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LUFT- UND RAUMFAHRTTECHNIK

Quelle: JPL/NASA
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Geheimnisse unter der Oberfläche – Pasimodo® simuliert Marsmission


Mit Hilfe von Inpartiks Software Pasimodo® wurde von den Forschern des DLR-Instituts für Systemdynamik und Regelungstechnik im Rahmen der Vorbereitung der NASA-Marsmission InSight das Einschlagen des HP3-Mole im Computer simuliert. Hierbei kam ein neuartiges, in Pasimodo® implementiertes Bodenmodell zum Einsatz. So konnte der Schlagmechanismus in einer Weise optimiert werden, dass der Einschlagvorgang mit insgesamt weniger als 2,5 Watt betrieben werden kann – eine angesichts der enormen Einschlagtiefe sensationell geringe Leistungsaufnahme.


Es wird eng auf der Erde. Die Bevölkerung wächst stetig und der Platz zum Leben und die nötigen Ressourcen könnten auf kurz oder lang knapp werden. Zum Glück findet sich nach astronomischen Maßstäben in direkter Nachbarschaft zur Erde ein Planet, der uns vielleicht eines Tages als Lebensraum dienen könnte. Die Rede ist vom Mars.

Auf den ersten Blick erscheint der rote Planet völlig ungeeignet für eine menschliche Besiedelung. Aufgrund seines im Vergleich zur Erde größeren Sonnenabstands ist es dort mit durchschnittlich -55°C deutlich kälter als auf der Erde. Auch mit guter Winterkleidung kann nur davon abgeraten werden, sich im Freien aufzuhalten, denn die Atmosphäre des Mars ist aufgrund ihrer Zusammensetzung für Menschen unverträglich und die starke UV-Strahlung lässt selbst das irdische Ozonloch alt aussehen. Mit nur etwa einem Drittel der Oberflächei) ist der Mars darüber hinaus im Vergleich deutlich kleiner als die Erde und hat deshalb auch eine geringere Schwerkraft.

Trotz aller Widrigkeiten handelt es sich bei den beschriebenen Bedingungen aber um die verträglichsten, die sich im weiten Umkreis auf einem Himmelskörper finden lassen. Denn das All ist v.a. eines: leer. Wie der Blick zum Nachthimmel belegt, gibt es zwar reichlich Sterne, möglicherweise auch mit erdähnlichen Planeten, diese sind aber nach menschlichen Maßstäben nahezu unerreichbar weit von uns entfernt. Auch im Vergleich zu seinen anderen Nachbarplaneten im irdischen Sonnensystem schneidet der Mars deutlich besser ab.

Bevor allerdings jemals eine Besiedelung oder auch nur eine bemannte Erforschung des Mars in Erwägung gezogen werden kann, müssen noch viele offene Fragen geklärt werden. Gibt es z.B. flüssiges Wasser auf unserem roten Nachbarn? Neben der Klärung solch populärer Fragen dient die Erforschung des Mars der Gewinnung von Informationen die uns helfen können, die Geologie unseres eigenen Planeten besser zu verstehen. Seit die Mariner-Sonden der 1960er Jahre die erste Fotos des roten Planeten zur Erde funkten, hat sich technologisch eine Menge getan. Mittlerweile wurden Erkundungsfahrzeuge auf der Planetenoberfläche abgesetzt und zwei dieser Rover, Opportunity1 und Curiosity2, liefern nach wie vor regelmäßig Bilder und Daten von ihren Erkundungsfahrten.

Neue Entdeckungen werfen aber auch meist neue Fragen auf. Deshalb steht bereits die nächste Marsmission der NASA in Kooperation mit JPS/Caltech in den Startlöchern. Demnächst wird die Mission InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport)3,4 zum Mars aufbrechen. Bei dieser Mission steht im Gegensatz zu den vorangegangenen mobilen Erkundungsmissionen besonders die Erforschung der geologischen Eigenschaften des Mars im Vordergrund. Die Untersuchung der Aufteilung in Kern, Mantel und Kruste sowie die genaue Bestimmung der Oberflächenwärmeabgabe sollen neue Erkenntnisse über die Entstehung des Planeten liefern.

