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Hessische Technik auf dem Mars

Drei! Zwoo! Aans! Ruff!

17. Oktober 2018, 12:19 Uhr   |  Autor: Ellen Slatter

Drei! Zwoo! Aans! Ruff!
© Vadim Sadovski | Shutterstock.com

Die Landung des Mars-Rovers „Curiosity“ am Morgen des 6. August 2012 war im Prinzip ganz einfach: Es mussten lediglich alle Komponenten zu 100 Prozent funktionieren. Und das taten sie! Riesenjubel bei der NASA – und beim hessischen Sensorhersteller Sensitec.

Am 26. November 2011 startete in Cape Canaveral eines der komplexesten Projekte der Raumfahrt: die Mars Science Laboratory Mission. Ihr Herzstück ist der bekannte Mars-Rover »Curiosity«. Mit der Größe eines Kleinwagens, verpackt in einer Hightech-Schale und vollgestopft mit Motoren, Computern und Sensoren wurde er zum Mars geschickt, um nach Spuren von Leben zu fahnden. Die Kapsel legte 570 Millionen Kilometer zurück, das entspricht in etwa 14.250 Erdumrundungen entlang des Äquators.

Für die beteiligten Wissenschaftler waren jedoch die letzten sieben Minuten der Anreise am spannendsten. Als Ankunftszeit und -ort waren der 6. August 2012, 7.31 Uhr MESZ und der Gale-Krater gewählt worden. Mit einem Durchmesser von 154 Kilometern und einem flachen Landegebiet wurde dieser als ideales Gebiet eingestuft, das zuvor durch Satelliten bis zum letzten Staubkorn vermessen wurde.

Bei der Landung kam der bislang größte Überschall-Fallschirm zum EInsatz, um die Kapsel abzubremsen. Im Moment des Öffnens mussten die Halterungen dem Neun­fachen der Erdbeschleunigung standhalten. Anschließend erfolgte der Abwurf des schweren Hitzeschildes, sodass der Radar den genauen Abstand zur Marsoberfläche messen konnte. Anschließend klinkte die Kapsel eine Plattform mit acht Bremsraketen aus, die sofort zündeten.

Erst diese langsam herabsinkende Plattform seilte den Rover auf den Grund des Mars hinunter. Die sechs Beine des Rovers mit ihren Aluminiumrädern entfalteten sich dann noch zum sanften Touchdown. In dem Moment, als »Curiosity« den Boden berührte, wurden die Kabel gekappt und die fliegende Plattform vom Landeplatz weggesteuert. »Selbst wenn wir alles richtig machen, gibt es noch viele Dinge, die uns überraschen können«, erklärte die NASA und verwies auf Staubstürme, große Felsen und feinen, losen Sand an der Landestelle. Aber es ging ja alles gut.

Ein Forschungslabor auf sechs Rädern

Vergleich der xMR-Technologien. Sensitec beherrscht alle drei aktuell industriell genutzten Sensortechnologien: AMR, GMR und TMR.
© Sensitec

Vergleich der xMR-Technologien. Sensitec beherrscht alle drei aktuell industriell genutzten Sensortechnologien: AMR, GMR und TMR.

An Bord des Rovers befinden sich ausgeklügelte wissenschaftliche Instrumente, darunter ein Gas-Chromatograph, ein Massenspektrometer, ein Laserspektro­meter und eine Vielzahl an Sensoren, darunter 40 magnetoresistive Sensoren des hessischen Unternehmens Sensitec. Zwar sind die eingesetzten Sensoren für den Betrieb unter extremen Temperaturschwankungen von -130°C bis +85°C und der hohen Strahlenbelastung auf der Marsoberfläche ausgelegt, doch solche Projekte bedeuten auch für die deutschen Entwickler ein aufregendes Unterfangen. Denn sollten die Sensoren nicht funktionieren, bedeutet dies, dass Curi­osity auf dem Mars nicht weit kommt nd eine Kommunikation mit der Erde unmöglich wird.

