und an verschiedenen Orten auf Titan landen, um die präbiotische Chemie auf der Oberfläche dieses fernen Mondes zu untersuchen.

Ralph Lorenz ist Architekt der Dragonfly-Mission und Planetenwissenschaftler und Ingenieur am Johns Hopkins Applied Physics Lab (APL), das die Entwicklung von Dragonfly für die NASA leitet. Er sagt, dass die großen Unterschiede zwischen den Missionszielen von Ingenuity und Dragonfly und den Umgebungen, in denen sie eingesetzt werden, bedeuten, dass „es wenig oder gar kein Erbe in der Hardware gibt“. Dennoch ziehen er und sein Team Lehren aus der Geschäftstätigkeit von Ingenuity. Mehrere Mitglieder des Ingenuity-Teams waren für Dragonfly beratend tätig.

Die Idee für einen Helikopterflug auf dem Mars hatte Balaram bereits in den 1990er-Jahren, obwohl er zugibt, dass er nicht der Einzige war. „Die American Helicopter Society veranstaltete sogar einen Wettbewerb, bei dem Universitätsstudenten einen Hubschrauber für den Mars entwerfen konnten“, sagt Balaram. „Das war ungefähr zu der Zeit, als die Pathfinder-Mission der NASA mit dem kleinen Rover Sojourner auf dem Mars landete [1997]. Damals herrschte große Aufregung um den Mars.“

Trotzdem lag das Konzept die nächsten 15 Jahre auf Eis, bis das Interesse an der damals aufkommenden Drohnentechnologie dazu führte, dass Balaram gebeten wurde, einen kurzen Bericht über die Machbarkeit der Technologie für eine Marsmission zu erstellen. „Sie gaben uns Startkapital und wir entwarfen und bauten Ingenuity“, sagt Balaram.

Der Moment, als Ingenuity am 7. April 2019 seine Rotorblätter entriegelte, ein wichtiger Meilenstein vor seinem Erstflug (Foto: NASA/JPL-Caltech)

Balaram und sein Team mussten einige komplexe Herausforderungen meistern, von denen die extrem dünne Atmosphäre auf dem Mars die größte war. Die Luftdichte auf dem Mars beträgt etwa 1 % der Luftdichte auf Meereshöhe auf der Erde.

Dadurch wird es deutlich schwieriger, Auftrieb für den Start zu erzeugen. Während die geringere Anziehungskraft des Mars, die etwa ein Drittel der Anziehungskraft der Erde beträgt, etwas hilft, „kämpft man immer noch mit einer sehr geringen Dichte“, sagt Balaram.

Damit Ingenuity in die Luft fliegen konnte, bestand die Priorität darin, es so leicht wie möglich zu machen. Dieses Designkriterium stand jedoch im Widerspruch zu einem anderen: das Raumschiff robust genug zu machen, um in der außerordentlich lebensfeindlichen Umgebung auf dem Mars zu überleben.

Laut Balaram bedeutete dies, es stark genug zu machen, um den Strapazen des Starts standzuhalten, bei denen Vibrationsbelastungen bis zu 18 g erreichen können. Es muss sich auch mit dem Vakuum und der Strahlung des Weltraums, den Vibrationsbelastungen beim Abstieg zum Mars und der extremen Kälte des Mars selbst auseinandersetzen, wo die Temperaturen nachts auf bis zu minus 90 °C sinken können.

Die dünne Marsatmosphäre habe auch zu Problemen bei der Steuerung des Flugzeugs geführt, sagt er.

„Auf der Erde trägt die Dicke der Atmosphäre dazu bei, bestimmte unerwünschte Bewegungen der Rotorblätter von Hubschraubern zu dämpfen. Auf dem Mars gibt es diesen dämpfenden Effekt nicht, daher hatten wir einige Stabilitätsprobleme, die wir überwinden mussten.

„Man braucht eine Menge Hochleistungsrechnen, um ein im Wesentlichen instabiles Fahrzeug in der Luft zu halten. Die NASA verfügte über altmodische Prozessoren, die strahlungstolerant waren, aber nicht über die erforderliche Rechenleistung verfügten. Deshalb mussten wir uns woanders nach kommerziellen Standardlösungen umsehen.“

Libelle beim Abstieg zur Titanoberfläche zur Landung (Bilder: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben)

Während Dragonfly während seiner Titan-Mission vor vielen großen Herausforderungen stehen wird, sollte der Flug in die Luft keine davon sein. Die dichte Atmosphäre des Titanen – viermal dichter als die der Erde – dürfte das Fliegen erleichtern.

