Die Neugier Rover hat in den fünf Jahren seines Betriebs auf der Marsoberfläche einige unglaubliche Entdeckungen gemacht. Und im Zuge seiner Forschung hat der Rover auch einiges an Laufleistung gesammelt. Überraschend war es allerdings, als bei einer Routineuntersuchung in 2013 , stellten Mitglieder des Curiosity-Wissenschaftsteams fest, dass die Räder Risse in den Laufflächen erlitten hatten (gefolgt von Brüchen, die in 2017 ).
Mit Blick auf die Zukunft hoffen Forscher des Glenn Research Center der NASA, die Rover der nächsten Generation mit einem neuen Rad ausstatten zu können. Es basiert auf der „ Frühlingsreifen “, das die NASA Mitte der 2000er Jahre zusammen mit Goodyear entwickelt hat. Anstatt jedoch gewickelte Stahldrähte zu verwenden, die in ein Maschenmuster eingewebt sind (was Teil des ursprünglichen Designs war), hat ein Team von NASA-Wissenschaftlern eine haltbarere und flexiblere Version entwickelt, die die Weltraumforschung revolutionieren könnte.
Wenn es darauf ankommt, haben Mond, Mars und andere Körper im Sonnensystem ein hartes, bestrafendes Terrain. Beim Mond ist das Hauptproblem der Regolith (auch bekannt als Mondstaub), der den größten Teil seiner Oberfläche bedeckt. Dieser feine Staub besteht im Wesentlichen aus zerklüfteten Mondgesteinsbrocken, die Motoren und Maschinenkomponenten verwüsten. Auf dem Mars ist die Situation etwas anders, da Regolith und scharfe Felsen den größten Teil des Geländes bedecken.
Mit der Mars Hand Lens Imager (MAHLI)-Kamera aufgenommenes Bild, das den Zustand der linken mittleren und linken hinteren Räder von Curiosity zeigt. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Im Jahr 2013, nach nur einem Jahr auf der Oberfläche, zeigten die Räder des Curiosity-Rovers Abnutzungserscheinungen, da er unerwartet raues Gelände durchquerte. Dies führte bei vielen zu Befürchtungen, dass der Rover seine Mission möglicherweise nicht erfüllen kann. Dies führte auch dazu, dass viele im Glenn Research Center der NASA ein Design überdenken, an dem sie fast ein Jahrzehnt zuvor gearbeitet hatten und das für erneute Missionen zum Mond gedacht war.
Für NASA Glenn ist die Reifenentwicklung seit etwa einem Jahrzehnt ein Forschungsschwerpunkt. Damit knüpfen sie an eine altehrwürdige Tradition von NASA-Ingenieuren und Wissenschaftlern an, die bereits in der Apollo-Ära begann. Zu dieser Zeit evaluierten sowohl das amerikanische als auch das russische Raumfahrtprogramm mehrere Reifendesigns für den Einsatz auf der Mondoberfläche. Insgesamt wurden drei Hauptdesigns vorgeschlagen.
Zuerst hattest du die Räder speziell für Lunochod-Rover , ein russisches Fahrzeug, dessen Name wörtlich übersetzt „Moon Walker“ bedeutet. Das Raddesign dieses Rovers bestand aus acht Drahtgitterreifen mit starrer Felge, die durch Fahrradspeichen mit ihren Achsen verbunden waren. An der Außenseite des Reifens wurden zudem Metallstollen montiert, um eine bessere Traktion im Mondstaub zu gewährleisten.
Dann war da noch das Konzept der NASA für einen Modularized Equipment Transporter (MET), das mit Unterstützung von Goodyear entwickelt wurde. Dieser antriebslose Wagen wurde mit zwei mit Stickstoff gefüllten, glatten Gummireifen geliefert, um das Ziehen des Wagens durch Mondboden und über Felsen zu erleichtern. Und dann war da noch das Design für die Mond-Roving-Fahrzeug (LRV), das letzte NASA-Fahrzeug, das den Mond besuchte.
Dieses bemannte Fahrzeug, mit dem Apollo-Astronauten auf der herausfordernden Mondoberfläche herumfuhren, verließ sich auf vier große, flexible Drahtgitterräder mit steifem Innenrahmen. Als die NASA Mitte der 2000er Jahre begann, neue Missionen zum Mond (und zukünftigen Missionen zum Mars) zu planen, begannen sie damit Neubewertung des LRV-Reifens und die Einbeziehung neuer Materialien und Technologien in das Design.
Das Ergebnis dieser erneuten Forschung war der Federreifen, der das Werk eines mechanischen Forschungsingenieurs war Vivake Asnani , der bei der Entwicklung eng mit Goodyear zusammengearbeitet hat. Das Design erforderte einen luftlosen, nachgiebigen Reifen, der aus Hunderten von gewickelten Stahldrähten bestand, die dann zu einem flexiblen Netz verwoben wurden. Dies sorgte nicht nur für ein geringes Gewicht, sondern gab den Reifen auch die Fähigkeit, hohe Lasten zu tragen und sich dem Gelände anzupassen.
