Elektromotor Wie Antriebe von Maxon von der Raumfahrt profitieren

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Maxon Motor GmbH

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FAULHABER Antriebssysteme

Einen Weltraumflug unbeschadet zu überstehen und dann ausdauernd auf dem Mars zu arbeiten fordert den Motoren von Maxon einiges ab. Deshalb wurden die Katalogprodukte angepasst. Von diesen Erkenntnissen profitieren auch andere Industriebranchen.

• Bereits seit über 20 Jahren liefert Maxon Antriebe, die auf dem Mars zuverlässig arbeiten. Darunter befinden sich vor allem die Flachmotoren und die dazu passenden Planetengetriebe.

• Aufgrund der vorherrschenden Atmosphäre sowie der Bedingungen beim Raketenstart und der Reise erhalten Standard-Katalogprodukte spezielle Verschweißungen und Schmierstoffe.

• Auch manche Branchen der Industrie setzen Antriebe härtesten Bedingungen aus: sei es die Halbleiter- oder die Rohstoffindustrie. Hierfür kann Maxon seine Erfahrungen aus der Raumfahrt nutzen.

Es war im Juli 1997, als mit der ersten Pathfinder-Sonde der Nasa ein Fahrzeug die Marsoberfläche erkundete. Schon damals lieferte der Schweizer Antriebstechnikspezialist Maxon DC-Motoren für den Antrieb des Mars-Rovers. Inzwischen haben mehr als 100 Antriebe von Maxon auf dem Mars ihre Arbeit verrichtet. Sie basieren auf Standardkatalogprodukten, beispielsweise den bürstenlosen DC-Motoren EC 32 flat und EC 20 flat in Kombination mit dem Planetengetriebe GP 22 UP sowie Encodern.

Allerdings sind die Herausforderungen auf dem Mars groß: Die Komponenten müssen einer hohen kosmischen Strahlung standhalten, auch bei tiefen Temperaturen von -150 °C zuverlässig arbeiten und mit einem äußerst geringen atmosphärischen Druck sowie einer fast reinen CO₂-Atmosphäre zurechtkommen. Hinzu kommen die Anforderungen während des Raketenstarts. Doch was müssen die Präzisionsantriebe bei solch extremen Rahmenbedingungen aushalten? Robin Phillips, Spacelab-Leiter bei Maxon, erklärt, welche Eigenschaften ein Antrieb erfüllen muss, damit er tauglich ist für die Reise zum Mars.

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1. Resistenz gegen Vibrationen und Schock

Zuerst geht es darum, den Raketenstart zu überstehen. Dafür muss der Motor schock- und vibrationsresistent sein. Die Vibrationen sind vielleicht weniger stark als erwartet, aber etwas stärker als in einem Passagierflugzeug; sie dauern nur ein paar Minuten an. Schocks hingegen muss man immer wieder berücksichtigen, wenn man mit Standardprodukten arbeitet. Sie treten in der Raumfahrt vor allem beim Staging auf, also wenn sich die erste Stufe vom Rest der Rakete abtrennt. Die große Kraft zerstört normale Motoren, weil sich Rotor und Stator trennen. Deshalb müssen die Standardantriebe für solche Extremsituationen verstärkt werden. „Wir verwenden zum Beispiel einen gekapselten Rotor, spezielle Schweißungen und Sicherungsringe sowie optimierte Materialien“, erklärt Phillips.

2. Vakuum und Strahlung überstehen

Die Reise zum Mars dauert ungefähr sechs Monate. Während dieser Zeit müssen die Antriebe Vakuum und Strahlung überstehen. Die schädlichste Strahlung kommt dabei nicht von der Sonne, sondern von hochenergetischen Partikeln außerhalb des Sonnensystems, die die Elektronik zerstören können. Deshalb ist eine speziell gehärtete Elektronik für die Hall-Sensoren der Motoren nötig. Um ganz sicherzugehen, baut Maxon sie paarweise ein (Redundanz). Im Vakuum wiederum ist die Beständigkeit der Komponenten wichtig. Man darf keinen Klebstoff verwenden, der im luftleeren Raum seine chemischen Eigenschaften verändert und dann nicht mehr richtig klebt.

