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maxon Antriebe auf dem Roten Planeten: Ausgabe 02/2020, 08.10.2020

Vom ersten Rover bis zur Mars-Drohne

Mehr als 100 Elektromotoren von maxon sind bisher auf dem Roten Planeten eingesetzt worden und haben kosmischer Strahlung, Staubstürmen und Temperaturschwankungen getrotzt. Mit dem Perseverance-Rover fliegen erneut Präzisionsantriebe zum Mars. Das Erfolgsrezept bleibt gleich: Industrielle Standardprodukte.

Autor: Stefan Roschi, maxon Group

Bilder: maxon Group, NASA/JPL-Caltech

Marsmissionen ohne maxon Antriebssysteme – undenkbar! In den letzten zwei Jahrzehnten sind die DC-Motoren in praktisch allen erfolgreichen Robotermissionen eingesetzt worden. Mehr als 100 Stück befinden sich inzwischen auf dem Roten Planeten und die Zahl wird weiterwachsen, sobald der NASA-Rover Perseverance 2021 seine Arbeit aufnimmt. Dabei machen Space-Missionen nur einen kleinen Teil der Projekte von maxon aus. Die meisten DC- und BLDC-Motoren, Steuerungen, Getriebe und Encoder des Schweizer Unternehmens landen in medizinischen Anwendungen, in der Industrieautomation oder in der Robotik.
Wieso also ist maxon ein so wichtiger Lieferant für Weltraum-Projekte? Die kurze Antwort lautet: Wegen der hohen Qualität der Standardprodukte. Alle Antriebe, die bisher auf dem Mars eingesetzt worden sind, basieren auf Katalogprodukten, die auf der Erde in allen möglichen Anwendungen eingesetzt werden. Natürlich sind jeweils Modifikationen nötig, damit die Produkte den harschen Bedingungen trotzen können. Doch die Basis der Konstruktionen unterscheidet sich nicht.

Mit 11 DC-Motoren ins Ungewisse
as war bereits 1997 so, als zum ersten Mal in der Geschichte ein Fahrzeug auf der Marsoberfläche herumkurvte, Bilder schoss und den Boden untersuchte. Der Sojourner Rover der NASA, mit sechs Rädern und einem Gewicht von nur 11 Kilogramm, sollte damals ein relativ günstiges Experiment werden. Entsprechend setzte man auf möglichst viele industrielle Standardprodukte – so wie die 11 DC-Motoren, die für Antrieb, Lenkung und die Bedienung wissenschaftlicher Instrumente sorgten. Die maxon Antriebe mit ihrem typischen eisenlosen Rotor und der rautenförmigen Wicklung waren leistungsstärker und dynamischer als herkömmliche DC-Motoren. Zudem modifizierten die Ingenieure von maxon die Bürsten und den Schmierstoff. Wirklich sicher, ob dies alles für eine gelungene Marsmission ausreichen würde, war man sich zu dieser Zeit aber nicht. Schliesslich fehlten die Erfahrungswerte. Und die Anforderungen waren beachtlich: Starke Erschütterungen beim Raketenstart, Vakuum und kosmische Strahlung während der Reise, eine harte Landung auf dem Mars und schliesslich Staubstürme sowie Temperaturschwankungen von -120 bis 25 Grad Celsius. Doch die Mission wurde zu einem Erfolg – und maxon weltbekannt.
Bei den Raumfahrtagenturen steigerte sich der Drang, weitere Erkundungsmissionen zum Roten Planeten zu unternehmen. Schliesslich galt es, Antworten zu finden auf Fragen wie: Gibt es Wasser oder Eis auf dem Mars? Existiert Leben oder könnte es zumindest früher Leben gegeben haben? Und: Warum haben sich die Nachbarplaneten Erde und Mars derart unterschiedlich entwickelt?

