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Elektromotoren Die Marsianer aus Sachseln

| Autor: Silvano Böni

Ein geplantes Leben auf dem Mars ist nur schwer nachvollziehbar: Kaum Schutz vor kosmischer Strahlung, eisige Temperaturen, wenig Sauerstoff und noch weniger (flüssiges) Wasser. Dennoch ist die Faszination da – und mittendrin ist ein Schweizer Unternehmen: die Maxon-Gruppe.

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So sieht der europäische Rover aus. Maxon ist hier mit mehr als 50 Aktuatoren, vom Radantrieb über die Probenverteilung bis zur Kamerabewegung, in 17 verschiedenen Konfigurationen aus bürstenbehafteten oder -losen DC-Motoren in Kombination mit Getrieben, Bremsen und Encodern dabei.
So sieht der europäische Rover aus. Maxon ist hier mit mehr als 50 Aktuatoren, vom Radantrieb über die Probenverteilung bis zur Kamerabewegung, in 17 verschiedenen Konfigurationen aus bürstenbehafteten oder -losen DC-Motoren in Kombination mit Getrieben, Bremsen und Encodern dabei.
(Bild: ESA)

Dass die Vision einer Marsbesiedlung nicht nur eine Utopie bleibt, daran forscht die Menschheit seit Jahrzehnten. Dutzende Raumsonden wurden seit den 1960ern zum Roten Planeten geschickt, bereits wenige Jahre später erfolgten auch die ersten geglückten Landungen. So richtig Fahrt aufgenommen haben die Marsmissionen aber in den 1990ern – und das im wahrsten Sinne des Wortes. Am 4. Juli 1997 landete mit der Pathfinder-Sonde der Nasa nämlich das erste motorisierte Fahrzeug auf der Marsoberfläche: der kleine, nur rund 11 kg schwere Rover Sojourner. Dieser durchquerte fast drei Monate lang die rostig-sandige Oberfläche aus Eisenoxid, machte Bilder des Roten Planeten und untersuchte Gesteinsproben. Angetrieben wurde das sechsrädrige Fahrzeug mit Schweizer Spitzentechnologie: 11 DC-Motoren des Antriebspezialisten Maxon sorgten für Antrieb und Lenkung sowie die Bedienung der wissenschaftlichen Apparate.

Erfolg durch Gleichstrom-Antrieb mit eisenlosem Rotor

Der Grundstein für die mittlerweile berühmten Gleichstrom-Antriebe mit eisenlosem Rotor und rautenförmiger Wicklung von Maxon wurde aber schon Jahrzehnte zuvor gelegt. Bereits in den 1960er-Jahren baute Maxon (damals noch Interelectric AG) eine eigene Entwicklungsabteilung für elektromechanische Geräte auf. Dieser Schritt erwies sich als Glücksfall für die Sachsler, da sie ihr ursprüngliches Geschäft, nämlich die Herstellung von Scherfolien für Elektrorasierer, bald darauf aufgeben mussten. Die Tüftler bei Maxon brachten es zustande, in Rekordzeit ein ganzes Typenprogramm an Kleinstmotoren zu entwickeln, und patentierten gleichzeitig ihre wohl wichtigste Erfindung der gesamten Firmengeschichte: das Herstellungsverfahren für den eisenlosen Rotor mit der ebenfalls patentierten, rautenförmigen Wicklung. Das Fehlen von besagtem Eisen im Rotor erhöhte den Wirkungsgrad um fast das Doppelte gegenüber herkömmlichen DC-Motoren und machte die Kleinstantriebe so zu leistungsstarken und trägheitsarmen Kompaktwundern.

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Die doppelte Ladung an Mars-Rovern

Vom beschaulichen Sachseln zurück zum Mars. Die erfolgreiche Pathfinder-Mission faszinierte nicht nur die ganze Welt, sie machte auch die kleinen Maxon-Antriebe berühmt. Die beschwerliche Marsreise belastet technische Komponenten enorm. Sie müssen hohen Temperaturschwankungen, der starken kosmischen Strahlung und gigantischen Staubstürmen trotzen und perfekt funktionieren. Das taten die Antriebe aus der 5000-Seelen-Gemeinde.

