Autofahren auf dem Mars ist nicht einfach: Die Räder unterscheiden sich stark von denen auf der Erde

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhang Junwei (Nationales Zentrum für Weltraumforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Die Marssonde Tianwen-1 wurde am 23. Juli 2020 mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 5 Yao-4 vom Weltraumbahnhof Wenchang gestartet und erreichte erfolgreich die vorgegebene Umlaufbahn. Am 15. September 2022 befand sich die Marssonde Tianwen-1 bereits seit mehr als 780 Tagen im Orbit, und der Marsrover Zhurong hat insgesamt 1.921 Meter zurückgelegt. Damit hat er die etablierte wissenschaftliche Erkundungsmission abgeschlossen und 1.480 GB an ursprünglichen wissenschaftlichen Erkundungsdaten erfasst.

Was den Zhurong Mars Rover betrifft, so weisen seine Reifen ein geniales Design auf: Der Designer hat auf den Hinterreifen des Zhurong Mars Rovers zwei „Zhong“-Zeichen hinterlassen. Während der Rover vorwärts fährt, hinterlässt er auf der Marsoberfläche das chinesische Schriftzeichen „中“. Bislang hat Zhurong fast 4.000 „Zhong“-Schriftzeichen hinterlassen. Jia Yang, stellvertretender Chefdesigner des Marsrovers Tianwen-1, sagte, dass dieses Design nicht nur einen Gedenkwert habe, sondern auch eine technische Bedeutung habe. Anhand der Abstände zwischen den Buchstaben können Wissenschaftler beurteilen, ob für den Rover Risiken wie beispielsweise ein Ausrutschen bestehen.

Die Räder sind der bewegliche Teil des Zhurong. Obwohl sie auf der Erde existieren, gehören Reifen schon lange zu den am weitesten verbreiteten Ausrüstungsgegenständen im Leben. Da sich die Umgebung auf dem Mars jedoch völlig von der auf der Erde unterscheidet, ist die Entwicklung geeigneter Reifen für den Marsrover ein wichtiges Thema.

Reifen gehören schon lange zu unserem Leben, aber Reifen, die an die Marsumgebung angepasst sind, müssen neu entwickelt werden

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Warum ist das Reifendesign des Marsrovers wichtig?

Das Reifendesign des Marsrovers ist äußerst wichtig und hängt von vielen Faktoren ab.

Das erste ist das Problem des extremen Klimas auf dem Mars. Aufgrund der Entfernung zur Sonne und der fehlenden Atmosphäre ist das Klima auf dem Mars äußerst extrem. Die Durchschnittstemperatur auf dem Mars beträgt -63 °C und die Höchsttemperatur 30 °C. Die niedrigste Temperatur beträgt -140 °C. Im Vergleich dazu wird die höchste Temperatur in Peking im Juli 2023 möglicherweise die höchste Oberflächentemperatur des Mars übersteigen.

Abbildung 2 Temperaturvergleich zwischen Erde und Mars

(Bildnachweis: NASA)

Dieser enorme Temperaturunterschied stellt eine harte Belastungsprobe für das Reifengummi dar. Im Allgemeinen nimmt die Elastizität von Gummi bei niedrigen Temperaturen ab, was dazu führt, dass der Gummi aushärtet, spröde wird und leicht beschädigt werden kann. Gleichzeitig neigen Gummireifen aufgrund der gehärteten Oberfläche bei niedrigen Temperaturen zum Rutschen. Gewöhnliche Autoreifen halten nur Temperaturen von bis zu -20 Grad Celsius stand. Bei niedrigeren Temperaturen härtet der Gummi aus, von der extremen Kälte von über 100 Grad unter Null ganz zu schweigen. Daher ist von der Verwendung von Gummireifen beim Marsrover abzuraten. Um die Betriebsstabilität des Mars Rovers zu gewährleisten, sind kältebeständigere Materialien erforderlich.

Das zweite Problem ist das einzigartige Terrain des Mars. Der Mars verfügt wie die Erde über ein abwechslungsreiches Gelände mit Bergen, Ebenen und Schluchten. Der Mars ist im Grunde ein Wüstenplanet mit Sanddünen und Kies auf der gesamten Oberfläche. Angesichts der zahllosen möglichen scharfen Gegenstände und um einem möglichen Reifenschlupf in Wüsten und an steilen Hängen standzuhalten, muss das Design der Marsrover-Reifen robust, rutschfest und verformungsbeständig sein.

