Snake Rovers könnten der beste Weg sein, um die Oberfläche und die Tunnel auf dem Mars zu erkunden

Die Erforschung des menschlichen Weltraums wird in den kommenden Jahrzehnten auf Hochtouren laufen. Allein im inneren Sonnensystem sind Missionen geplant, bei denen Roboterforscher und Crews zu Near Earth Objects (NEOs), zurück zum Mond und sogar zum Mars geschickt werden. Darüber hinaus sind sogar Robotermissionen nach Europa, Enceladus, Titan und anderen „Ozeanwelten“ geplant, um nach Lebenszeichen zu suchen.

In allen Fällen stellen sich natürlich Fragen, welche Arten von Missionen für sie am besten geeignet sind. Im Falle von Orten wie Titan (die eine geringe Schwerkraft und eine dichte Atmosphäre haben) Luftdrohnen gelten als die beste Wahl. Aber wenn es um felsige Orte wie Asteroiden, Mond und Mars geht, könnte der beste Kandidat sein Roboterschlangen , die ihren Weg durch enge Räume finden und unter der Erde reisen könnten.

Dieses Konzept wurde vor drei Jahren von der Stiftung für wissenschaftliche und industrielle Forschung (SINTEF), der größten unabhängigen Forschungsorganisation in Skandinavien. Im Rahmen eines von der ESA beauftragten Projekts – bekannt als SERPEX – begannen sie zu untersuchen, wie Roboter, die die Bewegungen von Schlangen nachahmen, Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation unterstützen könnten.

Die SINTEF-Forscher Pål Liljebäck und Aksel Transeth sowie Knut Robert Fossum von NTNUs CIRiS spielen mit dem Schlangenroboter Wheeko. Bildnachweis: SINTEF / Thor Nielsen.

Aber wie Aksel Transeth, Senior Research Scientist bei SINTEF, in einem kürzlich erschienenen Pressemitteilung , die Möglichkeiten gehen weit über die ISS hinaus:

„Zu den ehrgeizigeren Anwendungen zählen potenzielle Aktivitäten auf Kometen und dem Mond. [A] Snake Robot, der ISS-Astronauten bei der Wartung ihrer Ausrüstung unterstützen kann, ist vielleicht eine Lösung, die kurzfristiger realisiert werden kann.“

Im Vergleich zu anderen Roboter-Entdeckern ist das Hauptverkaufsargument einer Roboterschlange, dass sie eine bessere Mobilität bietet. Seit zwei Jahrzehnten erforscht die NASA den Roten Planeten mit Roboter-Rover, beginnend mit Pfadfinder und Gast in 1997, Geist und Gelegenheit 2003 und dann Neugier im Jahr 2012. Und in etwas mehr als zwei Jahren werden sie die März 2020 Rover.

In allen Fällen bewegen sich diese Roboter auf sechs Rädern und führen Experimente mit Instrumenten an Roboterarmen durch. Aber wie die Missionsteams hinter diesen Rovern gelernt haben, kann Mobilität eine Herausforderung sein. Zum Beispiel, nach fünf Jahren auf der Marsoberfläche, dieGeistRover wurde in weichem Boden stecken , wo seine Mission endete. Und so erfolgreich diese Missionen auch in der Forschung waren, es gibt Orte, die sie einfach nicht erreichen können.

Die SINTEF-Forscher entschieden sich, diese Probleme mit Biomimikry anzugehen – also Robotern, die die Funktionen von Lebewesen nachahmen. Durch die Kombination eines Rovers, der über große Entfernungen navigieren kann, mit einem Schlangenroboter, der über den Boden kriechen und an unzugängliche Orte gelangen kann, glauben sie, dass zukünftige Missionen in der Lage sein würden, an Orte zu gelangen und Proben zu sammeln, die andere Missionen nicht könnten.