Um zu sehen, wie sich der Federreifen auf dem Mars schlagen würde, begannen Ingenieure des Glenn Research Center der NASA, ihn im Slope-Labor zu testen, wo sie ihn durch einen Hindernisparcours führten, der die Marsumgebung simulierte. Während die Reifen in simuliertem Sand im Allgemeinen gut funktionierten, traten Probleme auf, wenn sich das Drahtgeflecht nach dem Überfahren von zerklüfteten Felsen verformte.
Um dies anzugehen, diskutierten Colin Creager und Santo Padua (ein NASA-Ingenieur bzw. Materialwissenschaftler) mögliche Alternativen. Mit der Zeit einigten sie sich darauf, dass die Stahldrähte durch Nickel-Titan ersetzt werden sollten, eine Legierung mit Formgedächtnis, die unter harten Bedingungen ihre Form beibehält. Wie Padua in a . erklärte NASA Glenn-Videosegment , die Inspiration, diese Legierung zu verwenden, war sehr glücklich:
„Ich war zufällig hier drüben in dem Gebäude, wo das Slope-Labor ist. Und ich war hier zu einem anderen Meeting wegen meiner Arbeit mit Formgedächtnislegierungen, und zufällig treffe ich Colin in der Halle. Und ich dachte: ‚Was machst du zurück und warum bist du nicht drüben im Impact Lab?‘ – weil ich ihn als Student kannte. Er sagte: 'Nun, ich habe meinen Abschluss gemacht und arbeite seit einiger Zeit hier Vollzeit ... ich arbeite in Slope.'
Obwohl Padua zehn Jahre am JPL arbeitete, hatte er das Slope-Labor noch nie zuvor gesehen und nahm eine Einladung an, zu sehen, woran sie arbeiteten. Nachdem Padua das Labor betreten und sich die Federreifen angesehen hatte, die sie testeten, fragte Padua, ob sie Probleme mit Verformungen hätten. Als Creager dies zugab, schlug Padua eine Lösung vor, die zufällig sein Fachgebiet war.
„Ich hatte noch nie zuvor von dem Begriff Formgedächtnislegierungen gehört, aber ich wusste, dass [Padua] ein Ingenieur für Materialwissenschaften war“, sagte Creager. „Seitdem arbeiten wir bei diesen Reifen zusammen und nutzen seine Materialexpertise, insbesondere bei Formgedächtnislegierungen, um diesen neuen Reifen zu entwickeln, von dem wir glauben, dass er planetarische Rover-Reifen und möglicherweise sogar Reifen für die Erde wirklich revolutionieren wird .“
Der Schlüssel zu Formgedächtnislegierungen liegt in ihrer atomaren Struktur, die so aufgebaut ist, dass sich das Material seine ursprüngliche Form „erinnert“ und nach Verformung und Dehnung wieder in diese zurückkehren kann. Nach dem Bau des Reifens aus einer Legierung mit Formgedächtnis schickten die Ingenieure von Glenn ihn an das Jet Propulsion Laboratory, wo er in der Mars Life Test Facility getestet wurde.
Insgesamt schnitten die Reifen nicht nur im simulierten Marssand gut ab, sondern hielten auch das Überqueren harter Felsvorsprünge problemlos aus. Auch nachdem die Reifen bis auf die Achsen verformt waren, konnten sie ihre ursprüngliche Form behalten. Dies gelang ihnen auch mit einer erheblichen Nutzlast, eine weitere Voraussetzung für die Entwicklung von Reifen für Erkundungsfahrzeuge und Rover.
Die Prioritäten für den Mars Spring Tire (MST) liegen darin, eine höhere Haltbarkeit, bessere Traktion in weichem Sand und ein geringeres Gewicht zu bieten. Wie die NASA auf der MST website (Teil der Website des Glenn Research Center) bietet die Entwicklung leistungsstarker, konformer Reifen wie dem Spring Wheel drei große Vorteile:
„Erstens würden sie es Rovern ermöglichen, größere Regionen der Oberfläche zu erkunden, als es derzeit möglich ist. Zweitens können sie, weil sie sich dem Gelände anpassen und nicht so stark einsinken wie starre Räder, bei gleicher Masse und gleichem Volumen höhere Nutzlasten tragen. Da die nachgiebigen Reifen schließlich Energie von Stößen bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten absorbieren können, können sie auf Erkundungsfahrzeugen mit Besatzung verwendet werden, von denen erwartet wird, dass sie sich mit deutlich höheren Geschwindigkeiten bewegen als die aktuellen Mars-Rover.“
Die erste Gelegenheit, diese Reifen zu testen, ist nur noch wenige Jahre entfernt, wenn die NASA März 2020 Rover wird an die Oberfläche des Roten Planeten gesendet. Dort angekommen, macht der Rover dort weiter, wo Curiosity und andere Rover aufgehört haben, und sucht nach Lebenszeichen in der rauen Umgebung des Mars. Der Rover hat auch die Aufgabe, Proben vorzubereiten, die schließlich von einer bemannten Mission, die irgendwann in den 2030er Jahren stattfinden soll, zur Erde zurückgebracht werden.
