Net als asteroïden worden kometen (of vallende sterren) beschouwd als restanten van de geboorte van ons zonnestelsel. Ze worden gevormd in de koude buitengebieden. Dichtbij de zon wordt de kern van een komeet omhuld door een nevelachtige mantel, de zogeheten coma. Dit geeft kometen hun typische uiterlijk. Mensen zijn van oudsher gefascineerd door deze verschijnselen aan de hemel. Voor de oude Grieken en Romeinen waren kometen goddelijke voortekenen, in de middeleeuwen werden ze gezien als boodschappers van het lot. Nu zijn Europese wetenschappers er voor het eerst in geslaagd om op een komeet te landen en deze van dichtbij te observeren en onderzoeken, om zo nieuwe inzichten te verkrijgen in de oorsprong van ons zonnestelstel. Dit soort missie vraagt het uiterste van de technologie die wordt ingezet. De landingsmodule met raketaandrijving werkt met een hele serie kleine aandrijvingen, die na vele jaren in de ruimte betrouwbaar moeten werken op het moment dat het erom gaat. Ze komen bijvoorbeeld tijdens de landing zelf in actie, maar ook voor de uitvoering van de analyses op het komeetoppervlak.
Philae raakte drie keer het oppervlak
Omdat het hemellichaam slechts minimale zwaartekracht heeft, is het lastig om stabiel te landen op het oppervlak en om tijdens de gehele bedrijfsperiode stevig te blijven staan. In samenwerking met het German Aerospace Center ontwikkelde het Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) een speciaal ankersysteem voor de sonde. Het idee was dat er direct na het contact met het oppervlak twee harpoenen in het komeetoppervlak zouden worden geschoten. Weerhaken moesten ervoor zorgen dat de ankerpunten vast zouden blijven zitten. Iedere harpoen was verbonden met een kabel in een magazijn, die door het schot zou worden afgerold. De kabels zouden dan strak worden getrokken door een borstelloze DC-servomotor van de serie 1628, met een planetaire tandwielkast van 16/7. Zo zou de sonde aan het komeetoppervlak worden gezekerd. De praktijk verliep anders: de harpoenen werden niet afgeschoten, het mechanisme om de kabel op te wikkelen werd niet gebruikt en Philae stuiterde drie keer op het oppervlak zonder zich verankeren. Ondanks dat was het miniatuurlaboratorium nog steeds in staat om zijn analyses volgens plan te starten.
Landingsgestel en monsteranalyse
De motoren hadden ook nog andere belangrijke taken tijdens de landingsprocedure. Om de kinetische energie die vrijkwam door de landing (zo'n 50 J) om te zetten in elektrische energie en uiteindelijk in warmte met behulp van een spindelaandrijving, werd een klokankermotor uit de serie 3557 direct aangesloten via een externe weerstand om als generator te functioneren. Andere aandrijvingen uit de serie 1224 kwamen in actie in het driepotige landingsgestel, bijvoorbeeld om het bovendeel van de sonde te kantelen of te draaien via een cardanophanging om de zonnepanelen optimaal te richten. Microaandrijvingen maakten ook de monstername mogelijk: Philae was uitgerust met een boor die monsters uit de kern naar een kleine oven bracht voor pyrolyse. Het ontwerp: kleine motoren uit de serie 1016 met een 10/1 planetaire tandwielkast drijven een nok aan via een wormaandrijving, die naar een keramisch spruitstuk op de oven voert en tegelijkertijd de elektrische contacten voor het verwarmingselement van de oven sluit. Het gas wordt door dunne leidingen in de ovenklep naar wetenschappelijke instrumenten geleid voor de analyse. De wetenschappelijke fase van de sonde duurde in totaal 56 uur. Hierin konden alle geplande metingen en analyses op het komeetoppervlak worden uitgevoerd. Philae droeg alle gegevens succesvol over naar het Lander Control Center en heeft zijn bovenste gedeelte bewogen om het beter uit te lijnen met de zon. Voor ESA en het German Aerospace Center geldt de missie als een volledig succes. Alle verkregen gegevens zijn goed voor jaren wetenschappelijk onderzoek.
