Stromer für das Weltall

Per Raketenantrieb geht es ins All. Aber für die Fortbewegen auf dem Mond oder Mars setzen Wissenschaftler und Astronauten beim Fuhrpark fern der Erde seit 60 Jahren auf Elektromobilität.

Der Weltraum fasziniert seit jeher die Menschheit. Themen wie Weltraumtourismus, eine permanente Mondstation und eine bemannte Mission auf den Mars sind in Planung. Die Anforderungen an Technologien sind immens. Da ist zunächst einmal das Vakuum des Weltalls, das alle physikalischen Gesetze der Erde auf den Kopf stellt. Oder die kosmische Strahlung, die auf Dauer für den Menschen schädlich ist. Hinzu kommen extreme Temperaturen. Raumfahrt ist Ingenieurskunst der Superlative. Gleichzeitig ist sie eine Frage nach dem richtigen Antrieb. Wenn Astronauten oder autonome Fahrzeuge auf dem Erdtrabanten oder fremden Planeten sicher von A nach B kommen wollen, ist der Anforderungskatalog lang. Sie müssen vakuumtauglich sein und enormen mechanischen Belastungen standhalten. Die NASA sah für die Apollo-Missionen eine Batterieantrieb vor. Und so wurde der allererste bemannte Rover für den Bodeneinsatz ein Elektrofahrzeug.

Lunar Rover Vehicle im Einsatz - Copyright: National Aeronautics and Space Administration
Lunar Rover Vehicle im Einsatz - Copyright: National Aeronautics and Space Administration

Lunar Roving Vehicle – erstes Elektromobil für das All

Nachdem Neil Armstrong am 21. Juli 1969 als erster Mensch den Mond betrat, düsten die Astronauten der NASA zwei Jahre später schon in Fahrzeugen über den Mond. Bei der Apollo-15-Mission hatten die Amerikaner das Lunar Roving Vehicle mit im Gepäck. Stückpreis: 9,5 Millionen US-Dollar bei einer Entwicklungszeit von gerade einmal 17 Monaten. Das Buggy-ähnliche Vehikel vergrößerte den Aktionsradius der Besatzung am Boden erheblich. Der Zweisitzer mit Allradantrieb durfte daher nicht viel wiegen, weshalb für die Karosserie Aluminium zum Einsatz kam. Da für den Rover in der Mondlandefähre kein Platz vorgesehen war, entwickelten Ingenieure von Boeing und General Motors kurzerhand ein zusammenklappbares Fahrgestell. Die Reifen wurden während des Transports angewinkelt. Einmal auf dem Mond gelandet, war das Gefährt in einer halben Stunde vollständig einsatzfähig. Der Fahrer steuerte das Mondauto über einen Joystick. Dank einem Navigationssystem mittels Gyroskop und Kilometerzähler konnten die Astronauten nicht die Orientierung verlieren.

Geschwindigkeitsrekord auf dem Mond

Herzstück waren zwei nicht wieder aufladbare 36-Volt-Batterien von Varta aus Silberoxid-Zink-Zellen. Diese versorgten das Bordnetz, die Achsen und die vier Radnabenmotoren mit einer Leistung von gerade mal 0,25 PS mit Strom. Wäre eine der beiden Batterien ausgefallen, hätte jeweils die andere die Aufgaben übernommen. Die Höchstgeschwindigkeit erreichte Apollo-17-Astronaut Eugene Cernan mit 18 km/h – Geschwindigkeitsrekord auf einem anderen Himmelskörper. Viel wichtiger als Topspeed war aber das Thermomanagement mit einer Hightech-Isolierung, denn je nach Position kann es im direkten Sonnenlicht bis zu 130 Grad Celsius heiß werden, im Dunkeln bis zu -160 Grad Celsius. Die drei Lunar Rover der Apollo-Missionen 15, 16 und 17 legten insgesamt 90 Kilometer zurück. Sie alle blieben nach ihrem Einsatz auf dem Mond zurück und gelten immer noch als fahrtüchtig. Lediglich die Batterien müssten ausgetauscht werden. Das vierte produzierte Fahrzeug wurde von der NASA als Ersatzteillager genutzt, nachdem das Raumfahrtprogramm eingestellt wurde.

