Die DLR-Kom­po­nen­ten der AR­CHES-De­mo­mis­si­on „Space“

Der Rover LRU 2 des DLR bei der ARCHES-Weltraumsimulation auf dem Ätna
Der Ro­ver LRU 2 des DLR bei der AR­CHES-Welt­raum­si­mu­la­ti­on auf dem Ät­na
Bild 1/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Der Rover LRU 2 des DLR bei der ARCHES-Weltraumsimulation auf dem Ätna

Der Ro­ver LRU (Light­weight Ro­ver Unit) bei ei­nem ganz un­ge­wöhn­li­chen Au­ßen­test auf dem Ät­na. Um Missi­onss­ze­na­ri­en zur ro­bo­ti­schen Ex­plo­ra­ti­on vor dem Auf­bruch zu Mond oder Mars auf der Er­de zu er­pro­ben, su­chen Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler Or­te, die den Be­din­gun­gen auf ei­nem frem­den Him­mels­kör­per mög­lichst na­he­kom­men. Vom 13. Ju­ni bis 9. Ju­li 2022 wird der Ät­na auf der ita­lie­ni­schen In­sel Si­zi­li­en zum „Qua­si-Mond“, denn die Vulk­an­land­schaft mit ih­rer gra­nu­la­ren Ober­flä­che und er­starr­ten La­va­schich­ten äh­nelt der geo­lo­gi­schen Be­schaf­fen­heit des Erdtra­ban­ten. AR­CHES steht für „Au­to­no­mous Ro­bo­tic Net­works to Help Mo­dern So­cie­ties“. For­schen­de nut­zen die un­wirt­li­che Um­ge­bung des Ät­na als „Mond-Ana­log“. Meh­re­re Ro­ver, ein Lan­der und ei­ne Droh­ne ar­bei­ten zu­sam­men, er­kun­den ih­re Um­ge­bung und er­fül­len Auf­ga­ben.
DLR-Flugroboter ARDEA
DLR-Flug­ro­bo­ter AR­DEA
Bild 2/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

DLR-Flugroboter ARDEA

AR­DEA ist ein "Mi­cro Ae­ri­al Ve­hic­le", wel­ches von Grund auf am DLR ent­wi­ckelt wur­de. Es misst 68x68x30 Zen­ti­me­ter un wiegt 2,4 Ki­lo­gramm. Zu den Haupt­auf­ga­ben des Mul­ti­ko­pters zählt die Ex­plo­ra­ti­on von un­be­kann­ten Um­ge­bun­gen und die Hil­fe­stel­lung von Ret­tungs­teams in Ka­ta­stro­phen­ge­bie­ten.
DLR-Rover Scout
DLR-Ro­ver Scout
Bild 3/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

DLR-Rover Scout

Der DLR-Ro­ver Scout wur­de für pla­ne­ta­re Ex­plo­ra­tio­nen und Ein­sät­ze in schwer zu­gäng­li­chen Ge­bie­ten auf der Er­de ent­wi­ckelt. Da­zu muss er ex­trem be­weg­lich und ro­bust sein. Das Sys­tem ist feh­ler­to­le­rant ge­gen­über Mo­to­r­aus­fäl­len oder me­cha­ni­schem Ver­sa­gen. Scout kann auch Kopf­über fah­ren und über­lebt Stür­ze aus mehr als 1,5 Me­ter Hö­he.

Der Kundschafter: ARDEA

Bei der Kartierung des Einsatzgebietes spielt das vom DLR entwickelte Micro Aerial Vehicle ARDEA die Hauptrolle – eine Drohne, die kompakt ist, sehr langsam fliegen kann und über eine große Onboard-Rechenkapazität verfügt. Bei Einsätzen auf Planeten, die eine Atmosphäre besitzen, könnte sie – wie am Ätna – von Rotoren angetrieben werden. Bei einer möglichen Mondmission kämen stattdessen Steuerdüsen zum Einsatz. ARDEA vefügt über zwei Kameras, je eine eine für Rundumsicht und für Tiefendaten. Die Drohne verarbeitet die gewonnenen Daten während des Fluges für die eigene Navigation und tauscht sie mit den Rovern sowie dem Kontrollzentrum aus. Bei ARCHES wird ARDEA vom Kontrollzentrum in Catania aus gesteuert. Bei einer realen Weltraummission soll dies durch Crewmitglieder, die sich in einem Orbiter oder einer Raumstation in der Umlaufbahn des Zielplaneten befinden, geschehen.

