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Mars-Drohne „Ingenuity“ : Luftaufklärung in fremden Welten

  • -Aktualisiert am

„Ingenuity“ wiegt auf dem Mars nur etwas mehr als ein Drittel als auf der Erde. Ansonsten sind die Flugbedingungen dort schwieriger als auf der Erde. Bild: dpa

Bald soll der erste Helikopter durch die Mars-Luft schweben. Das ist der nächste Schritt der Erkundung auch entlegener Himmelskörper.

          5 Min.

          Wenn der Rover „Perseverance“ („Beharrlichkeit“) am Donnerstag wie geplant zum Mars startet, dann mit einer Bonusattraktion. Unter seinem Bauch hängt ein kleiner Helikopter, „Ingenuity“ („Einfallsreichtum“) genannt. Es ist das erste Fluggerät, das auf einem fremden Planeten abheben soll. Sieben Jahre hat seine Entwicklung gedauert. Sie erforderte einiges an Ingenieurskunst – auch an Stellen, wo man sie nicht unbedingt erwarten würde.

          „Wenn man so ein Problem von Anfang an angeht, sieht man erst mal die offensichtlichen Herausforderungen“, sagt Håvard Grip, Ingenieur am Jet Propulsion Laboratory der Nasa. Da wäre etwa die, den Helikopter überhaupt erst abheben zu lassen. Sein Rotordurchmesser kann höchstens 1,2 Meter betragen, damit er unter den Rover passt. Auch darf sich der Rotor nicht zu schnell drehen. Andernfalls würden seine Spitzen die Schallgeschwindigkeit überschreiten, die in der kalten und anders zusammengesetzten Marsatmosphäre etwas niedriger ausfällt als in der Erdatmosphäre. Kombiniert mit der Anziehungskraft auf dem Mars, dank der ein Gegenstand dort nur ein Drittel seines irdischen Gewichts besitzt, sowie der hundertmal geringeren Dichte der Mars-Luft, ergibt sich, dass man etwa doppelt so viel Leistung braucht wie auf der Erde, um die gleiche Masse anzuheben. „Das kann man auf einer Serviette ausrechnen“, sagt der Ingenieur.

          Rotoren für die dünne Marsluft

          Mit diesen Parametern im Kopf begannen Håvard Grip und seine Kollegen 2013 ihren Helikopter zu entwerfen. Sie entschieden sich für zwei übereinander liegende Rotoren, die mit 2400 Umdrehungen pro Minute gegeneinander laufen. Über ihnen befindet sich eine Solarzelle, darunter finden Flugcomputer, Sensoren, zwei Kameras, die Funkanlage und vor allem die Akkus in einem kleinen Kasten Platz. Alles zusammen wiegt gerade mal 1,8 Kilogramm. „Aber erst, wenn man wirklich an den Details zu feilen beginnt, erkennt man Dinge, die vorher nicht offensichtlich waren“, sagt Grip.

          Was das bedeutet, erkannten die Ingenieure 2014. Sie hatten gerade einen ersten Prototypen gebaut und ließen ihn in einer Kammer starten, aus der sie die Luft herausgepumpt hatten, um die dünne Marsatmosphäre zu simulieren. Er hob ab. Die grundlegenden Berechnungen waren also korrekt. „Aber er war unkontrollierbar“, erinnert sich Grip.

          Dieser frühe Test habe ihm gezeigt, dass es nicht reicht, ein auf der Erde bewährtes Design zu nehmen und lediglich anzupassen – hier also, den Rotor etwas schneller laufen zu lassen. „Die Dinge verhalten sich auf dem Mars eben fundamental anders“, sagt Grip. Es stellte sich heraus, dass die Rotorblätter die Ursache waren. Sie flatterten auf und ab. Das tun die Blätter von Helikoptern auf der Erde zwar auch. Aber hier dämpft die Luft ihre Bewegung. In der dünnen Marsatmosphäre entfällt diese Dämpfung. Die Blätter geraten daher derart ins Flattern, dass sie die Steuerung des Mars-Helikopters träge machen, was wiederum die Kontrolle erschwert. „Man kann sich das so vorstellen, als wolle man mit zwei schweren Einkaufstüten am Lenker Fahrrad fahren“, sagt Grip. Die Ingenieure gingen zurück ans Reißbrett und entwarfen steifere Rotorblätter. Das Problem war gelöst.

          Weil sie aus Kohlefaser mit einem Schaumstoffkern bestehen, wiegt jeder der beiden 1,2 Meter langen Rotoren nicht einmal 60 Gramm, weniger als ein Hühnerei. Es sei überraschend, sie anzuheben, erzählt Grip. „Sie sehen so robust aus, aber wenn man sie hält, merkt man, dass sie praktisch nichts wiegen.“

          Das Erwarten des Unerwarteten

          Da die Forscher von dem Rotorblatt-Flattern so völlig überrascht wurden, drängt sich die Frage auf, was der erste Flug auf dem Mars noch Überraschendes bringen wird. „Wir haben das Ding auf Herz und Nieren getestet“, sagt Grip. Tatsächlich haben sie spätere Prototypen in einer exakten Nachbildung der Marsatmosphäre fliegen lassen und befestigten sie dazu an Seilzügen, um die geringe Schwerkraft zu simulieren. „Wenn etwas Unerwartetes passiert, gehen wir es an, wenn es so weit ist.“ Insgesamt gibt Grip sich gelassen – auch angesichts des historischen Charakters seines Unterfangens. Höchstens ein bisschen aufgeregt sei er, sagt der Nasa-Mann. „Es ist eben unser Ding, etwas Neues zu machen, etwas, das die Menschheit noch nie getan hat.“

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