Das Jet Propulsion Laboratory der NASA gab kürzlich bekannt, dass es einen kleinen Drohnenhubschrauber entwickelt, um den Weg für zukünftige Mars-Rover zu erkunden. Warum brauchen Mars-Rover einen solchen Roboterführer? Die Antwort ist, dass das Fahren auf dem Mars wirklich schwer ist.
Hier auf der Erde können Roboter, die Vulkanfelsen erkunden oder Retter unterstützen, per Fernbedienung mit einem Joystick gesteuert werden. Denn Funksignale erreichen den Roboter fast augenblicklich von seiner Steuerzentrale. Auf dem Mond zu fahren ist nicht viel schwieriger. Funksignale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, benötigen für die Hin- und Rückreise zum Mond etwa zweieinhalb Sekunden. Diese Verzögerung ist nicht lang genug, um das ferngesteuerte Fahren ernsthaft zu beeinträchtigen. In den 1970er Jahren fuhren sowjetische Kontrolleure die Lunokhod-Mond-Rover auf diese Weise und erkundeten erfolgreich mehr als 40 km Mondgelände.
Das Fahren auf dem Mars ist viel schwieriger, weil er so viel weiter weg ist. Je nach Position zur Erde können die Signale für den Hin- und Rückweg zwischen 8 und 42 Minuten dauern. Vorprogrammierte Anweisungen müssen an den Rover gesendet werden, den er dann selbstständig ausführt. Jede Marsfahrt erfordert Stunden sorgfältiger Planung. Die von den Navigationskameras des Rovers aufgenommenen Stereobilder werden von Ingenieuren sorgfältig geprüft. Bilder von Raumfahrzeugen, die den Mars umkreisen, liefern manchmal zusätzliche Informationen.
Ein Rover kann entweder so programmiert werden, dass er einfach eine Liste von Fahrbefehlen ausführt, die von der Erde gesendet werden, oder er kann Bilder seiner Navigationskameras verwenden und von seinen Bordcomputern verarbeitet werden, um die Geschwindigkeit zu messen und Hindernisse oder Gefahren selbst zu erkennen. Es kann sogar seinen eigenen sicheren Weg zu einem bestimmten Ziel planen. Fahrten nach Anweisungen vom Boden aus sind die schnellsten.
Die Mars Exploration Rovers Spirit und Opportunity könnten auf diese Weise in einer Stunde bis zu 124 Meter weit fahren. Dies entspricht etwa der Länge eines American-Football-Feldes. Aber dieser Modus war auch der unsicherste.
Wenn sich der Rover mit seinen Kameras aktiv selbst steuert, ist der Fortschritt sicherer, aber aufgrund der erforderlichen Bildverarbeitung viel langsamer. Es kann um nur 10 Meter pro Stunde voranschreiten, was ungefähr der Entfernung von der Torlinie bis zur 10-Yard-Linie auf einem American-Football-Feld entspricht. Diese Methode muss immer dann verwendet werden, wenn der Rover keine klare Sicht auf die vor ihm liegende Route hat, was häufig aufgrund von unebenem und hügeligem Gelände der Fall ist.
Seit Anfang 2015 beträgt die weiteste Distanz, die Curiosity an einem einzigen Tag gefahren ist, 144 Meter. Die längste tägliche Fahrt von Opportunity betrug 224 Meter, eine Distanz, die der Länge von zwei American-Football-Feldern entspricht.
Wenn Bodenlotsen einen besseren Überblick über den vor ihnen liegenden Weg bekommen könnten, könnten sie Anweisungen erarbeiten, die es einem zukünftigen Rover ermöglichen, an einem Tag sicher viel weiter zu fahren.
Hier kommt die Idee eines Drohnen-Helikopters ins Spiel. Der Hubschrauber könnte jeden Tag vor dem Rover fliegen. Bilder, die von seinem Aussichtspunkt aus der Luft gemacht wurden, wären für Bodenlotsen von unschätzbarem Wert, um Punkte von wissenschaftlichem Interesse zu identifizieren und Fahrrouten zu planen, um dorthin zu gelangen.
Einen Helikopter auf den Mars zu fliegen stellt besondere Herausforderungen. Ein Vorteil ist, dass die Schwerkraft des Mars nur 38 % so stark ist wie die der Erde, sodass der Helikopter nicht so viel Auftrieb erzeugen müsste wie ein Helikopter gleicher Masse auf der Erde. Die Propellerblätter eines Hubschraubers erzeugen Auftrieb, indem sie Luft nach unten drücken. Dies ist auf dem Mars schwieriger als auf der Erde, da die Marsatmosphäre hundertmal dünner ist. Um genügend Luft zu verdrängen, müssten sich die Propellerblätter sehr schnell drehen oder sehr groß sein.
Der Copter muss in der Lage sein, nach vorheriger Anleitung selbstständig zu fliegen und einen stabilen Flug entlang einer vordefinierten Route aufrechtzuerhalten. Es muss wiederholt in felsigem Marsgelände landen und starten. Schließlich muss es in der Lage sein, die harten Bedingungen des Mars zu überleben, bei denen die Temperatur jede Nacht auf 100 Grad Fahrenheit oder niedriger sinkt.
Die JPL-Ingenieure konstruierten einen Copter mit einer Masse von 1 Kilogramm; ein winziger Bruchteil der 900 kg Masse des Curiosity-Rovers. Seine Propellerblätter erstrecken sich von Blattspitze zu Blattspitze über 1,1 Meter und können sich mit 3400 Umdrehungen pro Minute drehen. Der Körper hat ungefähr die Größe einer Taschentuchschachtel.
Der Copter ist solarbetrieben, wobei eine Scheibe aus Solarzellen jeden Tag genug Energie sammelt, um einen Flug von zwei bis drei Minuten zu betreiben und das Fahrzeug nachts zu heizen. Es kann in dieser Zeit etwa einen halben Kilometer fliegen und dabei Bilder für die Übertragung an die Bodenkontrolle sammeln. Ingenieure erwarten, dass die Aufklärung, die der Drohnenkopter sammelt, bei der Planung der Fahrten eines Rovers von unschätzbarem Wert sein wird, da sich die Entfernung, die an einem Tag zurückgelegt werden kann, verdreifacht.
Referenzen und weiterführende Literatur:
Vielen Dank an Mark Maimone vom NASA Jet Propulsion Laboratory für Informationen über die täglichen Fahrstrecken von Curiosity und Opportunity.
J. J. Biesiadecki, P.C. Leger und M.W. Maimone (2007), „Kompromisse zwischen gerichtetem und autonomem Fahren auf den Mars-Erkundungsrovern“, The International Journal of Robotics Research, 26(1), 91-104
E. Howell, Gelegenheit Mars-Rover wandert über 41 Kilometer in Richtung „Marathon Valley“ , Universum heute, Dez. 2014.
T. Reyes, Eine unglaubliche Reise, der Mars Curiosity Rover erreicht den Fuß des Mount Sharp . Universum heute, September 2014.
Hubschrauber könnte „Kundschafter“ für Mars-Rover sein . Pressemitteilung des NASA Jet Propulsion Laboratory. 22. Januar 2015.
Crazy Engineering: Der Mars-Helikopter . Video des NASA Jet Propulsion Laboratory.
