Das modernste im Inland produzierte „Elektroauto“ hat eine Geschwindigkeit von nur 0,2 Kilometern pro Stunde?

Die Gewinnerarbeiten des „China Science Popularization Youth Star Creation Competition“ 2023

Autor: Gao Junwen

Im Zeitalter herkömmlicher Kraftstofffahrzeuge muss zur Leistungssteigerung der Hubraum vergrößert werden. Im Allgemeinen gilt: Je größer der Hubraum, desto höher der Preis des Autos und natürlich ... desto höher der Kraftstoffverbrauch. Heutzutage entwickeln sich Elektrofahrzeuge rasant. Da Elektrofahrzeuge über inhärente Vorteile bei der Energieumwandlung verfügen, ist es sehr einfach geworden, die Leistung zu erhöhen. Sie müssen sich lediglich mit einem Hochleistungsmotor ausstatten, der für viel Leistung sorgt... Auch die Stromrechnung ist relativ günstig. 380.000 Kilometer außerhalb der Erde steht ein im Inland produziertes Elektroauto, das mit einer Panoramakamera, einem Infrarot-Bildspektrometer, einem Neutralatomdetektor und anderen Instrumenten ausgestattet ist. Seine Leistung beträgt jedoch weniger als 1 PS und seine geplante Geschwindigkeit beträgt lediglich 0,2 Kilometer pro Stunde, was sogar langsamer ist als die von Ameisen (die Kriechgeschwindigkeit von Ameisen beträgt im Allgemeinen 0,5 Kilometer pro Stunde). Um was für ein Auto handelt es sich? Es handelt sich um das Elektroauto, das auf der Rückseite des Mondes unterwegs ist – der Mondrover „Yutu-2“.

Was ist ein Mondrover? Was ist die Funktion?

Der Mondrover, wissenschaftlich bekannt als Lunar Surface Probe. Am 3. Januar 2019 landete Chang'e-4 zusammen mit Yutu-2 erfolgreich auf der Rückseite des Mondes und war damit der weltweit erste Mondrover, der auf der Rückseite des Mondes operierte. Als Satellit, der die Erde unzählige Tage und Nächte begleitet, ist der Mond für die Menschheit der erste Schritt in den Weltraum und zugleich eine Arena, in der die großen Weltraummächte ihre Stärke demonstrieren können. Im September 2023 befanden sich insgesamt acht Mondrover auf dem Mond, darunter zwei aus der ehemaligen Sowjetunion, drei aus den USA, zwei aus China und einer aus Indien.

Der Mondrover ist eigentlich ein „Elektroauto“, das auf dem Mond fährt, da seine Energie und Leistung fast vollständig aus der Erzeugung von Solarstrom stammen. Diese „Elektroautos“ haben unterschiedliche Funktionen und Einsatzzwecke, daher unterscheiden sich auch ihre Designs. Beispielsweise ist „Yutu-2“ meines Landes wie ein intelligenter „Roboter“, der auf der Mondoberfläche „laufen und schauen“ und seine Erkundungsmission gewissenhaft abschließen kann; Während der US-Mondrover eher einem „mobilen Mondfahrzeug“ gleicht, das die Astronauten steuern können, um sich schneller fortzubewegen und ein breiteres Spektrum an Aktivitäten zu ermöglichen.

Betrachtung des Mondrovers aus der Perspektive der "drei Elektrik" von Elektrofahrzeugen

Im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstofffahrzeugen verfügt die Struktur von Elektrofahrzeugen (reinen Elektrofahrzeugen) hauptsächlich über ein elektrisches Antriebssteuerungssystem, wodurch der Verbrennungsmotor entfällt und die Batterie Strom ausgibt, um den Motor über den Controller zum Drehen anzutreiben, der wiederum durch das Getriebesystem vorwärts oder rückwärts angetrieben wird. Wenn wir die Leistung von Elektrofahrzeugen vergleichen wollen, müssen wir die „drei elektrischen“ Parameter betrachten, nämlich Motor, Batterie und elektronische Steuerung.