Aber nicht nur in Sachseln sorge die erfolgreiche Mission für Jubelstürme. Auch die amerikanische Weltraumbehörde Nasa war begeistert vom Erfolg der Mission und plante bald darauf die nächste Reise zum Roten Planeten. Dieses Mal sollten gleich zwei Rover in die Rostwüste geschickt werden: die typengleichen Fahrzeuge Spirit und Opportunity. Ganz nach dem olympischen Motto „schneller, höher, stärker“ waren diese aber kaum mehr mit dem Sojourner-Rover vergleichbar. Ausgereiftere Technik ermöglichte den 185 kg schweren Zwillingsfahrzeugen, schärfere Fotos zu schießen als ihr Vorgänger, den Boden abzubürsten, um nach Spuren zu suchen, und sogar ganze Steine anzubohren. Die Mission: nach Wasser und somit vielleicht Leben auf dem Mars zu suchen. Im Januar 2004 landeten die beiden Fahrzeuge erfolgreich auf dem Planeten. Mit an Bord eines jeden Rovers: 35 DC-Motoren der Zentralschweizer.

Maxon-Motoren für alle wichtige Funktionen zuständig

Die Mission Mars Exploration Rover (MER) übertraf alle Erwartungen. Für drei Monate ausgelegt, verrichtete Spirit seinen Dienst erfolgreich sechs Jahre lang. Sein Bruder Opportunity trotzte allen Witterungen, Sandstürmen und Temperaturschwankungen von -120 bis 25 °C noch besser und war fast 15 Jahre aktiv. Dabei legte er eine Strecke von über 45 km in der Staubwüste zurück. Einen sehr großen Anteil am Erfolg hatte Maxon. Die Schweizer Präzisionsmotoren waren für praktisch alle wichtigen Funktionen zuständig, unter anderem für den Antrieb, die Steuerung, den Gesteinsbohrer, den Roboterarm und die Kameras. Zusätzlich wurden je acht Antriebe in den Landeeinheiten verwendet.

Die MER-Mission wurde als voller Erfolg gewertet, und das nicht nur weil die Rover jahrzehntelang funktionstüchtig waren. Zum ersten Mal in der Geschichte ist der Nachweis gelungen, dass auf dem Mars flüssige Wasservorkommen existiert haben, eine grundlegende Voraussetzung für mögliches Leben auf dem Roten Planeten.

Die Suche nach Eis

In flüssiger Form ist bis heute kein Wasser auf dem Mars gefunden worden, jedoch gibt es zahlreiche Fundorte von Eis. Das verwundert wenig, liegt doch die mittlere Temperatur auf dem Roten Planeten bei -55 °C. Da die Atmosphäre aber nur wenig Sonnenwärme speichern kann, sind die täglichen Temperaturunterschiede enorm, Schwankungen von 100 °C sind keine Seltenheit.

Zur weiteren Suche nach gefrorenem Wasser schickte die Nasa die fix stationierte Sonde Phoenix am 25. Mai 2008 auf den Mars. Dort entnahm sie mit einem Roboterarm Gesteinsproben und analysierte diese. Auch die Präzisionsantriebe von Maxon waren wieder mit an Bord, genauer gesagt zehn bürstenbehaftete DC-Motoren des Typs RE 25 mit speziellen Kugellagern, die für die Ausrichtung der Solarpanels und des Roboterarms zuständig waren.

Encoder für die Motorsteuerung im Rover Curiosity

Die Suche nach Leben auf dem Roten Planeten spornte nicht nur die Maxon-Ingenieure zu Höchstleistungen an. Die Nasa war bereits an der Planung der nächsten Mars-Mission mit einem Rover, der alle bisherigen Modelle in den Schatten stellen sollte. Curiosity war ein weitgehend autonom agierendes Fahrzeug, welches mit zehn Instrumenten zur Untersuchung von Atmosphäre, Strahlung und Gestein ausgerüstet war. Mit Massen von 3,1 m × 2,7 m × 2,1 m und einem Gewicht von fast einer Tonne war der Rover im Vergleich zu seinen Vorgängern ein wahres Ungetüm. Nachdem eine mächtige Atlas-V-Trägerrakete Curiosity sicher in Richtung Mars gebracht hatte, landete dieser am 6. August 2012 erfolgreich und begann kurz darauf die ersten, gestochen scharfen Bilder zur Erde zu senden. Im Unterschied zu den vergangenen Marsmissionen war Maxon nur zu einem kleinen, wenn auch sehr wichtigen Teil beteiligt. Das Unternehmen lieferte hochpräzise MR-Encoder, welche an den Antriebsachsen angebracht und für die Steuerung der Motoren verantwortlich waren. Diese verrichten ihren Dienst nach wie vor zuverlässig wie ein Schweizer Uhrwerk. Curiosity ist auch 2020 noch unterwegs und sammelt Daten. So entdeckte der Rover im Laufe der Jahre Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff – ein Hinweis darauf, dass zumindest früher die Voraussetzungen für Leben auf dem heutigen Rostplaneten erfüllt wurden.

