Zukünftige Planetenmissionen könnten dank eines Projekts, das am JPL entwickelt wird, bei extrem kalten Temperaturen forschen, die bestehende Raumfahrzeuge behindern.
Wenn die NASA mit Artemis zum Mond zurückkehrt, werden die Agentur und ihre Partner unerforschte Regionen der Mondoberfläche rund um den Südpol erreichen, wo es nachts viel kälter werden kann als selbst auf dem kalten Mars. Solche Oberflächenbedingungen wären eine Herausforderung für aktuelle Raumfahrzeuge, die auf energieverbrauchende Heizgeräte angewiesen sind, um warm zu bleiben.
Eine Technologiedemonstration, die im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien entwickelt wird, könnte eine Lösung bieten, die die Erforschung während der Dunkelheit der Mondnacht ermöglichen würde, einem Zeitraum, der etwa 14 Erdtage umfasst. Das Projekt, das kürzlich am JPL getestet wurde, heißt Cold Operable Lunar Deployable Arm (COLDArm). Es kombiniert mehrere neue Technologien, um ein Roboterarmsystem zu schaffen, das bei Temperaturen von bis zu minus 280 Grad Fahrenheit (minus 173 Grad Celsius) funktionieren kann.
„Um zum Mond zu fliegen, müssen wir in der Lage sein, bei kälteren Temperaturen, insbesondere während der Mondnacht, ohne den Einsatz von Heizgeräten zu arbeiten“, sagte Projektleiter Ryan McCormick. „COLDArm würde es Missionen ermöglichen, auch in extrem kryogenen Umgebungen weiter zu arbeiten und Wissenschaft zu betreiben.“
Um das Projekt zu erklären, erinnert sich McCormick an eine Szene aus dem Film „Terminator 2: Judgement Day“ von 1991, in der ein feindseliger Androide aus flüssigem Metall durch eine riesige Menge flüssigen Stickstoffs kalt – buchstäblich zugefroren – gestoppt wird. „Der Bösewicht kann bei diesen Temperaturen nicht arbeiten, aber COLDArm schon“, sagte McCormick.
Während COLDArm nicht in flüssigem Stickstoff betrieben wird, könnte es auf einem Lander betrieben werden, der zu einer gefrorenen Ozeanwelt wie dem Jupitermond Europa geschickt wird, wo das Fehlen beheizter Teile den zusätzlichen Vorteil hätte, dass flüchtige Materialien gesammelt werden könnten, ohne die Temperatur wesentlich zu beeinflussen von Proben. Es könnte etwa zwei Stunden Zeit und bis zu 30 % des täglichen Energiebudgets einer Mission freisetzen, die Mars-Rover wie Curiosity und Perseverance zum Aufwärmen ihrer Roboterarme aufwenden, damit ihre Zahnräder nicht in der Kälte strapaziert werden und brechen.
Der 2-Meter-Arm ist mit zwei handelsüblichen Kameras für 3D-Kartierung ausgestattet, die über denselben Bildsensor verfügen, der in die 13-Megapixel-Farbkamera eingebaut ist, die vom Ingenuity Mars Helicopter der NASA verwendet wird – eine von mehreren Technologien COLDArm passt sich dem kleinen Drehflügler an. Am Ende des Arms könnten verschiedene Aufsätze und kleine Instrumente angebracht werden, darunter eine 3D-gedruckte Titanschaufel zum Sammeln von Proben von der Oberfläche eines Himmelskörpers. Wie der Arm des Mars-Landers InSight der NASA könnte auch COLDArm Instrumente an die Oberfläche bringen.
Im vergangenen September führte COLDArm in einem JPL-Testbett, das mit Material gefüllt war, um Mondregolith (zerbrochenes Gestein und Staub auf dem Mond) zu simulieren, erfolgreich Experimente durch, die seine Fähigkeit bewerteten, Daten über die Eigenschaften dieses Regoliths zu sammeln. Jetzt wurde COLDArm weitergeschickt, um dieselben strengen Tests unter weltraumähnlichen Bedingungen durchzuführen, denen jede Mission ausgesetzt ist. Es strebt einen Start Ende der 2020er Jahre an.
Warum funktioniert COLDarm?
Mehrere neue Schlüsseltechnologien ermöglichen es dem COLDArm-System, in extremen Umgebungen zu funktionieren. Erstens verwendet der Arm Zahnräder aus massivem metallischem Glas, einem massiven metallischen Material mit einer einzigartigen Zusammensetzung und Struktur, die es härter als Keramik und doppelt so stark wie Stahl macht, mit besseren elastischen Eigenschaften als beide. Diese Zahnräder benötigen keine Schmierung oder Erwärmung, um bei Kälte zu funktionieren.
Da die kalten Motorsteuerungen des Arms nicht in einer Elektronikbox in der Nähe des Kerns des Raumfahrzeugs warm gehalten werden müssen, können sie näher an den wissenschaftlichen Instrumenten installiert werden, was keine Isolierung und weniger schwere Verkabelung erfordert.
Und ein Sensor, der in das „Handgelenk“ des COLDArm eingebettet ist, gibt dem Arm Feedback, sodass er in alle Richtungen „fühlen“ kann, was er tut, wie ein Mensch, der mit einem Schlüssel in ein Schlüsselloch wackelt und das Schloss dreht. Dieses Gerät, das als sechsachsiger Kraft-Drehmoment-Sensor bezeichnet wird, kann auch bei extremer Kälte betrieben werden.
Neben der Verwendung von Kameras, die für den kommerziellen Einsatz entwickelt wurden, nutzt COLDArm andere Technologien, die sich an Bord von Ingenuity bewährt haben: einen leistungsstarken Prozessor, der denen ähnelt, die in Consumer-Smartphones verwendet werden, und eine Open-Source-Flugsoftware namens F Prime, die von JPL entwickelt wurde. Wie der Marshubschrauber könnte COLDArm autonom operieren, Aufgaben ausführen und Bilder und Sensordaten sammeln, ohne Echtzeiteingaben von Missionscontrollern auf der Erde.
Motiv Space Systems, ein Partner von COLDArm, entwickelte die kalten Motorsteuerungen und baute auch Teile des Arms und montierte ihn aus von JPL gelieferten Teilen im Werk des Unternehmens in Pasadena, Kalifornien.