Der Motor der „drei Elektroautos“: Power

Die Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen bestehen üblicherweise aus Einzelmotoren, Doppelmotoren, Vierfachmotoren usw. Theoretisch gilt: Je mehr Motoren vorhanden sind, desto besser ist die Leistung. Bisher werden alle Mondrover auf dem Mond von Elektromotoren angetrieben. Im Laufe der Jahre ist die Technologie der Elektromotoren relativ ausgereift. Manch einer wird sich sicherlich fragen, warum Yutu-2 in über vier Jahren nur 1.455 Meter zurückgelegt hat, die tägliche Laufleistung also weniger als 1 Meter beträgt? Liegt es daran, dass unser Motor nicht gut ist? Natürlich nicht.

Der Mondrover „Yutu-2“ verwendet 6 Räder und 6 Motoren. Die Räder aus gewebtem Netzmaterial aus Titanlegierung sind mit Sperrklinken ausgestattet, die ihnen eine gewisse Geländegängigkeit verleihen. Darüber hinaus kann es dank seiner vier Lenkmotoren auf der Stelle wenden und das komplexe Gelände auf der Mondoberfläche problemlos bewältigen. Um den Temperaturunterschied von über 300 Grad zwischen Tag und Nacht auf der Mondoberfläche zu überwinden, verfügen alle Motoren über ein nahtloses Design, um die Zuverlässigkeit bei großen Temperaturunterschieden zu gewährleisten und das Eindringen von Mondstaub in den Motor wirksam zu verhindern. Was die „langsame“ Fahrgeschwindigkeit betrifft, sind die Hauptgründe folgende:

Die Art der Aufgabe bestimmt die Geschwindigkeit

Yutu-2 fliegt nicht zum Mond, um an Geschwindigkeitsrennen teilzunehmen. Seine spezifische Fahrgeschwindigkeit wird durch die jeweilige Mission bestimmt. Es ist erwähnenswert, dass dies das erste Mal ist, dass auf der Rückseite des Mondes gearbeitet wird, einem Gebiet, das noch nie von Menschen betreten wurde, und jeder Schritt muss vor dem Ausführen klar erkannt werden. Darüber hinaus sollte beim Fahren auch auf diverse Krater geachtet werden. Unter dem weichen Mondboden können sich versteckte Felsen befinden und Sie sollten nicht zu schnell fahren. Gemessen an seiner Verwendung ist der bemannte Mondrover der USA tatsächlich ein mobiles Transportmittel. Beispielsweise hatte der Mondrover von Apollo 17 eine konstruktionsbedingte Höchstgeschwindigkeit von 12 Kilometern pro Stunde, und die Astronauten „übertrieben“ einmal die Geschwindigkeit und fuhren mit einer Geschwindigkeit von 18 Kilometern pro Stunde.

Energieverbrauchsverteilung des Gesamtfahrzeugs

Neben dem Antriebsmotor des Fahrzeugs trägt Yutu-2 auch eine große Anzahl an Instrumenten und Ausrüstung. Wenn die Leistung der Stromquelle (Batterie) konstant ist, wirkt sich die Funktion anderer Verbraucher auf die Leistung des Motors und damit auf die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs aus. So wie wenn wir im Sommer während der Fahrt die Klimaanlage im Auto einschalten, wird durch das Eingreifen des Kompressors ein Teil der Motorleistung entzogen, was sich bis zu einem gewissen Grad auf die Leistung des gesamten Fahrzeugs auswirkt. Um die Genauigkeit der Mission zur Mondoberflächenerkennung zu gewährleisten, wird der Mondrover außerdem angehalten und weitergefahren, wenn die Ausrüstung in Betrieb ist, was sich auch auf die Gesamtbewegungsgeschwindigkeit auswirkt.