So einfach, sagt Balaram, dass ein Mensch mit einem Flügelpaar durch einfaches Schlagen der Arme in die Luft fliegen könnte, „wenn ihm die Kälte nichts ausmacht“.

Dies ist ein wichtiger Vorbehalt bei einem Himmelskörper, dessen Oberflächentemperaturen im Durchschnitt etwa -179 °C (-290 °F) betragen. Tatsächlich dürfte die extreme Kälte einer der herausforderndsten Aspekte der Dragonfly-Mission sein, sagt Lorenz.

„Eine große Herausforderung ist die niedrige Temperatur, die uns zu einem sorgfältigen thermischen Design zwingt“, sagt er.

Lorenz rechnet auch damit, dass die an Bord von Dragonfly installierten Sensoren zur Gefahrenerkennung durch die Gaszusammensetzung der Titanatmosphäre, die der der Erde ähnelt, Herausforderungen erleiden werden

besteht überwiegend aus Stickstoff, enthält aber auch etwa 5 % Methan.

„Einige Lidars verwenden Laser mit Wellenlängen, die Methan in der Titanatmosphäre absorbieren würde. Daher müssen wir sicherstellen, dass unsere Geräte Wellenlängen verwenden, die besser an die Bedingungen von Titan angepasst sind“, sagt Lorenz.

Das Testprogramm für die Acht-Rotor-Dragonfly wird sich auf die Beurteilung konzentrieren, wie das Raumschiff mit den Bedingungen auf diesem fernen Mond zurechtkommt. Lorenz und sein Team am APL haben eine spezielle Testkammer mit einem Durchmesser von 3 m (10 Fuß) gebaut, in der der atmosphärische Druck und die Zusammensetzung von Titan sorgfältig reproduziert werden können.

Sie sind außerdem dabei, eine thermische Testkammer in Betrieb zu nehmen, die „groß genug sein wird, um den gesamten Lander unterzubringen“.

Phasen der Dragonfly-Mission: Eintritt, Abstieg, Landung, Oberflächenoperationen und Flug auf Titan (Bild: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben/Magda Saina)

Im Gegensatz zu Ingenuity, das als Teil einer viel größeren Nutzlast zum Mars geflogen wurde, wird Dragonfly nach einer achtjährigen Reise durch den Weltraum alleine auf Titan landen. Das Raumschiff wird mit dem Fallschirm abgesetzt und fliegt dann mit eigenem Antrieb zu einem Landeplatz.

Laut Lorenz wird diese erste Landung auf Titan „sicherlich die meisten Unbekannten beinhalten, da wir vorher nicht in den Genuss der Bilder von Dragonfly kommen werden“. Stattdessen muss sich das Team auf Daten über die Titanoberfläche verlassen, die von der Cassini-Mission gesammelt wurden, einer gemeinsamen europäisch-amerikanischen Raumsonde, die den Saturn 13 Jahre lang bis 2017 umkreiste.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu Ingenuity sind die Missionsziele. Während Ingenuity als Aufklärungsaufklärer für den Rover Perseverance fungierte, wurde es als Technologiedemonstration geschaffen und hatte daher eine relativ einfache Aufgabe: zu beweisen, dass unbemannte Flüge auf einem anderen Planeten möglich sind.

Dragonfly wird jedoch seine gesamte wissenschaftliche Nutzlast innerhalb des Raumschiffs fliegen, sodass es zu verschiedenen Orten auf dem Planeten fliegen kann, um Tests der Oberflächenmaterialien durchzuführen.

„Was wir machen, ist landgestützte Erkundung – Dragonfly ist nur ein Landegerät, das per Flug verlagert werden kann“, sagt Lorenz. „Es ermöglicht uns, viel weiter und schneller von einem Ort von Interesse zu einem anderen zu gelangen, als es ein Rover könnte.“

Eine weitere große Herausforderung wird die Aufrechterhaltung der Kommunikation mit dem Hubschrauber sein, die sowohl für die Weitergabe von Fluganweisungen als auch für den Empfang der während seiner wissenschaftlichen Forschung gesammelten Daten von entscheidender Bedeutung ist. Es dauert eine Stunde, bis die Kommunikation von der Erde aus Titan erreicht, und die Fähigkeit zur Kommunikation wird durch die Dauer des Titan-Tageszyklus, der fast 16 Erdentage dauert, stark eingeschränkt.