Die ESA hat kürzlich ihren Plan ausgearbeitet, bis 2030 eine Mondbasis zu schaffen. Kredit: ESA/Foster+Partners

Wie Transeth bereits 2013 erklärte, würde diese Paarung alle möglichen Möglichkeiten eröffnen. „Wir prüfen mehrere Alternativen, damit ein Rover und ein Roboter zusammenarbeiten können“, sagte er. „Da der Rover über eine leistungsstarke Energiequelle verfügt, kann er den Schlangenroboter über ein Kabel zwischen Rover und Roboter mit Strom versorgen. Wenn der Roboter seine eigenen Batterien verwenden müsste, würde ihm der Strom ausgehen und wir würden ihn verlieren.“

In der Konfiguration, die sich Transeth und seine Kollegen vorstellen, würde der Rover die Aufgabe übernehmen, über weite Strecken zu reisen und dann die Schlange in enge unzugängliche Bereiche zu kriechen. Sie würden durch ein Kabel verbunden sein, das Strom und Kommunikationssignale liefert und verwendet wird, um die Schlange wieder einzuziehen. In diesem Sinne würde sich die Schlange wie ein Arm des Rovers verhalten, hätte jedoch die Fähigkeit, autonom zu reisen.

„Wir glauben, dass wir einen Roboter konstruieren können, der sich festhalten, aufrollen und dann seinen Körper ausfahren kann, um neue Kontaktpunkte zu erreichen“, sagt Transeth. „Außerdem glauben wir, dass es sich zwischen Ausrüstungskomponenten auf der ISS einschleichen und Ausrüstungsoberflächen nutzen kann, um Traktion zu gewinnen, um voranzukommen – ähnlich wie es echte Schlangen in freier Wildbahn tun.“

Auf dem Mars ist die Probensammlung für die Forschung vieler Weltraumbehörden von entscheidender Bedeutung. Für den Curiosity-Rover bestätigte das Vorhandensein von hydratisierten Mineralien und Tonen in Bodenproben, dass der Mars einst ein wärmeres, feuchteres Klima hatte. Und in der Zukunft hoffen Wissenschaftler, Biohersteller im Marsboden zu finden, die auf das Vorhandensein (in der Vergangenheit oder Gegenwart) biologischen Lebens hinweisen könnten. In dieser Hinsicht würde sich ein Schlangenroboter als sehr nützlich erweisen, da er unterirdische Nischen erreichen könnte, die der Rover nicht erreichen kann.

Die gewundene Rille, bekannt als Rima Ariadaeus, fotografiert von Apollo 10, die das Ergebnis einer eingestürzten Lavaröhre ist. Bildnachweis: NASA

Auf dem Mond könnten Schlangenroboter besonders nützlich sein, um der ESA bei der Umsetzung ihres Vorschlags zu helfen. Monddorf “ – eine dauerhafte Basis für Wissenschaft, Tourismus und Bergbau, die auch als Nachfolger der ISS fungiert. Der wahrscheinlichste Standort für diese Basis könnte innerhalb von . sein stabile Lavaröhren oder unterirdische Tunnel, die einen natürlichen Schutz vor Meteoren, Sonnenstrahlung und kosmischer Strahlung bieten würden.

Aber bevor ein solcher Bau dieser Basis erfolgen kann, müssen diese Tunnel und Lavaröhren inspiziert werden, um sicherzustellen, dass sie für den menschlichen Lebensraum sicher sind. Die ESA hat sich in den letzten Jahren auch der Erforschung von Kometen verschrieben, darunter das Senden der Raumsonde Rosetta und Philae-Lander zum Rendezvous mit dem Kometen 67P/Tsjurjumov–Gerasimenko im Jahr 2014.

Leider ist der Lander erlebte Probleme als sein Harpunensystem (das es an Ort und Stelle halten sollte) nicht eingesetzt werden konnte. Infolgedessen war es zu einer weiteren weichen Landung gezwungen, die es in eine Position und Position brachte, die für die Forschung nicht optimal war. In Zukunft könnte die ESA dies vermeiden, indem sie eine Sonde an die Oberfläche schickt, die die Schlangen an die Oberfläche entsendet, die sich dann in das Innere des Kometen graben könnten.