Umweltfaktoren auf dem Mond

Darüber hinaus hängt die Bewegungsgeschwindigkeit auch mit den Umwelteigenschaften der Mondoberfläche zusammen. Der Mond hat eine geringe Schwerkraft (etwa ein Sechstel der Schwerkraft der Erde) und keine Atmosphäre. Yutu-2 wiegt 135 Kilogramm und ist der leichteste Mondrover der Geschichte. Wenn es zu schnell geht, kann es „hochfliegen“. Darüber hinaus kann der Staub auf der Mondoberfläche leicht durch die Räder aufgewirbelt werden, was den Betrieb der gesamten Fahrzeugausrüstung gefährden kann, sodass die Geschwindigkeit nicht sehr hoch sein muss.

Batterien (Energie)

Heutige zivile Elektrofahrzeuge verwenden normalerweise ternäre Lithiumbatterien oder Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Ersteres weist bei gleichem Volumen eine hohe Energiedichte und eine hohe Ladeeffizienz auf; Letzteres weist eine hohe Anzahl an Ladezyklen auf und ist widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen als ternäres Lithium. Yutu-2 ist mit zwei Batterietypen ausgestattet: einer Solarzelle für den täglichen Betrieb und einer thermischen Isotopenbatterie, die bei niedrigen Temperaturen warm hält. Sie haben unterschiedliche Funktionen und können im Wechsel von Tag und Nacht ineinander umgewandelt werden, um die für den Betrieb benötigte elektrische Energie zu gewinnen.

Solarzellen

Die Energie von „Yutu-2“ stammt überwiegend aus Sonnenenergie. Tagsüber werden die beiden Solarmodule ausgeklappt und der Winkel durch Drehmotoren angepasst, sodass sie immer wie eine Sonnenblume zur Sonne ausgerichtet sind. Die Solarzellen werden die gesamte Ausrüstung mit Strom versorgen und der Mondrover kann seine Arbeit aufnehmen. Doch wenn es eine mondhelle Nacht wird (die Rotations- und Umlaufdauer des Mondes beträgt jeweils 27,32 Tage, die Hälfte davon ist Tag) und er keine Sonnenenergie empfangen kann, müssen die Solarmodule zusammengeklappt, die Anlage vor niedrigen Temperaturen geschützt und der nächste Tag abgewartet werden. Daher arbeitet „Yutu“ normalerweise einen halben Monat und ruht sich einen weiteren halben Monat aus.

Isotopenbatterie

Aufgrund der enormen Temperaturunterschiede auf dem Mond stellt der Mondrover große Anforderungen an die Batterien. Das Design von „Yutu-2“ berücksichtigte die Bedingungen der Mondnacht vollständig und beinhaltete ein Stück schwarzer Technologie – eine Isotopen-Temperaturdifferenzbatterie auf Basis von Plutonium 238, auch als „Atombatterie“ bekannt. Diese Substanz sendet während ihrer Halbwertszeit kontinuierlich Wärmestrahlen aus und wandelt die vom Isotop freigesetzte Wärmeenergie über einen thermoelektrischen Konverter in elektrische Energie um. Dadurch wird der Detektor in einer Mondnacht mit mindestens 2,5 W Strom versorgt, der Betrieb der Heizanlage unterstützt, die Innentemperatur aufrechterhalten und Schäden durch niedrige Temperaturen verhindert.

Indiens neuester Mondrover, der Smart, kann etwa 8 Meter pro Tag zurücklegen, seine geplante Lebensdauer beträgt jedoch nur 14 Tage. Zu Beginn der Entwicklung hatten indische Forscher nicht geplant, das Raumfahrzeug die Nacht auf dem Mond verbringen zu lassen, und verzichteten auf viele Geräte, um den Konstruktions- und Betriebsaufwand zu verringern. Chinas „Yutu-2“ kann auch in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen weiterarbeiten. Seine tatsächliche Lebensdauer hat die geplante Lebensdauer bei weitem überschritten, was seine hervorragende Kältebeständigkeit und Stabilität beweist.