MR-Sensoren können je nach Design als Winkel-, Magnetfeld-, Positions- oder Stromsensor ausgelegt sein. Die meisten nutzen eine Wheatstonebrücke, das bedeutet MR-Streifen zum Formen der Widerstände. Stromsensoren basierend auf dem MR-Effekt nutzen ein vom Leiter generiertes Magnetfeld. Magnetfeldsensoren messen die Stärke und/oder Richtung des Magnetfelds, z. B. das Erdmagnetfeld für Kompassanwendungen. Bei Winkel- und Positionsmessungen mittels MR-Sensoren wird ein Magnet oder ein magnetischer Maßstab genutzt, um ein variierendes Magnetfeld zu erzeugen.

Eine Standardkonfiguration sieht so aus, dass der Permanentmagnet am Ende einer Motorwelle sitzt, um deren Winkelposition zu messen. Magnetische Maßstäbe können entweder aktiv – magnetische Nord- und Südpole werden auf einen magnetischen Werkstoff »geschrieben« – oder passiv sein: Zahnrad oder Zahnstange sind magnetisch, der Sensor detektiert die Veränderung des von den Zähnen verursachten Magnetfelds.

Curiositys Schrittzähler

GMR-Sensor in der Ventilführung zur Ventiltriebmessung im befeu­erten Motor.
© Sensitec

GMR-Sensor in der Ventilführung zur Ventiltriebmessung im befeu­erten Motor.

Hier ein Beispiel für den Einsatz von MR-Sensoren bei Curiosity: Das etwa 900 Kilogramm schwere Fahrzeug ist mit einem zwei Meter langen Roboterarm bestückt, der bohren, schaufeln, sieben und greifen kann. An einem weiteren ausfahrbaren Mast sind Kameras montiert. Um sich im unwirtlichen Marsgelände bewegen zu können, ist Curiosity mit sechs voll schwenkbaren Rädern ausgestattet.

Die Räder sowie die Gelenke des Roboterarms, der Kameras und der Kommunikationsantenne werden angetrieben von Motoren, die zur genauen Positionsbestimmung der Motorwelle mit sogenannten Encodern ausgestattet sind, die auf dem magnetoresistiven Effekt beruhen. Auf jeder Motorwelle ist ein Ring mit einer bestimmten Anzahl magnetischer Pole befestigt. Die Zahl der Pole beeinflusst die Genauigkeit der Messung.

Dreht sich die Welle, erfasst ein Sensor die Änderung der Magnetfeldrichtungen der einzelnen Pole des Polrades und errechnet daraus den zurückgelegten Weg. Auf diese Weise lassen sich die Anzahl der Wellenumdrehungen und auch genaue Winkelveränderungen unterhalb einer Umdrehung messen.

Von Lahnau auf den Mars

Kleine magnetische Sensoren, wie sie das Unternehmen Sensitec entwickelt und produziert, haben sich in der besonders anspruchsvollen Raumfahrt etabliert, denn dort werden geringe Masse, kleines Bauvolumen, hohe Robustheit und geringe Leistungsaufnahme von der eingesetzten Sensorik gefordert.

»Im Weltraum herrschen die härtesten Bedingungen, die man sich vorstellen kann. Wir haben hier völlig unbekanntes Terrain betreten. Uns allein war es natürlich nicht möglich, die Sensoren auf ihre Weltraumtauglichkeit zu testen, um sicherzustellen, dass sie den Belastungen standhalten. Dafür waren wir auf die Zusammenarbeit mit der NASA angewiesen«, erklärt Dr. Rolf Slatter, Geschäftsführer von Sensitec.

Die Kooperation mit der NASA kam im Jahr 2004 zustande bei den Vorgängermissionen »Spirit« und »Opportunity«. In beiden Rovern kamen hochpräzise Antriebssysteme des schweizer Unternehmens Maxon Motor zum Einsatz. In diesen Antrieben sind Sensoren von Sensitec verbaut und so entstand die Zusammenarbeit mit der NASA zunächst auf indirektem Weg über die Firma Maxon.