De harde omstandigheden in de ruimte
Ruimtevaart vraagt het uiterste van alle materiaal, inclusief de aandrijvingen. Iedere kilo die wordt gelanceerd, kost energie – brandstof – en dus ook geld. Daarom zoeken de ontwikkelaars altijd naar kleine, lichtgewicht componenten. Tegelijkertijd moeten ze echter bestand zijn tegen de gigantische krachten en trillingen tijdens de lancering, de lage temperaturen gedurende extreem lange tijd en de vele jaren in een vacuüm.
Omdat ook kosten een rol spelen bij de selectie van componenten voor ruimtevaartprojecten, wilden de ingenieurs dure aangepaste ontwikkelingen bij voorkeur vermijden. Daarom gingen ze eerst op zoek naar serieproducten die aan zoveel mogelijk van hun specificaties konden voldoen. Die vonden ze in het uitgebreide portfolio aandrijfsystemen van FAULHABER. Hun standaard oplossingen konden voldoen aan alle mechanische vereisten. Voor de bijzondere omstandigheden in de ruimte waren verhoudingsgewijs kleine aanpassingen nodig, met verwaarloosbare meerkosten.
Standaard aandrijvingen – met een beetje tuning
Een goed voorbeeld is de borstelloze DC-servomotor met precisietandwielkasten, als eerste aandrijving voor de ankerharpoen. De combinatie van motor en tandwielkast heeft een diameter van slechts 16 mm en een totale lengte van 61 mm. Een lage speling van minder dan 1° maakt ook veel nauwkeurigere positionering mogelijk. Dankzij hun compacte afmetingen was het eenvoudig om de aandrijvingen te integreren. Ook de energiezuinigheid was ideaal geschikt voor de ruimtevaart.
Net als bij de overige aandrijvingen in de landingsmodule werd het smeermiddel aangepast aan de omstandigheden in de ruimte. Hier zijn vetten en oliën niet effectief: ze bevriezen in de kou tot een vaste massa, of ze vervliegen in het luchtledige. Vaste smeermiddelen vormen een beter alternatief. Grafiet kwam echter niet in aanmerking: dit werkt alleen als zich gas kan ophopen tussen de grafietlaagjes, zoals waterdamp of stikstof. Deze gassen zijn in een vacuüm niet aanwezig. Op aarde werkt grafiet als vast smeermiddel, maar in de ruimte zou het eerder als kalk werken. Daarom viel de keus voor deze ruimtemissie op molybdenum disulfide (MoS2), dat een grafietachtige laagjesstructuur heeft. Met MoS2 werkt de smeerfunctie ook in het vacuüm en bij extreem lage temperaturen. En ook temperaturen tot enkele honderden graden zijn geen probleem. Daarom werd dit vaste smeermiddel aangebracht op de oppervlakken van de speciale lagers en de standaard tandwielen.
Ook de behuizing van de tandwielkast moest geschikt gemaakt worden voor gebruik in de ruimte. De combinatie van temperaturen onder de -100 °C en verschillende materialen kan problemen veroorzaken met afwijkende uitzettingen van precisiecomponenten, die hierdoor blokkeren. De standaard behuizing van messing en nikkel werd daarom vervangen door een stalen behuizing, die dezelfde thermische expansie heeft als de stalen tandwielen in de tandwielkast. De stalen behuizingen konden in de standaard productiefaciliteit van FAULHABER worden gemaakt. Dit zorgde voor de nauwkeurig passende aansluiting en perfecte uitwisselbaarheid. Omdat de individuele onderdelen van de tandwielkast eenvoudig kunnen worden gemonteerd, was het ook eenvoudig om de speciale "versterkte" onderdelen samen te voegen. De aangepaste standaardaandrijvingen bewezen zich in de ruimte net zo goed als in vele andere veeleisende toepassingen, zoals in het extreme vacuüm van een elektronenmicroscoop of in de chipproductie.
Producten
