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Mit Rosetta auf Abenteuerreise

Text: Andreas Seegen, Faulhaber; Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee
Eines der letzten Geheimnisse ist die Entstehung unseres Sonnensystems. Um seiner Lösung näher zu kommen, wollen Wissenschaftler ihr Wissen über Kometen mehren. Dazu flog die Raumsonde Rosetta zehn Jahre lang durchs All. An Bord für den Weltraumeinsatz: modifizierte Standard-DC-Servomotoren.

Im November setzte der 100 kg schwere ballistische Lander Philae auf dem Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko auf. Dort startete er mit Experimenten, die Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Himmelskörpers liefern sollen. Im Lander und seinem Ankersystem arbeiten mehrere DC-Servomotoren, die für den Weltraumeinsatz und seine extremen Bedingungen nur leicht modifiziert werden mussten. Die Antriebe müssen selbst nach jahrelangem Flug durchs Weltall zuverlässig ihre Funktion erfüllen, zum Beispiel bei der Landung und dann während der Analysen, die auf der Kometenoberfläche durchgeführt werden.

Aufgrund der geringen Schwerkraft des Himmelskörpers ist es schwierig, auf der Oberfläche Halt zu finden und diesen Halt auch während der gesamten Betriebsdauer zuverlässig sicherzustellen. Unter der Federführung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelte das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik für die Sonde deshalb ein spezielles Ankersystem: Unmittelbar nach Bodenkontakt sollten eigentlich zwei Harpunen per Treibladung auf die Kometenoberfläche geschossen werden und darin eindringen. Widerhaken waren vorgesehen, um zu verhindern, dass diese Dübel sich wieder lösen. Jede Harpune hätte dann aus einem Magazin ein Seil hinter sich hergezogen, das nach dem Schuss durch den Mikromotor auf eine Trommel aufgewickelt und gestrafft werden sollte, um so die Sonde auf der Oberfläche zu verankern. So war es jedenfalls geplant, doch die Treibladung zündete nicht, die Harpunenanker kamen nicht zum Einsatz und Philae kam letztlich in Schräglage.

Aufgaben von Landung bis Analyse

Aber auch andere Motoren erfüllen wichtige Aufgaben: Um die kinetische Energie bei der Landung von etwa 50 Joule über einen Spindelantrieb in elektrische Energie und schließlich in Wärme umzusetzen, wird ein kleiner Glockenankermotor über einen externen Widerstand kurzgeschlossen und als Generator betrieben. Weitere Antriebe sind auch am drei­beinigen Landegestell des Landers im Einsatz; unter anderem um über ein Kardangelenk das Landeroberteil zu schwenken oder so zu drehen, dass die Solarpanelen optimal ausgerichtet sind.

Auch bei der Probenentnahme sind Kleinstantriebe gefragt: Der Lander hat einen Bohrer, der Proben zur Pyrolyse in kleine Öfen füllt. Kleine Motoren treiben über einen Schneckenantrieb einen Exzenter, der einen Verschluss aus Keramik auf den jeweiligen Ofen fährt und simultan die elektrischen Kontakte für die Ofenheizung schließt. Durch dünne Rohre im Ofenverschluss wird das Gas zur Analyse an die wissenschaftlichen Instrumente weitergeleitet. Ob und wie nach der etwas holprigen Landung diese Experimente ausgeführt werden können, war zur Drucklegung der A&D noch nicht klar. Die Antriebe dazu stehen jedenfalls bereit.

Die Anforderungen, die der Weltraum an diese Antriebe stellt, sind hoch: So kostet jedes Kilogramm Masse, das in den Weltraum geschossen wird, Energie, also Treibstoff, und somit bares Geld. Es sind daher kleine, leichte Lösungen gefragt, die gleichzeitig den enormen Vibrations- und Beschleunigungskräften beim Start standhalten müssen, ebenso wie den sehr niedrigen Dauertemperaturen und den jahrelangen Vakuum­bedingungen im Weltraum.

Da der Kostenfaktor auch bei Weltraumprojekten ein Hauptbestandteil jeglicher Überlegungen bei der Komponentenauswahl ist, wollten die Entwickler, wenn irgend möglich, auf Sonderentwicklungen verzichten. Sie sahen sich deshalb zunächst nach Serienprodukten um, die möglichst vielen ihrer Vorgaben entsprachen. Im Antriebssysteme-Programm von Faulhaber wurden sie fündig. Die hier angebotenen Standardantriebslösungen erfüllten alle mechanischen Anforderungen. Den besonderen Bedingungen des Weltalls konnte dann durch vergleichsweise wenige, nicht allzu kostenträchtige Modifika­tionen Rechnung getragen werden.

Tuning für Standardantriebe

Als Ausgangsmotor für den Antrieb der Anker-Harpune dient beispielsweise ein bürstenloser DC-Servomotor mit Präzisionsgetriebe. Motor und Getriebe messen zusammen nur 16 mm im Durchmesser bei 55 mm Länge. Ein geringes Getriebespiel von unter 1 ° erlaubt auch feinfühliges Positionieren. Mittels der kompakten Abmessungen ließ sich die Antriebs­lösung gut integrieren, und ihr geringer Strombedarf kam der Anwendung ebenfalls entgegen.

Auch die Schmierung der eingesetzten Antriebe wurden an die Weltraumbedingungen angepasst. Fette oder Öle sind untauglich, sie erstarren entweder in der Weltraumkälte oder verdampfen im Vakuum. Die Wahl fiel auf den Festschmierstoff Molybdändisulfid (MoS2), der eine graphit­artige Schichtstruktur hat. Hiermit funktioniert die Schmierung auch im Vakuum, bei Weltraumkälte und bei Temperaturen bis zu mehreren Hundert Grad Celsius.

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