Den 3D-Blick auf den Mars

Die Mission ist klar, die Aufgaben im Einzelnen sind es ebenfalls. Die Ansprüche an eine Mars-geeignete Technik sind mit nichts vergleichbar. Gelingt die aktuell für 2020 terminierte Mission, dann soll sich der von der ESA gebaute Rover auf der Marsoberfläche auf die Suche machen nach ehemaligen oder aktuellen biologischen Aktivitäten. Hierbei sind Gesteinsbohrungen genauso vorgesehen, wie die Analytik mit verschiedenen Instrumenten. Damit die Daten und Messergebnisse wieder den Weg nach Hause finden, hilft der in der Umlaufbahn verbliebene ExoMars Trace Gas Orbiter beim Telefonieren.

Bessere Bilder und Schutz vor Staub

Die Umgebungsbedingungen auf dem Mars fordern von der eingesetzten Technik Höchstleistung ab. Zum einen arbeitet der Rover innerhalb eines Luftdrucks von 0,00636 Bar, was auf der Erde einem atmosphärischen Druck in 35 Kilometern Höhe entspricht. Zum anderen herrschen auf dem Planeten Temperaturschwankungen zwischen knapp +20 °C und -120 °C. Weiterhin beeinträchtigt der vom Rover aufgewirbelte Staub die Funktionssicherheit der hochpräzisen Mess- und Analysetechnik – weshalb die Panoramakamera an ihrem Mast auch zwei Meter über dem Boden hängt. „Wir schützen die Optik und können von der erhöhten Position zudem wesentlich bessere Panoramabilder aufnehmen“, erklärt Jonathan Jones, Ingenieur für Mechanik und Thermodynamik bei den Mullard Space Science Laboratory südlich von London.
Mit den vor den Weitwinkelkameras liegenden Filtern hat MSSL ein System geschaffen, das in der Lage sein wird während der für 2020 geplanten Mission Aufnahmen in unterschiedlichen Frequenzbereichen zu machen – und damit Bilder mit variierenden Inhalten zu erzeugen. „Geplant ist, täglich zehn Bilder zur Erde zu schicken“, sagt Jones. Was auf den ersten Blick recht wenig klingt, entpuppt sich im Detail als anspruchsvoll. Zunächst erstellt die Kamera für ein Bild drei Aufnahmen. Diese werden dann zur Erde geschickt und dort zur Erstellung des eigentlichen Bildes übereinander gelegt. Mehr als zehn seien pro Tag aufgrund der geringen Datenbandbreite der Funkkommunikation zwischen den benachbarten Planeten nicht drin.

Schrittmotoren positionieren Objektivfilter

Elf Filter sind es pro Rad, die es den Pancam Weitwinkelkameras ermöglichen, unterschiedliche Aufnahmen mit veränderten Lichtverhältnissen zu machen. Diese Filterräder rotieren vor den beiden Weitwinkelkameras und müssen für scharfe Bilder exakt in Position gebracht werden. Als Antrieb des rotierenden Filtersystems setzt MSSL zwei Schrittmotoren aus dem PRECIstep Portfolio von FAULHABER ein. Und diese spielen während der aktuellen Langzeittests ihre Vorteile gerade voll aus.

Die MSSL Ingenieure waren bei der Entwicklung der Panoramakamera auf der Suche nach Motoren, die einerseits verlässlich und präzise positionieren und dazu auch noch sehr klein sind. Schrittmotoren empfehlen sich in dieser außergewöhnlichen Applikation besonders – nicht nur weil sie ohne gesondertes Rückführungssystem mit einer Auflösung von 1280 Schritten pro Umdrehung genau positionieren, sondern weil sie auch in der Handhabung deutlich einfacher und robuster sind als klassische Servomotoren. Der Fokusmechanismus der hochauflösenden Kamera wird durch einen FAULHABER PRECIstep Schrittmotor angetrieben. Dieser Motor folgt exakt dem außen angelegten Feld, ohne dass er dafür aufwändig eingeregelt werden muss. "Es ist die perfekte Lösung für optische Anwendungen, da die Motoren die Objektiveinstellung dank ihres Restmoments auch ohne Strom halten können. Zudem wird durch die Regelung im offenen Regelkreis Jitter vermieden und es können somit sehr scharfe und klare Bilder gemacht werden", erklärt Sébastien Vaneberg, Vertriebsingenieur bei der FAULHABER PRECIstep SA. Die Schweizer Gesellschaft ist innerhalb der FAULHABER Gruppe spezialisiert auf winzig kleine Schrittmotoren. "Um es auf den Punkt zu bringen: es handelt sich hier um einen einfach aufgebauten und widerstandsfähigen Antrieb mit außergewöhnlichen Fähigkeiten, der ideal für die rauen Bedingungen im Weltraum geeignet ist."

Kleinstmotoren mit Mars-Zulassung

In jeder Kamera der PanCam messen die beiden Antriebe gerade einmal 10 Millimeter im Durchmesser. Der Schrittmotor zählt 20 Schritte pro Umdrehung und ist mit einem Präzisionsgetriebe gleichen Durchmessers kombiniert, das eine Übersetzung von 64/1 liefert. In einer engen Engineering-Zusammenarbeit mit MSSL hat FAULHABER PRECIstep die beiden Antriebe noch für den kommenden Einsatz auf der Marsoberfläche den nötigen technischen Voraussetzungen angepasst. Hierzu zählen zum Beispiel ein Trockenschmierstoff sowie angepasste Sinterlager. „Die Motoren müssen auf dem Mars überleben können“, bringt Jonathan Jones die Anforderungen an die FAULHABER Antriebe knapp auf den Punkt.
Und damit später nach der Landung nichts dem Zufall überlassen wird, testet das Mullard Space Science Laboratory die Komponenten der Panoramakamera aktuell in einer Versuchsumgebung. Die Rahmenbedingungen gehen noch über die Verhältnisse auf dem Mars hinaus. Die Positionierantriebe müssen 5000 Zyklen positionieren – und dieses innerhalb wechselnder Temperaturen zwischen -130 Grad Celsius und plus 50 Grad. „Der Versuch läuft und die Motoren zeigen sehr gute Eigenschaften“, freut sich Jonathan Jones. Neben FAULHABER habe es nichts Vergleichsbares auf dem Markt gegeben, als es um die Konzeption der Antriebe ging. FAULHABER gehöre zudem zum Standard der European Space Agency (ESA), die das ExoMars-Projekt in Zusammenarbeit mit der russischen Raumfahrtagentur Roskosmos bis 2020 auf die Startrampe bringen will.