Wissenschaft im Weltraum: Roboterhelfer

Besatzungszeit ist eine wertvolle Ressource auf der Internationalen Raumstation und ihr Wert wird für zukünftige Weltraummissionen nur noch steigen. Eine Möglichkeit, die Besatzungszeit optimal zu nutzen, ist der Einsatz von Robotertechnologie, um Besatzungsmitglieder bei verschiedenen Aufgaben zu unterstützen oder andere vollständig zu automatisieren.

Eine aktuelle Untersuchung zur Raumstation, JEM Interne Ballkamera 2ist Teil der laufenden Bemühungen, diese Technologie weiterzuentwickeln. Die frei schwebende, ferngesteuerte Panoramakamera wurde 2018 zur Raumstation gebracht und diese Untersuchung der JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) demonstriert den Einsatz der Kamera zur autonomen Aufnahme von Videos und Fotos von Forschungsaktivitäten.

Derzeit wird den Besatzungsmitgliedern Zeit zugewiesen, Videos und Fotos von wissenschaftlichen Aktivitäten aufzunehmen, die wichtige Werkzeuge für Forscher sind. Eine erfolgreiche Demonstration der autonomen Erfassungstechnologie könnte letztendlich diese Besatzungszeit freisetzen. Die Untersuchung dient auch als Testplattform für andere Aufgaben, die Roboter möglicherweise ausführen.

Drei frei fliegende Roboter auf der Raumstation, genannt Astrobien, unterstützen zahlreiche Technologiedemonstrationen für verschiedene Arten der Roboterunterstützung bei Weltraumforschungsmissionen und auf der Erde. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen tragen zur Verbesserung der Robotertechnologie und ihres Potenzials bei.

Die SoundSee-Mission demonstriert die Verwendung von Schall zur Überwachung der Ausrüstung eines Raumfahrzeugs mit einem auf einem Astrobee montierten Sensor. Der Sensor erkennt Anomalien in den Geräuschen von Lebenserhaltungssystemen, Trainingsgeräten und anderer Infrastruktur. Tonanomalien können auf mögliche Fehlfunktionen hinweisen.

Vorläufige Ergebnisse dieser Untersuchung verdeutlichten den Unterschied zwischen Simulationen und Experimenten im Weltraum und stellten fest, dass kleine Änderungen in einer simulierten Umgebung Unterschiede in den erwarteten und beobachteten Werten in der Zielumgebung annähern können. Die Untersuchung trägt auch dazu bei, Schallquellen in der sich ständig verändernden akustischen Landschaft der Raumstation zu charakterisieren, was als Grundlage für den zukünftigen Einsatz dieser Technologie dienen kann.

Die Entwicklung von Robotern zum Überqueren der Mond- oder Marsoberfläche stellt besondere Herausforderungen dar. Die Landschaft kann rau und uneben sein, sodass ein Roboter zeitraubende Umwege machen muss, und dicker Regolith oder Staub kann einen Roboter blockieren und viel Treibstoff verbrauchen. Eine mögliche Lösung wäre, dass Roboter über solche Landschaften hüpfen.

Die Astrobatics-Untersuchung nutzt die Astrobees, um den Antrieb durch ein Hüpf- oder Selbstwurfmanöver mit armähnlichen Manipulatoren zu demonstrieren. Dieser Ansatz könnte die Fähigkeiten von Roboterfahrzeugen für Aufgaben wie die Unterstützung von Besatzungen bei Aktivitäten innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs, die Wartung von Ausrüstung, das Entfernen von Trümmern im Orbit, die Durchführung von Montagen im Orbit und Erkundungen erweitern. Die Ergebnisse zeigen, dass Selbstwurfmanöver einen größeren Bewegungsbereich haben und eine größere Verschiebung aus der Startposition ermöglichen.

Bei der von Geckos inspirierten Untersuchung zum selbstklebenden Greifen wurde ein Klebstoff für das robotergestützte Greifen und Manipulieren mithilfe eines speziellen Greifers an einem Astrobee getestet.