Das Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) stellt das Heat Flow and Physical Properties Package (HP3)5, eines der beiden Hauptinstrumente der InSight Mission bereit. Hierbei handelt es sich um eine speziell entwickelte Wärmesonde (HP3-Mole). Diese hämmert sich selbständig fünf Meter tief in den Marsboden -eine größere Tiefe wurde niemals zuvor auf einem fremden Himmelskörper erreicht. Dabei werden in verschiedenen Tiefen Temperaturmessungen durchgeführt. Damit die Sonde diese verhältnismäßig große Tiefe erreichen kann, ist eine spezielle Konstruktion nötig. Sie erlaubt es, den Zentimeter dicken Messfühler mit äußerst begrenzter rein aus Solarenergie gewonnener Leistung in den Boden zu treiben. Wer einmal verschiedene handelsübliche Bohrhämmer verglichen hat, weiß, dass es konstruktionsbedingt große Unterschiede in der Effizienz solcher Hammermechanismen geben kann. Der HP3-Mole wurde deshalb von Forschern des DRL-Instituts für Systemdynamik und Regelungstechnik bzgl. seiner Form und dynamischen Abstimmung so optimiert, dass ein möglichst sicherer und energieeffizienter Vortrieb möglich ist.

Quelle: DLR-SR
Quelle: DLR-SR
Quelle: DLR-SR
Quelle: DLR-SR
Quelle: DLR-SR
 

Mit Hilfe von Inpartiks Software Pasimodo® wurde von den Forschern des DLR-Instituts für Systemdynamik und Regelungstechnik das Einschlagen des HP3-Mole im Computer simuliert. Hierbei kam ein neuartiges, in Pasimodo® implementiertes Bodenmodell zum Einsatz. So konnte der Schlagmechanismus in einer Weise optimiert werden, dass der Einschlagvorgang mit insgesamt weniger als 2,5 Watt betrieben werden kann – eine angesichts der enormen Einschlagtiefe sensationell geringe Leistungsaufnahme. Gleichzeitig konnte mit Hilfe der Optimierung die Anzahl der benötigten Schläge gesenkt werden.

 

Inpartik wünscht der InSight-Mission und besonders dem HP3-Package einen guten Start und einen erfolgreichen Missionsverlauf!

 

Zu den NASA-Projektseiten: http://insight.jpl.nasa.gov

Zu den DLR-Projektseiten: http://www.dlr.de/rmc/sr/desktopdefault.aspx/tabid-8178/


i) Die im Vergleich kleinere Oberfläche wird allerdings dadurch ausgeglichen, dass nur ein Bruchteil der 30% der Erdoberfläche, die nicht von Wasser bedeckt sind, als bewohnbar angesehen werden können. Der Mars hingegen hat bekannter Maßen keine Ozeane und steht zumindest unter diesem Gesichtspunkt gar nicht so schlecht da.

1) NASA/JPL: MER Rover Homepage (Opportunity); http://mars.nasa.gov/mer

2) NASA/JPL: MSL Rover Homepage (Curiosity); http://mars.nasa.gov/msl/

3) W.B. Barnerdt et al.: INSIGHT: A discovery mission to explore the interior of Mars, in 44th Lunar and Planetary Science Conference, Texas, USA, 2013

4) NASA/JPL: NASA InSight Homepage, http://insight.jpl.nasa.gov

5) T. Spohn et al.: Measuring the Martian Heat Flow using the Heat Flow and Physical Properties Package (HP3); in 45th Lunar and Planetary Science Conference, 2014

6) R. Lichtenheldt; B. Schäfer; O. Krömer: Hammering beneath the surface of Mars - modeling and simulation of the impact-driven locomotion of the HP 3 -Mole by coupling enhanced multi-body dynamics and discrete element method, In Prodeedings: Shaping the future by engineering : 58th IWK, Ilmenau Scientific Colloquium, Technische Universität Ilmenau, 8 - 12 September 2014


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