Ein Duo übertrifft alle Erwartungen
Nach dem Erfolg von Sojourner entschied die NASA, gleich zwei weitere wissenschaftliche Untersuchungsroboter ins All zu schicken: die Zwillingsrover Opportunity und Spirit. Sie spielten in einer anderen Liga als Sojourner, waren je 185 Kilogramm schwer und mit Instrumenten versehen, die den Boden abbürsten und Marsgestein anbohren konnten. Im Januar 2004 landeten die Fahrzeuge unabhängig voneinander auf dem Planeten und starteten ihre Mission, die mindestens drei Monate dauern sollte. Spirit arbeitete schlussendlich sechs Jahre lang, bevor er im Sand steckenblieb. Zwilling Opportunity brachte es auf 15 Jahre und legte dabei mehr als 45 Kilometer zurück. Für die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bedeutete diese Mission ein wahrgewordener Traum: Jetzt konnten sie mit Hilfe der Rover nachweisen, dass einst flüssiges Wasser auf dem Roten Planeten existiert haben musste – eine Voraussetzung für Leben.
maxon hatte einen wichtigen Beitrag geleistet: Je 35 bürstenbehaftete DC-Motoren mit einem Durchmesser von 20 respektive 25 Millimetern waren in den Fahrzeugen verbaut und für Antrieb, Steuerung oder den Roboterarm zuständig. Weitere acht Elektroantriebe wurden in der Landeeinheit der Rover verwendet. Ähnliche Motoren kamen auch 2008 zum Einsatz, als die NASA die nächste Mission zum Roten Planeten schickte: Die stationäre Sonde Phoenix. Diese suchte nach gefrorenem Wasser und fand es schliesslich in einer Bodenprobe, die zur Analyse erhitzt wurde. maxons Antriebe richteten dabei die Solarpanels der Sonde aus und bewegten den Roboterarm.

Ein Motor hämmert sich durch den Marsboden
Seit damals hat sich technisch viel getan. Heute befinden sich zwei weitere Roboter auf dem Mars: Zum einen der Curiosity Rover, der be züglich Grösse und Messgeräten alle bisherigen Missionen in den Schatten stellt. Das Gefährt ist seit 2012 im Einsatz, fast eine Tonne schwer und mit zehn Instrumenten ausgestattet. In diesem Projekt ist maxons Beitrag zwar klein, aber wichtig. Schliesslich stellte das Unternehmen MR-Encoder zur Verfügung, die für die Steuerung der Motoren nötig sind.
Ende 2018 landete zudem die nächste stationäre Sonde InSight auf dem Mars. Die NASA-Ingenieure verwendeten für das Ausfahren der Solarpanels die bewährten RE 25 Motoren, die bereits in den Zwillingsrovern Spirit und Opportunity steckten. Gleichzeitig kam zum ersten Mal ein neuer, bürstenbehafteter DCX-Antrieb zum Zug, mit dessen Hilfe eine Temperatursonde (genannt Maulwurf) mehrere Meter in den Marsboden gehämmert werden soll.

Das nächste Abenteuer steht an
Derzeit blicken die Mitarbeitenden von maxon einmal mehr gespannt Richtung Mars: 2020 schickt die NASA den Rover Perseverance, mit dessen Hilfe Spuren von ehemaligem Leben gefunden werden sollen. Seine wichtigste Aufgabe besteht darin, Bodenproben zu nehmen, sie in Behältern zu versiegeln und so zu platzieren, dass sie von einer späteren Mission zur Erde zurückgebracht werden können. Für die Handhabung der Proben im Innern des Rovers werden mehrere BLDC-Motoren von maxon eingesetzt. Sie sind unter anderem im kleinen Roboterarm verbaut, der die Proben von Station zu Station navigieren wird. Auch bei der Versiegelung der Probenbehälter und deren Platzierung kommt maxon zum Einsatz.
Natürlich basieren auch diese Antriebe auf Standard-Katalogprodukten – neun EC 32 flat und ein EC 20 flat in Kombination mit einem Planetengetriebe GP 22 UP. Die maxon Ingenieure haben die Antriebe über mehrere Jahre modifiziert und ausführlich getestet – zusammen mit den Spezialisten vom Jet Propulsion Laboratory JPL, das im Auftrag der NASA alle unbemannten Missionen handhabt.

