Eine Publikation der Binkert Medien AG
Kleine Antriebssysteme auf einer abenteuerlichen Reise : Ausgabe 01/2015, 22.04.2015

6,5 Milliarden Kilometer zum Arbeitsplatz

Ende Mai 2014 ist die Raumsonde Rosetta in Flugrichtung auf den Kometen 67P/Tschurjumow- Gerasimenko eingeschwenkt, um ihn nach weiterer Annäherung im August zu kartographieren und so die Landung von Philae vorzubereiten. Dieser 100 kg schwere ballistische Lander hat am 12. November auf dem Kometen aufgesetzt und Experimente gestartet, die Rückschlüsse auf dessen Beschaffenheit zulassen.

Bilder: MPE und FAULHABER

Kometen oder Schweifsterne gelten ebenso wie Asteroiden als Überreste der Entstehung des Sonnensystems. Sie bildeten sich in den äusseren, kalten Bereichen. In Sonnennähe sind die meist nur wenige Kilometer grossen Kometenkerne von einer diffusen Hülle, der sogenannten Koma, umgeben, was ihnen ihr typisches Aussehen verleiht. Jetzt sind europäische Wissenschaftler erstmals auf einem Kometen gelandet, um ihn aus der Nähe zu beobachten und zu untersuchen, um so neue Erkenntnisse über die Anfänge unseres Sonnensystems zu erhalten. Ein solches Unterfangen verlangt der eingesetzten Technik einiges ab. So sind in dem ballis- tischen Lander 14 Antriebssysteme der Firma Faulhaber im Einsatz, die nach jahrelangem Flug durchs Weltall zuverlässig ihre Funktion erfüllen müssen, sowohl bei der Landung als auch während den Analysen der Kometenoberfläche.

Die Landung verlief anders als geplant

Aufgrund der geringen Schwerkraft des Himmelskörpers ist es schwierig, auf der Oberfläche Halt zu finden und diesen Halt auch während der gesamten Betriebsdauer zuverlässig sicherzustellen. Unter der Federführung des DLR (Deutsches Zentrums für Luft- und Raumfahrt) entwickelte das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) für die Sonde deshalb ein spezielles Ankersystem: Unmittelbar nach Bodenkontakt bei der Landung sollten zwei Harpunen auf die Kometenober- fläche geschossen werden und darin eindringen. Jede Harpune hätte dann aus einem Magazin ein Seil hinter sich hergezogen, das nach dem Abfeuern durch einen bürstenlosen Servomotor auf eine Trommel aufgewickelt und gestrafft werden sollte, um so die Sonde auf der Oberfläche zu verankern. Da die Harpunen jedoch nicht abgefeuert wurden, kam der Rückspulmechanismus nicht zum Einsatz, und die Sonde Philae landete schliesslich dreimal ohne sich am Kometen zu verankern. Dennoch konnte das Minilabor seine Analysen wie vorgesehen beginnen.

Nach den Messungen folgt nun die Auswertung der Daten

Bei der Landung erfüllten auch andere Motoren wichtige Aufgaben: Um die kinetische Energie bei der Landung (ca. 50 J) über einen Spindelantrieb in elektrische Energie und schliesslich in Wärme umzusetzen, wurde ein Glockenankermotor über einen externen Widerstand kurzgeschlossen und als Generator betrieben. Weitere Antriebe sind am dreibeinigen Landegestell des Landers im Einsatz und auch bei der Probenentnahme waren Kleinantriebe gefragt: Der Lander hat einen Bohrer, der Proben zur Pyrolyse in kleine Öfen füllt. Kleine Motoren mit Planetengetriebe treiben über einen Schneckenantrieb einen Exzenter an, der mit einem Verschluss aus Keramik auf den jeweiligen Ofen fährt und simultan die elektrischen Kontakte für die Ofenheizung schliesst. Durch dünne Rohre im Ofenverschluss wird das Gas zur Analyse an die wissenschaftlichen Instrumente weitergeleitet. Der Lander hat in seiner ersten wissenschaftlichen Phase in insgesamt über 56 Stunden alle vorgesehenen Messungen auf der Kometenoberfläche durchgeführt. Philae hat diese Daten erfolgreich an das Lander Control Center übertragen und sich darüber hinaus noch besser in Richtung Sonne ausgerichtet. ESA und DLR werten die Mission bereits als vollen Erfolg, die nun anstehende Auswertung aller Daten wird einige Zeit in Anspruch nehmen.

Weltraumtechnik ist anspruchsvoll und fordert leichte Konstruktionen

Die Anforderungen, die der Weltraum an diese Antriebe stellt, sind hoch: So kostet jedes Kilogramm Masse, das in den Weltraum geschossen wird, Energie, also Treibstoff, und somit bares Geld. Es sind daher kleine, leichte Lösungen gefragt, die gleichzeitig auch den enormen Vibrations- und Beschleunigungskräften beim Start standhalten müssen, ebenso wie den sehr niedrigen Dauertemperaturen und den jahrelangen Vakuumbedingungen im Weltraum.

Da der Kostenfaktor auch bei Weltraumprojekten ein Hauptbestandteil jeglicher Überlegungen bei der Komponentenauswahl ist, wollten die Entwickler auf kostenintensive Sonderentwicklungen verzichten. Sie sahen sich zunächst nach Serienprodukten um, die möglichst vielen ihrer Vorgaben entsprachen. Den besonderen Bedingungen des Weltalls konnte Faulhaber durch geringfügige Modifikationen Rechnung tragen.

Spezielle Schmierstoffe für spezielle Bedingungen

Bei den eingesetzten Antrieben wurde z.B. die Schmierung an die Weltraumbedingungen angepasst. Fette oder Öle sind hier untauglich, sie erstarren entweder in der Weltraumkälte oder verdampfen im Vakuum. Festschmierstoffe versprechen Abhilfe. Molybdändisulfid (MoS2) hat eine graphitartige Schichtstruktur. Hiermit funktioniert die Schmierung auch im Vakuum, bei Weltraumkälte und auch bei Temperaturen bis zu mehreren Hundert Grad Celsius.

Auch die Getriebegehäuse mussten für den Weltraumeinsatz fit gemacht werden. Tiefe Temperaturen unter –100 °C und unterschiedliche Materialien bedeuten aufgrund der Wärmedehnung bei Präzisionsteilen schnell Blockaden. Aus diesem Grund wurde das vernickelte Standardmessinggehäuse des Getriebes durch ein Stahlgehäuse ersetzt, das den Stahlzahnrädern in der thermischen Ausdehnung angepasst ist. Ihre Leistungs-fähigkeit stellen die modifizierten Standardantriebe im Weltraum genauso unter Beweis, wie sie es bereits in vielen anderen extremen Einsatzbereichen getan haben, z.B. im Hochvakuum an Elektronenmikroskopen oder in der Chipfertigung.

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Die Landeeinheit Philae der Rosetta-Mission bei der Arbeit


Harpuneneinheit für die sichere Verankerung auf der Kometen-oberfläche


Ein DC-Kleinstmotor treibt einen Exzenter an, der den Ofen verschliesst und simultan die elektrischen Kontakte für die Ofenheizung herstellt


Die Standardantriebe wurden für den Einsatz im Weltraum modifiziert