Aber in der Zwischenzeit bleiben Operationen an Bord der ISS die realistischste und wahrscheinlichste Anwendung für diese Roboter. Hier sind Astronauten an laufenden wissenschaftlichen Experimenten beteiligt, sind aber auch für die Wartung der Station und der gesamten Ausrüstung verantwortlich. In letzterer Hinsicht könnte sich das SERPEX-Projekt sicherlich als nützlich erweisen, ihnen Roboter-Helfer zur Verfügung zu stellen, die bei der regelmäßigen Wartung helfen könnten.

„Es ist möglich, dass ein Roboter einen Teil der routinemäßigen Inspektions- und Wartungsarbeiten übernimmt“, sagt Transeth. „Die Experimente sind in den Regalabschnitten gestapelt, hinter denen Korrosion auftreten kann. Um dies herauszufinden, müssen Inspektionen durchgeführt werden. Ein Schlangenroboter könnte hinter die Sektionen kriechen, eine Inspektion durchführen und vielleicht sogar kleine Wartungsarbeiten durchführen.“

Zu den bisher von SINTEF entwickelten Konzepten gehören die Aiko-Roboter , das entwickelt wurde, um ein tragbares System zum Experimentieren mit der Fortbewegung von Schlangenrobotern herzustellen. Der Roboter besteht aus mehreren identischen Gelenkmodulen mit jeweils zwei motorisierten Freiheitsgraden. Wie Sie im obigen Video sehen können, wird er durch Kontaktkräfte zwischen dem Roboter und den Hindernissen in seinem Weg angetrieben.

Und dann ist da noch die Wheeko-Roboter , das von SINTEF in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für interdisziplinäre Forschung im Weltraum (CIRiS) und die Norwegisches Raumfahrtzentrum (NSC). Ähnlich wie Aiko wurde dieser experimentelle Roboter entwickelt, um die Fortbewegung von Schlangenrobotern über flache Oberflächen zu untersuchen. Es besteht aus zehn identischen Gelenkmodulen mit jeweils zwei motorisierten Freiheitsgraden.

Aber natürlich birgt die Entwicklung von Schlangenrobotern, die verschiedene Aufgaben in unterschiedlichen Umgebungen bewältigen können – von der Arbeit in der Mikrogravitation an Bord der ISS bis hin zum Schleichen durch Tunnel auf einem Körper mit Schwerkraft – viele Herausforderungen. Und in den kommenden Jahren werden Transeth und seine Kollegen nach Wegen suchen, sie alle anzugehen.

„Wir wollen herausfinden, welche Spezifikationen ein Schlangenrobotersystem benötigt“, sagt er. „Welche Art von Sensoren braucht der Roboter zum Beispiel, um seine Umgebung adäquat zu verstehen? Welche Technologien stehen uns zur Verfügung, um diesen Bedarf zu decken, und welche neuen Technologien müssen entwickelt werden? Welche Unsicherheiten sind damit verbunden, was erreicht werden kann?“

Astronauten an Bord der ISS haben bereits Roboter-Helfer in Form des Synchronisierte Position halten Experimenteller Satelliten einrasten und neu ausrichten (KUGELN). Diese frei fliegenden Satelliten dienen als Testumgebungen für eine Vielzahl von Hard- und Software, die für zukünftige Weltraummissionen mit verteilter Raumfahrzeugarchitektur entscheidend sind.

Schon bald werden sie durch eine Drohne namens . ersetzt Astrobiene – ein Roboterwürfel mit Sensoren, Kameras, Computern und einem Antriebssystem. Die Idee des Ames Research Centers Gruppe Intelligente Robotik , wird diese Drohne um die ISS fliegen und Inspektionen durchführen.

Einige der von Astrobee verwendeten Technologien werden denen ähneln, die Transeth und sein Kollege auf ihr Schlangenrobotersystem anwenden möchten. Daher hoffen sie, viel aus der Zeit dieser Drohne an Bord der ISS zu lernen und die daraus gezogenen Lehren einfließen zu lassen.

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