Nur fliegen ist schöner
Der Perseverance Rover wird am 18. Februar 2021 auf dem Mars landen – aber nicht allein. Im Gepäck hat er die Helikopter-Drohne Ingenuity. Die Drohne wiegt 1,8 Kilogramm, ist solarbetrieben und soll auf kurzen Flügen Luftbilder schiessen. Mit diesem Experiment wird in erster Linie das Konzept für weitere Drohnen getestet. Und wen wundert’s: Auch in diesem Gerät ist maxon drin. Sechs bürstenbehaftete DCX-Motoren mit einem Durchmesser von 10 Millimetern steuern die Neigung der Rotorblätter und somit die Flugrichtung. Falls der Helikopter abhebt, wird maxon erneut Teil einer grossartigen Ingenieursleistung auf dem Mars sein – 24 Jahre nach Sojourner.

Infoservice
maxon motor ag
Brünigstrasse 220, 6072 Sachseln
Tel. 041 666 15 00
info@maxongroup.com, www.maxongroup.com

 



Neun Exemplare dieses EC 32 flat sind im Perseverance-Rover zu finden.


Die modifizierte Antriebskombination aus einem bürstenlosen DC-Motor EC 20 flat und dem Getriebe GP 22 UP kommt im NASA-Rover zum Einsatz.


DCX 10 Antriebe, von denen sechs Stück im Mars-Helikopter eingesetzt werden.

maxon – Beitrag zur Space-Revolution

Heute darf maxon zu Recht behaupten, ein wichtiger Lieferant für Weltraum-Projekte zu sein. Die Schweizer Antriebssysteme finden sich in Satelliten, regulieren Raketentriebwerke oder kommen auf der internationalen Weltraumstation ISS zum Einsatz. Der Erfolg kommt nicht von ungefähr. Über die Jahre haben die maxon Ingenieurinnen und Ingenieure viel gelernt – vor allem durch die enge Zusammenarbeit mit den Kunden, insbesondere das Jet Propulsion Laboratory JPL, das im Auftrag der NASA alle unbemannten Missionen handhabt. Dadurch konnten die Qualitätsstandards sukzessive gesteigert und neue Prüfverfahren und Prozesse erarbeitet werden.
Bei maxon handhabt inzwischen ein spezialisiertes Team alle Space-Projekte. Doch das Prinzip hinter den Lösungsansätzen für die verschiedensten Anwendungen ist nach wie vor dasselbe: Das Standard-Katalogprodukt wird modifiziert und getestet, bis es alle Anforderungen komplett erfüllt. Dieser Ansatz spielt eine wichtige Rolle in der aktuellen Revolution bei Weltraummissionen. Hochpreisige Spezialprodukte werden vermehrt durch modifizierte Industrieprodukte ersetzt. Das führt zu günstigeren Projekten, die wiederum einer grösseren Gruppe den Zugang zum Weltraum ermöglichen. Für diesen «New Space»-Markt wird maxon in Zukunft noch viele spannende Anwendungen entwickeln dürfen.

Start: 2022



Mehr als 50 Antriebssysteme von maxon befinden sich im ExoMars Rover, der von der Europäischen Weltraumorganisation ESA zum Mars geschickt wird. Der Rover mit dem Namen «Rosalind Franklin» sollte ursprünglich schon 2018 starten. Die Mission wurde dann aber auf 2020 verschoben und ist inzwischen für das Jahr 2022 vorgesehen. Verschiedenste Kombinationen von Antriebssystemen aus DC-Motoren, Getrieben und Encodern sind für die Fortbewegung und Steuerung des Rovers nötig, treiben den Bohrer an, bewegen die Solarpanels, den Kamerakopf und vieles mehr.