Auch hier stellt sich die Frage nach der Lebensdauer des Rovers. Bei der Marserkundung beträgt die geplante Lebensdauer des Zhurong-Rovers 90 Marstage (ca. 92,5 Erdentage). Bei der tatsächlichen Konstruktion muss jedoch auf ausreichende „Designredundanz“ geachtet werden, insbesondere da die Räder des Rovers, die wichtigste Komponente des Antriebs, eine ausreichende Haltbarkeit gewährleisten müssen.

Kurz gesagt: Die Reifen des Marsrovers müssen widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse und Strahlung, robust und rutschfest sein und dürfen sich nicht so leicht verformen. Dies sind die größten Herausforderungen für Reifendesigner. Gleichzeitig sind die Reifen auch eines der wichtigsten Teile des Marsrovers. Sobald ein Problem auftritt, ist der gesamte Körper betroffen. Um die Durchführung wissenschaftlicher Missionen zu gewährleisten, ist das Design der Reifen des Marsrovers von entscheidender Bedeutung.

Welche wissenschaftlichen Untersuchungen sind mit der Entwicklung der Reifen des Marsrovers verbunden?

Die NASA verfügt über umfangreiche Erfahrung im Reifendesign, da sie bereits mehrere Rover auf dem Mars gelandet hat. Aus dieser Erfahrung lassen sich jedoch auch Lehren ziehen. Am 7. Juli 2019 machte der Marsrover Curiosity, der bereits fünf Jahre über seine Lebensdauer hinaus im Einsatz ist, mithilfe des „Handheld Lens Imager“ an seinem Roboterarm ein Selfie seiner Räder. Die zurückgesendeten Bilder zeigen, dass die riesigen Räder durch die Erosion von Marsgestein vernarbt sind. Die Steine ​​haben nicht nur eine große Zahl von Schlaglöchern in den sechs Rädern hinterlassen, auch das Aluminiumlegierungsmaterial auf der Reifenoberfläche wurde schwer beschädigt; mehr als die Hälfte des Reifens ist von Löchern und Einstichen bedeckt.

Auf diesem am 7. Juli 2019 aufgenommenen Foto sind einige Schäden an den Rädern des Curiosity Rovers zu sehen.

(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MSSS)

Daher zerbrechen sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt den Kopf darüber, wie sie verhindern können, dass ähnliche Probleme wie bei Curiosity erneut auftreten. Das zuständige wissenschaftliche Forschungsteam hat weitere Untersuchungen zum Reifendesign und Bewegungsdesign von Weltraumsonden für die Tiefenforschung in extremen Klimazonen durchgeführt.

Zunächst ersetzte die NASA die Räder von Curiositys Bruder, dem Mars 2020 Rover, durch neue. Die neu gestalteten Räder bestehen weiterhin aus einer Aluminiumlegierung und verfügen über 48 zusätzliche Spurmuster. Sie haben außerdem einen größeren Durchmesser und dickere Reifen. Gleichzeitig wurde die Reifenbreite entsprechend reduziert, um die Bodenkontaktfläche zu verringern.

Zweitens hat das Glenn Laboratory der NASA einen neuen Metallgitterreifen aus einer neuen Memory-Legierung namens „Nickel-Titan“ entwickelt, um die Haltbarkeit und hohe Zuverlässigkeit zukünftiger Mars-Rover zu gewährleisten. Der von der NASA vorgestellte Reifen besteht aus einigen gerollten Stahldrähten und sieht aus wie ein flexibles Netz. Der größte Vorteil dieser Struktur besteht darin, dass sie sich dem Gelände anpassen kann, was das Fahren auf unterschiedlich holprigen Straßen erleichtert. Gleichzeitig ist es elastisch genug, um nach dem Überrollen von Steinen auf der Straße schnell wieder seine ursprüngliche Form anzunehmen, sodass es auf relativ ebenen Straßen laufen kann.

Abbildung 4: Testnetzreifen während der Herstellung.