3. Geringes Gewicht schlägt Lebensdauer

Raketen können nur eine begrenzte Masse an Ladung zu anderen Planeten transportieren. Deshalb setzt Maxon die Leichtbauanforderungen konstruktiv um, indem man auch auf exotische Formen zurückgreift, dünnere Gehäusewände oder Titan statt Stahl verwendet. Jedes Gramm, das eingespart werden kann, zählt. Phillips: „Zudem nutzen wir oft die kleinstmögliche Baugröße des Antriebs mit dem Wissen, dass normalerweise nur eine kurze Betriebsdauer nötig ist im Vergleich zu Industrieanwendungen. Der höhere Verschleiß kann in Kauf genommen werden.“

4. Komponenten trotzen der Mars­atmosphäre

Auf dem Mars angekommen, muss der Motor über die gesamte Missionsdauer einwandfrei funktionieren. Doch wegen der dünnen Atmosphäre braucht es geeignete Schmierstoffe, die nicht ausgasen und ihre Eigenschaft beibehalten. Speziell bei bürstenbehafteten DC-Motoren ist es zudem wichtig, die richtige Bürstenmischung zu verwenden. Auf dem Mars baut sich keine Patina auf, weshalb spezielle Bürsten mit imprägnierter Schmierung entwickelt wurden (Silbergraphit mit 15 % MoS₂). Das ist wohl eine der wichtigsten Modifikationen, denn normale bürstenbehaftete Motoren fallen im Vakuum nach wenigen Stunden aus.

5. Dokumentierte Qualität für jedes Bauteil und jede Baugruppe

Auch bei Antrieben, die auf der Erde zum Einsatz kommen, gibt es Tests. Aber aus wirtschaftlichen Gründen gehen diese nicht bis ins letzte Detail. Anders bei Produkten für Marsmissionen, wo man überhaupt kein Risiko in Kauf nehmen will. Hier lohnt es sich, jedes einzelne Bauteil zu prüfen, weil der Weltraum keine Fehler verzeiht. Maxon prüft auch jede einzelne montierte Baugruppe und dokumentiert das ausführlich. So liefert man dem Kunden den Nachweis, dass der Motor wirklich so ist, wie man das versprochen hat. Die Flugmodelle sollen identisch sein mit den Einheiten, die qualifiziert worden sind. Denn diese haben mithilfe von Tests exakt dasselbe erlebt, wie sie im Ernstfall erleben werden. Sie wurden auf den Shaker gestellt, Temperaturzyklen ausgesetzt und Lebensdauertests unterzogen. „Wenn die Antriebe all die Tests erfolgreich bestanden haben, weißt du: Das Design ist okay. Jetzt müssen nur noch alle weiteren Antriebe haargenau gleich gebaut werden – deshalb die ganze Dokumentation“, weiß Phillips. Dieser Prozess ist aufwendig, aber wichtig. Die Geschichte von Space-Missionen zeigt: Wenn man das nicht tut, geht etwas schief.

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Wie andere Branchen von den Erkenntnissen profitieren

Eugen Elmiger, CEO von Maxon, erklärt: „Unsere bürstenbehafteten und bürstenlosen DC-Motoren sind im Weltraum härtesten Bedingungen ausgesetzt: extremer Kälte, Hitze, Schlägen, Vibrationen. Dank diesen Erfahrungen können wir unsere Produkte für den Einsatz auf der Erde verbessern.“ Denn auch in der Industrie gibt es Anwendungen, die ebenso herausfordernd für die eingesetzten Komponenten sind – man denke nur an die Produktionsanlagen der Elektronik- und Halbleiterindustrie oder an Bohrköpfe in der Rohstoffindustrie. Dort müssen die Motoren ähnlichen Stößen oder atmosphärischen Bedingungen standhalten.

Maxon kann für solche Einsatzgebiete auf seine langjährigen Erfahrungen in der Raumfahrt zurückblicken und für andere Branchen daraus Erkenntnisse ziehen, wie auch Phillips betont: „Inzwischen besitzen wir das Space-Wissen und haben Qualitätsprozesse aufgebaut, welche die Erwartungen der Industrie erfüllen. Davon profitieren auch Kunden aus anderen Bereichen, wie etwa der Medizin, denn die Anforderungen sind teilweise ähnlich hoch.“

* Stefan Roschi ist tätig in der Corporate Marketing Communication bei der Maxon Group in 6072 Sachseln (Schweiz). Weitere Informationen: Maxon Motor GmbH in 81825 München, Tel. (0 89) 42 04 93-0, info.de@maxongroup.com

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