Kleinmotoren reisen mit Kometensonde durchs Weltall
Exotische Einsatzbedingungen zeigen oft die wahren Qualitäten von Produkten auf. Andererseits lassen solche Nischenanwendungen vielfach Rückschlüsse auf kommerzielle Einsatzbereiche in der Industrie zu. Die Kombination aus speziellen Anforderungen und allgemeinem Know-how für breiten Einsatz steckt auch in der Kometenmission Rosetta. Die Sonde fliegt in 10 Jahren durchs Weltall zum rund 450 Millionen Kilometer entfernten Kometen Churyumov-Gerasimenko.
Im Ankersystem für die sichere Landung der Sonde arbeiten Standardkleinantriebe, die nur leicht modifiziert wurden. Wie bei teueren Raumflugprojekten war auch hier höchste Zuverlässigkeit aller eingesetzten Komponenten gefragt. Motor wie Getriebe unterliegen äußerst harten Umweltbedingungen und müssen dann nach Jahren Reisezeit "auf Knopfdruck" funktionieren.
Für Standardantriebe, die solche Raumflugvorgaben erfüllen, sind irdische Anwendungen in extremen Einsatzbereichen wie z.B. im Hochvakuum von Elektronenmikroskopen oder in der Chipfertigung kein Problem. Bei einer Kometenmission mit geplanter Landung ist es aufgrund der geringen Schwerkraft des Himmelskörpers schwierig, auf der Oberfläche Halt zu finden und ihn während der gesamten Betriebsdauer zuverlässig sicherzustellen. Auch bei der Rosetta-Mission musste hierfür eine Lösung gefunden werden. Unter der Federführung des DLR entwickelte das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) für die Sonde ein spezielles Ankersystem. Eine Harpune wird dabei abgeschossen, bohrt sich in die Oberfläche und ein EC-Kleinantrieb zurrt die Sonde dann mit einem Seil an der Oberfläche fest. Jedes Kilogramm Masse, das in den Weltraum geschossen wird, kostet Energie, also Treibstoff und somit bares Geld. Es sind daher kleine, leichte Lösungen gefragt. Für die Antriebslösung arbeiteten die Ingenieure und Techniker am MPE mit dem Kleinantriebsspezialisten FAULHABER zusammen. So entstand eine exotische und doch leicht auf irdische Bereiche übertragbare Lösung für anspruchsvolle Antriebsaufgaben.
Der Weltraum, das anspruchsvolle "Nichts" Bis die Sonde landet, unterliegen alle Komponenten erheblichen Belastungen. Neben den enormen Vibrations- und Beschleunigungskräften beim Start müssen niedrigste Dauertemperaturen und Vakuum über Jahre ohne Schäden ertragen werden. Unmittelbar nach der Landung wird dann der Harpunenkopf per Pulverladung auf die Kometenoberfläche geschossen und dringt in diese ein. Widerhaken verhindern, dass der "Dübel" sich wieder löst. Die Harpune zieht aus einem Magazin ein Seil hinter sich her. Dieses Seil wird nach dem Schuss per Kleinmotorkraft auf eine Trommel aufgewickelt und so die Sonde auf der Oberfläche verankert. Ist das Seilende erreicht, spannt der Motor noch eine auf der Trommel-Welle sitzende Spiralfeder. Diese sorgt für eine leichte Vorspannung des Ankerseils und federt leichte Setzungen der Harpune oder der Landebeine der Sonde ab.
Aufbau des "Harpunenankers"
Rückspulsystem mit Kleinmotor und Spiralfeder als elastischer Kraftspeicher
Harpuneneinheit für die sichere Verankerung auf der Kometenoberfläche
"Gewusst wie" spart enorme Kosten "Früher hätte man für solche Missionen wahrscheinlich eigens neue Antriebe entwickelt, heute ist der Kostenfaktor ein Hauptbestandteil jeglicher Überlegung, auch im All", so Markus Thiel, Bereichsleiter Mechanik am MPE. Die Sondenentwickler sahen sich daher nach Serienprodukten um, die schon den meisten Vorgaben der Techniker entsprachen. Im umfangreichen Kleinmotorenprogramm der Schönaicher Spezialisten wurden sie fündig. Eine Standardantriebslösung, bestehend aus Motor und passendem Getriebe erfüllte alle mechanischen Anforderungen. Den besonderen Bedingungen des Weltalls konnten durch vergleichsweise wenige, nicht allzu kostenträchtige Modifikationen Rechnung getragen werden. Jede mechanische Bewegung erzeugt Reibung, diese muss durch Schmiermittel reduziert werden. Fett oder Öl sind im Weltall untauglich, sie erstarren entweder in der Weltraumkälte oder verdampfen im Vakuum. Hier versprechen Festschmierstoffe Abhilfe. Auch da steckt der Teufel im Detail, Graphit z.B. schmiert nur dann gut, wenn zwischen den Graphitschichten Gase wie z.B. Wasserdampf oder Stickstoff angelagert werden können. Im Vakuum fehlen diese Gase; der irdische Schmierstoff Graphit verhält sich dann eher wie Kreide. Setzt man stattdessen auf Molybdändisulfid (MoS2) mit einer graphitähnlichen Schichtstruktur, so funktioniert die Schmierung auch im Vakuum, bei Weltraumkälte und bis zu mehreren Hundert °C. Der Festschmierstoff wurde daher auf die zu schmierenden Oberflächen der speziellen Lager sowie der Standardzahnräder aufgebracht. Tiefe Temperaturen unter –100 °C und unterschiedliche Materialien bedeuten aufgrund der Wärmeausdehnung bei Präzisisonsteilen schnell Blockaden. Aus diesem Grund musste das vernickelte Standardmessinggehäuse des Getriebes einem den Stahlzahnrädern in der thermischen Ausdehnung angepassten Stahlgehäuse weichen. Dank des Entgegenkommens von FAULHABER konnten die nötigen Stahlgehäuse in der Standardfertigung mit bearbeitet werden. So war die passgenaue Austauschbarkeit gewährleistet. Aufgrund der leichten Montage der Getriebeeinzelteile waren die weltraumtauglich "gestärkten" Teile dann leicht selbst zusammenzusetzen. Eine weitere zeit- und kostensparende Eigenschaft dieser Standardbauteile. Als Ausgangsmotor für dieses Weltraumtuning diente ein Antrieb mit Getriebevorsatz. Motor und Getriebe messen zusammen nur 16 mm im Durchmesser bei je nach gewählter Untersetzung 45 bis 65 mm Länge. Bei 11 W Motorleistung können so zwischen 300 und 450 mNm Drehmoment an der Abtriebswelle in beiden Drehrichtungen bereitgestellt werden. Ein geringes Getriebe-Spiel von unter 1° erlaubt auch feinfühliges Positionieren. Moderne Kleinantriebe sind heute dank moderner Konstruktion für viele Anwendungen "von der Stange" aus einsetzbar. In exotischen Anwendungen lassen sie sich oft trotzdem durch geringe Modifikationen verwenden. Noch höheren Anforderungen genügen dann speziell auf die Kundenanforderungen maßgeschneiderte Antriebe. Je früher dabei in der Entwicklung das Know-how von Antriebsspezialisten eingebunden wird, um so besser lassen sich die Vorgaben umsetzen. Der Anwender kann sich auf seine Kernkompetenz konzentrieren. Das spart Zeit und Geld und reduziert die Time to Market.
Kleinmotoren reisen mit Kometensonde durchs Weltall
Aufbau des "Harpunenankers"