(Bildnachweis: NASA)

Gleichzeitig wurden nach und nach einige spezielle und innovative Methoden zur Reifenbewegung vorgeschlagen. Die Oberfläche des Mars ist voller Kies und der Boden in einigen Teilen des Planeten ist locker, was vom Marsrover die Fähigkeit zur Überwindung von Hindernissen und eine starke Traktion erfordert.

Um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, ist Chinas Marsrover „Zhurong“ mit einer fortschrittlichen aktiven Federung mit mehreren Bewegungsmodi wie Kriechen, Anheben der Räder und Anheben der Karosserie ausgestattet. Einfach ausgedrückt verfügt der „Zhurong“ über insgesamt sechs Räder vorne, in der Mitte und hinten, und sein Federungssystem entspricht drei Modi: Vorderräder angehoben, Mittelräder eingefahren und Hinterräder angehoben. Wenn ein Rad stecken bleibt oder im Boden versinkt, müssen Sie lediglich das Federungssystem aktivieren und das entsprechende Rad aktiv anheben, um Hindernissen auszuweichen oder zu entkommen. Das Designteam sagte, dass dieses Design vom Insekt „Zollerraupe“ inspiriert wurde, das bei der Fortbewegung nicht krabbelt, sondern seine Vorderbeine an der Oberfläche des Objekts fixiert, dann die Körpermitte anhebt und seine Hinterbeine nach vorne zieht. Der mit einer aktiven Federung ausgestattete Marsrover muss sich keine Sorgen mehr über ein Einsinken der Räder machen und verliert auch bei einem Radausfall nicht seine Mobilität.

Ein weiterer Mondrover, den die NASA derzeit entwickelt, der Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER), wird, ähnlich wie Vulcan, seine Räder auf eine spezielle, raupenartig koordinierte Weise bewegen, um dem Rover zu helfen, aus der Gefahrenzone zu kommen. Derzeit hat der Prototyp des Fahrzeugs die Bodentests im Glenn Research Center der NASA in Cleveland abgeschlossen.

Wissenschaftler erwägen sogar, für die Planetenforschung auf Reifen zu verzichten. Laut der britischen Daily Mail soll der künftige Marsrover der NASA die Form eines mit einer gallertartigen Substanz gefüllten Beutels haben. Es wird wie ein Wurm kriechen und kann frei auf dem Mars kriechen. Dieses Patent wurde vom US-Patent- und Markenamt genehmigt und stellt einen bedeutenden Durchbruch im Design bestehender Detektoren dar. Gleichzeitig entwickelt die NASA auch einen „Polymerbatterieroboter“, der die Ausdehnung und Kontraktion von Membranzellen nutzt, um die Sonde über die Oberfläche eines Planeten voranzutreiben.

Angesichts der zunehmenden Zahl von Missionen zur Erforschung und Probenentnahme von Planetenoberflächen wird die Mobilität der Sonden, einschließlich der Entwicklung und Erforschung von Reifen, für die zukünftige Erforschung des Weltraums immer ein unvermeidliches Thema sein. Ich bin davon überzeugt, dass mit der Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie in der Zukunft geeignetere und haltbarere Materialien und Designlösungen entstehen werden, die die Durchführung von Missionen zur Planetenerkundung im tiefen Weltraum unterstützen.

Quellen:

【1】CNET. Der Marsrover Curiosity der NASA wird immer noch von den Gesteinen des roten Planeten in Mitleidenschaft gezogen [EB/OL]. [2023-07-11]. CNET.

【2】NASA-Chinesisch. Grundlegende Fakten über den Mars [EB/OL]. [2023-07-11]. NASA-Chinesisch.

【3】Li Xiuquan Studio für Gummitechnologie. Überblick über das Kältebeständigkeitsprinzip und allgemeine Lösungen von Gummiprodukten [EB/OL]. [2023-07-11]. Sohu.

【4】Sheng Yang. Der zukünftige Marsrover der NASA könnte wie ein Wurm in gallertartigem Zustand kriechen [EB/OL]. [2023.07.18]. China.cn.

[5] Xinran-Labor. Was halten Sie davon, dass die Räder des Mars Rovers Curiosity nach nur 20 Kilometern Fahrt verschrottet werden sollen? [EB/OL]. [2023.07.18]. Zhihu.