Laut Lorenz werden alle Dragonfly-Flüge „während der Kommunikation mit der Erde durchgeführt, so dass wir eine kontinuierliche Anzeige haben, dass der Flug nach Plan verläuft“.

Er fügt hinzu: „Nach einer bestimmten Landung wird es wahrscheinlich etwa 15 Minuten dauern, bis wir den Staub verziehen haben und die Hochleistungsantenne auf die Erde gerichtet haben, um umfangreichere Daten wie Bilder zurückzustrahlen.

„Aber es wird Tage dauern, bis alle Daten eines Fluges zurückkommen.“

Dragonfly hat kürzlich die vorläufige Entwurfsprüfung bestanden und Lorenz und sein Team haben mit der Erstellung des technischen Modells (EM) der Systeme des Fluggeräts begonnen. Diese „haben das gleiche Design, die gleiche Form und die gleiche Funktion wie das, mit dem wir zu Testzwecken fliegen wollen, und wir haben bereits Flugtests im Freien mit einem Oktokopter im halben Maßstab durchgeführt, der seit einigen Jahren unsere integrierte Testplattform ist“, sagt Lorenz.

Alle EM-Einheiten werden zusammen in einem Flatsat-Tischlayout getestet, und für andere Arten von Tests „gibt es separate Modelle in Originalgröße, die geometrisch repräsentativer sind“. Während sich die Titan-Mission von der Ingenuity-Mission unterscheiden wird, sei die frühere Mission ein wichtiger Schritt, sagt Balaram. „Ingenuity ist bereits auf einem anderen Planeten geflogen“, sagt Balaram. „Der Schritt ins Unbekannte ist also getan. Psychologisch halte ich das für nicht unwichtig.“

Künstlerische Darstellung des Dragonfly-Drehflüglerlandegeräts auf der Oberfläche von Titan, dem größten Saturnmond

Der Dragonfly-Drehflügler der NASA wird Mitte der 2030er Jahre auf Titan landen. Der Weg dorthin wird acht anstrengende Jahre dauern und 746 Millionen Meilen durch das Vakuum des Weltraums zurücklegen.

Angesichts der unglaublichen Schwierigkeiten, die diese Mission mit sich bringt, stellt sich natürlich die Frage: Warum Titan?

Laut Melissa Trainer, stellvertretende Forschungsleiterin am Goddard Space Flight Center der NASA und Teil der Dragonfly-Mission, rührt das Interesse der Weltraumforscher an Titan von seiner Einstufung als Ozeanwelt her, in der Wasser vermutlich in großen Mengen vorhanden ist.

Im Fall von Titan wird angenommen, dass seine Ozeane Dutzende Kilometer unter der eisigen Oberfläche des Mondes eingeschlossen sind. Der Beweis für diesen unterirdischen Ozean stammt aus Schwerkraft- und Trägheitsmessungen des Cassini-Orbiters, sagt Trainer. Die aus diesen Messungen abgeleitete Dichte unter der Oberfläche deutet auf das Vorhandensein von Wasser hin, sagt sie.

Sie weisen auch auf „eine Entkopplung zwischen dem Äußeren und dem Inneren hin, was bedeutet, dass es dazwischen eine Flüssigkeitsschicht gibt, und dass diese Flüssigkeitsschicht je nachdem, wo wir uns im Sonnensystem befinden, größtenteils aus Wasser bestehen müsste“, sagt sie.

Das andere wichtige Merkmal von Titan ist „die immense Menge an organischem Material, das sich in seiner Atmosphäre und auf seiner Oberfläche befindet“, sagt Trainer.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass dieses organische Material zu verschiedenen Zeiten in der Geschichte des Mondes mit Wasser in Kontakt gekommen ist, das entweder durch Eruptionen oder durch Einschläge an die Oberfläche gelangt ist. Es wird angenommen, dass diese Kombination aus Wasser und komplexer organischer Substanz eine der Hauptbedingungen für die Entstehung von Molekülen wie Aminosäuren ist, einem der Bausteine ​​des Lebens.

Dragonfly wird viele Orte an der Oberfläche besuchen, an denen Wissenschaftler vermuten, dass diese Art von Interaktion stattgefunden hat, um nach den Bedingungen zu suchen, die zur Entstehung von Leben führten, bekannt als präbiotische Chemie. Dazu werden winzige Proben von der Titanoberfläche gebohrt. Die Proben werden in den Körper des Landers gebracht, wo ein Massenspektrometer zur Analyse ihrer chemischen Zusammensetzung verwendet wird.