Mission zum Mars

Die Oberfläche unseres Nachbarplaneten Mars ist wüst und mit Steinen sowie rötlichem Staub bedeckt. Eine unwirkliche Landschaft, absolut lebensfeindlich. Der NASA gelang 1976 die erste erfolgreiche Landung mit der Raumsonde Viking 1, die über sechs Jahre lang Bilder von der Marsoberfläche machte. Am 4. Juli 1997 landete die Pathfinder-Sonde mit dem Rover Sojourner. Das Fahrzeug war klein und nur rund zehn Kilogramm schwer. Fast drei Monate durchquerte er die sandige Landschaft und sendete Daten und Bilder an die Erde zurück – trotz Sandstürme und Temperaturschwankungen von -120 bis 25 Grad Celsius. Angetrieben wurde der fahrende Roboter von elf Gleichstrommotoren des Schweizer Motorenspezialisten Maxon. Und die Erforschung des roten Planeten hat in den letzten 20 Jahren riesige Fortschritte erzielt. Vom Erfolg der Sojourner-Mission angetrieben, schickte NASA die typengleichen Fahrzeuge Spirit und Opportunity zum Mars. Sie waren mit rund 180 Kilogramm Gesamtgewicht bedeutend größer als ihr Vorgänger. Die Rover waren nicht nur in der Lage, Fotos zu schießen, sondern auch dazu den Boden abzutasten und Gesteinsproben anzubohren. Pro Rover sind Präzisionsgetriebe mit einem Durchmesser von 20 und 25 Millimetern für den Antrieb der sechs Räder zuständig. Strom gewannen die Mars-Fahrzeuge dank Solarstrommodulen.

Perseverance: Ankunft jetzt für 2021 erwartet – Copyright: National Aeronautics and Space Administration
Perseverance: Ankunft jetzt für 2021 erwartet – Copyright: National Aeronautics and Space Administration

2012 schickte die US-Raumfahrtbehörde den fast eine Tonne schweren Rover Curiosity zum Mars. Anders als seine drei Vorgänger arbeitet das Gefährt mit Strom aus einer Radionuklid-Batterie. Diese wandelt thermische Energie, die beim Kernzerfall von Plutonium-238 entsteht, in etwas über 110 Watt elektrische Energie um. 14 Jahre soll die fast 50 Kilogramm schwere Batterie Strom liefern können. Zusätzlich sind zwei Lithium-Ionen-Batterien angeschlossen. Mit dem Perseverance-Rover wird voraussichtlich Februar 2021 der nächste Roboter mit E-Antrieb auf dem Mars landen. Wo genau er sich befindet, kann man hier lesen. An der Unterseite des Gefährts montiert ist eine Drohne. Diese ist solarbetrieben und wird Luftbilder schießen. Der Rover der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit dem Namen Rosalind Franklin sollte ursprünglich 2018 starten, doch die Exomars-Mission musste mehrfach verschoben werden. Nun soll die Reise 2022 losgehen, die Landung ist für ein Jahr später geplant. Verschiedenste Kombinationen von Antriebssystemen aus DC- und BLDC-Motoren und Getrieben sind für die Fortbewegung des Rovers zuständig.

Next Generation - Lunar Cruiser mit Brennstoffzellenantrieb

Toyota und die japanische Weltraumagentur JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) arbeiten gemeinsam an dem Rover-Mondfahrzeug Lunar Cruiser mit Brennstoffzellenantrieb. Trotz der geringeren Energie, die ihm zur Verfügung steht, soll der Rover auf dem Mond mehr als 10.000 km zurücklegen können. Ausklappbare Solarzellen sollen zusätzlich Strom liefern. Der Rover mit sechs Rädern soll 6 Meter lang, 5,2 Meter breit und 3,8 Meter hoch sein. Ein Wohnraummodul mit Druckkabine auf 13 Quadratmetern bietet Platz für zwei Astronauten. Im Notfall kann das Fahrzeug zwei weitere Passagiere aufnehmen.

Bis 2022 soll der erste Prototyp gebaut werden. Bis 2027 soll die Entwicklung abgeschlossen sein, zwei Jahre später die Mondlandung mit dem Rover erfolgen. Dabei wollen die Japaner mit der NASA kooperieren, die in den vergangenen Jahren zunehmend Partnerschaften mit Privatunternehmen schmiedet. Neben dem Mars soll auch der Planet Venus künftig mehr erforscht werden. Die extrem hohen Temperaturen von durchschnittlich über 400 Grad Celsius auf der Venus erschweren allerdings die Erforschung. Zudem ist der Druck in der Venus-Atmosphäre ungefähr so hoch wie in einer Meerestiefe von 900 Metern. Im Zuge eines Wettbewerbs hat die NASA Designentwürfe für die neue Rover-Generation gekürt. Von Mobilität im Weltall werden wir also noch einiges hören.

Auf der IAA 2021 steht innovative Mobilität in allen Facetten im Mittelpunkt. Intelligente Verkehrslösungen, visionäre Denkweisen, Automobil und gesamte Mobilitätskette. Alles was Mobilität von morgen formt und erlebbar macht. Seien Sie dabei!