Auch in der Insight-Sonde der Nasa, welche Ende 2018 auf dem Mars landete, waren Antriebe aus Sachseln verbaut. Mehrere RE-25-Motoren (Typen dieses Modells waren bereits an den Zwillingsrovern Spirit und Opportunity montiert) sowie ein DCX 22 wurden für die Sonde verwendet.

Das „Marsmonopol“: DC-Motoren funktionieren unter härtesten Bedinungen

Maxon darf mittlerweile schon fast von sich behaupten, ein Monopol auf Mars-Antriebssystemen zu besitzen. Ohne die Zentralschweizer läuft auf dem Roten Planeten wenig. Eine wirkungsvollere Bestätigung, dass die bürstenbehafteten und bürstenlosen DC-Motoren auch unter härtesten Weltall-Bedingungen funktionieren, gibt es praktisch nicht. So verwundert es auch wenig, dass die Sachsler gleich bei zwei anstehenden Mars-Projekten wieder als Partner mittun dürfen.

Unter dem Namen Exomars plant die europäische Weltraumorganisation ESA zusammen mit der russischen Roskosmos eine Mission zum Roten Planeten. Das Ziel: die Suche nach vergangenem oder aktuellem Leben. Dabei wird der europäische Rover sogar Bodenproben aus rund zwei Metern Tiefe entnehmen und direkt vor Ort analysieren. Der Startschuss soll 2022 erfolgen. Maxon ist hier mit mehr als 50 Aktuatoren, vom Radantrieb über die Probenverteilung bis zur Kamerabewegung, in 17 verschiedenen Konfigurationen aus bürstenbehafteten oder -losen DC-Motoren in Kombination mit Getrieben, Bremsen und Encodern dabei.

Die Nasa ist ein wenig schneller unterwegs. Bereits in diesem Jahr startet die Mission Mars 2020 mit dem Rover Perseverance. Das Ziel führt natürlich in die gleiche Richtung wie die ESA-Mission: Anhand von Bodenproben, die zur Erde zurückgebracht werden, möchten die Amerikaner herausfinden, ob es jemals Leben auf dem Mars gegeben hat. Die Schweizer Antriebsspezialisten liefern zehn bürstenlose DC-Motoren (EC 32 flat und EC 20 flat) inklusive Planetengetrieben. Mit an Bord der Atlas-V-Rakete wird außerdem eine Art Helikopterdrohne sein. Diese soll mehrere autonome Flüge von rund 1,5 Minuten unternehmen und dabei erstmals Luftbilder vom Mars schießen. Und wer übernimmt die Steuerung des Mini-Helikopters? Natürlich die Motoren von Maxon.

Keine Marsmissionen ohne die Schweizer Spitzentechnologie

Mit jeder erfolgreichen Mission lernen wir mehr über den Mars und kommen dem Traum einer Marsbesiedlung ein kleines Stück näher. Bis zur ersten bemannten Mission zum Roten Planeten wird es aber noch eine Weile dauern. Die Nasa gibt das Zeitfenster mit frühestens 2030 an. Elon Musk, seines Zeichens Multimilliardär und Besitzer des privaten Raumfahrtunternehmens SpaceX, möchte bereits 2025 starten. Eines scheint aber jetzt schon klar zu sein. Marsmissionen ohne die Spitzentechnologie aus Sachseln sind nur schwer
vorstellbar.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Schweizer Partnerportal www.maschinenmarkt.ch

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Über den Autor

 Silvano Böni

Silvano Böni

Stv. Chefredaktor, Vogel Communications Group AG