Bei »Curiosity« war es anders: Bei der Entwicklung des Rovers gab es die Vorgabe, vorrangig mit US-amerikanischen Lieferanten zusammenzuarbeiten. »Aber bei der Auswahl der Sensoren wollte man nicht auf die Sensitec-Sensoren verzichten«, berichtet Slatter. Insgesamt 40 Spezialsensoren von Sensitec wurden in Curiosity verbaut. Neben der Universität Kiel gehört Sensitec damit zu den beiden einzigen deutschen Institutionen, deren Technik auf der Marsoberfläche in Aktion ist.

Inzwischen gibt es auch weitere Projekte mit der Europäischen Weltraum Agentur ESA. Sensoren von Sensitec werden zukünftig in der Trägerrakete Ariane 6 sowie in Satelliten eingesetzt. Das gewonnene Know-how der »Mars­ausflüge« setzen die Ingenieure von Sensitec aber auch bei der Entwicklung von Systemen für anspruchsvolle irdische Bedingungen ein, wie etwa bei Tiefbohrungen zur Öl- und Gasförderung oder in der Prüfstandstechnik von befeuerten Motoren.

Seit sechs Jahren auf Achse

Im August 2018 jährte sich der Landetag zum sechsten Mal. Der Rover könne durchaus auch ein Jahrzehnt bleiben, sagte Sarah Marcotte aus dem Rover-Team kürzlich in einem Interview. Denn aufgrund der sehr robusten Bauweise wird erwartet, dass er länger aushält. Zur bisherigen Bilanz des Marsroboters gehört der Einsatz seiner Instrumente –  Kameras, ein Bohrer, eine Drahtbürste, ein Laser und ein chemisches Messinstrument – sowie das Senden von Fotos und Videos. Curiosity durchlebte Stürme und überstand Computerpannen. Wichtigste Nachricht jedoch ist der erbrachte Nachweis, dass es früher mikrobielles Leben auf unserem Nachbarplaneten gab. Dabei hat Curiosity den Gale-Krater noch nicht einmal verlassen – und wird es wahrscheinlich auch nie, denn es gibt dort noch viel zu untersuchen.

Curiosity

Raumfahrtprojekte – wie z. B. der Mars-Rover »Curiosity« – stellen extreme  Anforderungen an die eingesetzte Sensorik. Ihre Robustheit und Zuverlässigkeit stellen die MR-Sensoren bereits seit mehr als 2.000 Tagen beim Erkunden des roten Planeten unte
Der Mars-Rover hat seinen Hitzeschild abgeworfen und wurde durch den  Fallschirm stark verlangsamt. »Umgekehrte« Schubraketen stabilisieren  Curiositiy während der Abstiegsphase.
Mit Hilfe des Himmelkrans wird der Rover auf den Marsboden herabgelassen. Für das »übliche« Landemanöver mit Airbags war Curiosity einfach zu schwer.

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Ellen Slatter ist seit 2008 in der Marketing-Abteilung des Sensorherstellers Sensitec GmbH in Lahnau für die Öffentlichkeitsarbeit zuständig.
© Sensitec

Ellen Slatter ist seit 2008 in der Marketing-Abteilung des Sensorherstellers Sensitec GmbH in Lahnau für die Öffentlichkeitsarbeit zuständig. Nach dem Studium an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, Fachbereich Angewandte Sprachwissenschaft in Germersheim, mit dem Abschluss »Dipl.-Übersetzerin für Englisch und Französisch«, war sie lange Zeit bei einem Unternehmen aus der Antriebstechnik tätig, bevor sie zu Sensitec wechselte.

Sensitec

Das Unternehmen Sensitec mit Sitz in Mainz und Lahnau ist ein Hersteller von magnetoresistiven Sensoren, die sich insbesondere durch hohe Genauigkeit, hohe Auflösung, Dynamik und Robustheit bei ihren Messaufgaben auszeichnen. Am Standort Mainz verfügt Sensitec über eine leistungsfähige Fertigung. Haupteinsatzbereiche für die Sensoren sind die Industrieautomation, der Automobilsektor, die Antriebstechnik, Medizintechnik sowie die Luft- und Raumfahrt bzw. Anwendungen, bei denen es um die präzise und berührungslose Messung von Weg, Winkel, Strom oder Magnetfeldern geht.

Der Weg zum Karriereportal von Sensitec: https://www.sensitec.com/de/karriere

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