Elektronische Steuerung der "drei Elektrik": Steuerung

Bei der Werbung für Elektrofahrzeuge wird häufig die autonome Fahrfunktion erwähnt (mittlerweile meist Level L2), was bedeutet, dass das Fahrzeug unter bestimmten Umständen eine Teilautomatisierung erreichen kann (automatisches Fahren, Folgen des Fahrzeugs, Bremsen usw.). Der Betrieb wird grundsätzlich vom Fahrzeug übernommen, der Fahrer ist für die periphere Überwachung verantwortlich, muss jedoch jederzeit die Kontrolle über das Fahrzeug übernehmen. Zur Realisierung dieser Funktionen ist eine große Anzahl von Sensoren erforderlich, darunter Kameras, Radargeräte, Sensoren usw., um Daten über die Umgebung zu erfassen und die Fahrzeugführung nach der Verarbeitung durch den Bordcomputer zu steuern. „Yutu-2“ verfügt zudem über zahlreiche Sensoren und Kameras. Bei der Überwachung der Mondoberfläche stehen ihm zwei Modi zur Verfügung: Bodenfernsteuerung oder autonome Navigation.

Bodenfernbedienungsmodus

Die auf der Oberseite installierte Navigationskamera entspricht den Augen des Mondrovers. Es kann Bilder und Fotos vom Mond aufnehmen und über den Relaissatelliten „Queqiao“ Informationen zur Erde übertragen. Nach der Datenanalyse ermitteln die Forscher die spezifischen Bedingungen des Mondgeländes, etwa die Breite und Tiefe des Einschlagkraters sowie die Größe und Entfernung der Felsen, und kombinieren die „Offroad“-Fähigkeiten von „Yutu-2“ (20-Grad-Klettern, 20 Zentimeter hohe Hindernisüberquerung), um eine sichere Fahrroute zu planen.

Autonomer Navigationsmodus

Yutu-2 kann außerdem autonom navigieren, hauptsächlich durch Lasererkennung an der Vorderseite und Kameras zur Hindernisvermeidung. Ersteres verwendet das Laser-Punktmatrixgerät an der Vorderseite des Fahrzeugs, um zwei Laserreihen auf die Oberfläche zu projizieren und so die Ebenheit des Bodens vor dem Fahrzeug zu bestimmen; Letzteres erkennt anhand der Bilder der Hindernisvermeidungskamera die Ebenheit der Straßenverhältnisse in Abschnitten und plant alle 0,5 Meter neu, bis es den Zielpunkt erreicht.

Abschluss

Von der Ankunft des Mondrovers Yutu bis zur Landung von Yutu-2 auf der Rückseite des Mondes hat China weiterhin bedeutende Fortschritte bei der Erforschung des Mondes gemacht. Bis zum 3. Januar 2023 hat Yutu-2 1.455 Meter zurückgelegt und eine große Menge an Erkundungsdaten für uns zurückgesendet, wodurch die Wissenslücke über die Rückseite des Mondes geschlossen und unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Mondes vertieft wird. Zudem ist er längst der Mondrover mit der längsten Betriebszeit auf dem Mond.

Anstatt auf die Vergangenheit zurückzublicken, stellen wir uns lieber die Zukunft vor. Vor einiger Zeit kündigte Chinas bemanntes Raumfahrtprogramm einen vorläufigen Plan für eine bemannte Mondlandung an. Demnach sollen die Mondlandung und die wissenschaftlichen Erkundungen vor 2030 durchgeführt werden. Der Mond wird wahrscheinlich als Transitstation für Menschen dienen, die auf anderen Himmelskörpern landen möchten. Ich bin davon überzeugt, dass in naher Zukunft mehr chinesische Raumfahrzeuge in tiefere Tiefen des Weltraums vordringen werden, um noch mehr Unbekanntes zu erforschen und weitere chinesische Wunder zu vollbringen.