Geckos sind eine Echsenart, die eine glatte Oberfläche greifen kann, ohne dass sie sich an Merkmalen wie Kerben und Noppen festhalten müssen. Von diesen Reptilien inspirierte Klebegreifer, deren Funktionsfähigkeit bereits im Weltraum nachgewiesen wurde, könnten es Robotern ermöglichen, sich schnell an Oberflächen zu befestigen und von diesen zu lösen, selbst an Objekten, die sich bewegen oder drehen.

Die Forscher berichten, dass die Klebstoffe wie erwartet funktionierten, und schlugen einige Überlegungen für ihre zukünftige Verwendung vor, darunter die Einführung redundanter Klebefliesen und die Gewährleistung eines vollständigen Klebstoffkontakts in der Schwerelosigkeit. Darüber hinaus sollten die Gecko-Greifer bei Robotern, die für Aktivitäten innerhalb von Fahrzeugen oder Weltraumspaziergängen eingesetzt werden, in der Lage sein, kinetische Energie zu absorbieren und Fehlausrichtungen auszugleichen. Die Greifer benötigen außerdem Sensoren, um festzustellen, wann alle Fliesen Kontakt mit der Oberfläche haben, damit im richtigen Moment Spannung ausgeübt werden kann.

Zu den Weltraumschrott zählen Satelliten, die repariert oder aus der Umlaufbahn gebracht werden könnten. Viele dieser Objekte taumeln, was das Rendezvous und Andocken an sie zu einer Herausforderung macht. Die ROAM-Untersuchung nutzte Astrobees, um eine Technologie zu demonstrieren, mit der man beobachten kann, wie ein Ziel stürzt, und diese Informationen nutzen kann, um Wege zu planen, es sicher zu erreichen. Simulationsergebnisse bestätigten die Genauigkeit der Methode vor dem Experiment.

Eine frühere Robotertechnologie, SPHERES, nutzte kugelförmige Satelliten in der Größe einer Bowlingkugel, um Formationsflüge und Algorithmen zur Steuerung mehrerer Raumfahrzeuge zu testen sowie physikalische und materialwissenschaftliche Untersuchungen durchzuführen. Bei einer dieser Untersuchungen wurden autonome Rendezvous- und Andockmanöver getestet. Die Technologie war in der Lage, immer komplexere Szenarien zu bewältigen, die statische und sich bewegende Hindernisse hinzufügten.

Das Design eines früheren auf der Raumstation getesteten Roboters, Robonaut, ähnelte einem Menschen. Es hatte einen Rumpf, Arme mit menschenähnlichen Händen, einen Kopf und Beine mit Endeffektoren, die es ihm ermöglichten, sich innerhalb der Raumstation zu bewegen. Während er auf der Station war, legte Robonaut Schalter um, entfernte Staubschutzhüllen und reinigte die Handläufe.

Die ISAAC-Untersuchung vereinte Robonaut und die Astrobees, um eine Technologie zu demonstrieren, mit der man den Zustand von Erkundungsfahrzeugen verfolgen, Fracht transportieren und auspacken und auf Probleme wie Lecks und Brände reagieren kann.

Eine zweite Testphase an Bord der Station konzentriert sich auf die Steuerung mehrerer Roboter beim Transport von Fracht zwischen einer unbemannten Raumstation und einem besuchenden Frachtschiff. In der dritten und letzten Testphase wird das Team schwierigere Fehlerszenarien für die Roboter erstellen und robuste Techniken entwickeln, um auf Anomalien zu reagieren.

Diese und andere Robotik Untersuchungen tragen zum Erfolg künftiger Missionen bei, bei denen Roboter den Besatzungsmitgliedern bei einer Vielzahl von Aufgaben helfen, ihnen Zeit sparen und die Risiken bei der Arbeit außerhalb von Raumfahrzeugen und Lebensräumen verringern könnten. Roboterassistenten finden auch in rauen und gefährlichen Umgebungen auf der Erde wichtige Anwendungen.

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