Der Wissenschaftler: LRU1

Auch die beiden Lightweight Rover Units (LRU) des DLR, die bei der ARCHES-Weltraumsimulation zum Einsatz kommen, kartieren ihre jeweilige Umgebung. Alle gesammelten Daten werden zu einer gemeinsamen Karte zusammengefügt. Durch die unterschiedlichen Sensoren und Blickwinkel der drei robotischen Einheiten ergibt sich ein genaues und zuverlässiges Gesamtbild, anhand dessen Gebiete eingegrenzt werden können, die wissenschaftlich interessant erscheinen. Verfeinert wird die Suche durch Aufnahmen von LRU1, der mit einer Thermal- und einer Teleobjektiv-Kamera sowie einer Spektralfilter-Kamera zur Eingrenzung bestimmter Frequenzbereiche elektromagnetischer Strahlung ausgestattet ist. LRU1 fährt bestimmte Objekte innerhalb des Interessengebietes an, fotografiert diese und sendet die Bilddaten an die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Kontrollzentrum zur Analyse der Gesteinsbestandteile. Unterstützt wird er dabei von LRU2, der über einen WLAN-Repeater verfügt und somit sicherstellt, dass eine kontinuierliche Internetverbindung zwischen LRU1 und dem Kontrollzentrum besteht. Dieselbe Aufgabe erfüllt bei ARCHES ein weiterer DLR-Rover namens Scout für den Interact-Rover der ESA. Nach Auswertung der Bilder von LRU1 trifft das Kontrollzentrum die Entscheidung, wo genau Experimente platziert und Bodenproben entnommen werden sollen. Nun können die einzelnen Missionsszenarien abgearbeitet werden.

Der Assistent: LRU2

Die zweite mobile Einheit bei ARCHES ist der Rover LRU2. Genau wie LRU1 ist er mit Navigationskameras, einer Stereokamera und einer Farbkamera ausgerüstet. Darüber hinaus verfügt er über einen Arm sowie einen „Werkzeuggürtel“ mit einer Schaufel zur Entnahme von Sand und einer Hand zur Entnahme und Bearbeitung von Steinen. Auch kann er eine Transportbox aufnehmen, in der Bodenproben, WLAN-Repeater oder Ausrüstung für die verschiedenen Experimentszenarien verstaut werden. Je nachdem, welches Experiment gerade durchgeführt wird, holt LRU2 die entsprechende Box bei der stationären Einheit, dem Lander, ab.

Die ARCHES-Experimente

Im Szenario „Proben sammeln“ fährt LRU2 nach entsprechendem Kommando des Kontrollzentrums zum Lander und holt sich dort eine leere Box ab. Anschließend sucht er sich einen sicheren Weg zum Zielgebiet, sammelt dort eine aus granualer Materie oder festem Gestein bestehende Probe ein und transportiert diese zurück zum Lander, von wo aus sie – bei einer realen Mission – zurück zur Erde gelangen und dort genauer untersucht werden kann.

Bei dem Szenario „LIBS“ geht es um die Bestimmung der Elemente einer Probe mit Hilfe eines laser-spektroskopischen Verfahrens. Dies ist eine Variante der Atomemissionsspektroskopie, die vergleichsweise einfach anwendbar ist. LIBS ist in eine Experimentbox integriert, die von LRU2 am Lander abgeholt und im Zielgebiet an einem Stein, der von Interesse ist, platziert wird. Dort kommt der Laser aus einer Entfernung von weniger als zehn Zentimetern zum Einsatz. Bei der Verdampfung des Gesteinsmaterials entsteht ein Plasma, an dem eine Spektralanalyse durchgeführt wird und deren Ergebnis an das Kontrollzentrum zur Bestimmung der Zusammensetzung übermittelt wird.

Die Suche nach Leben außerhalb der Erde ist Gegenstand des Szenarios LOFAR (Low Frequency Array). Im Rahmen von ARCHES wird die Platzierung der Experiment-Hardware, die bei einer zukünftigen Mondmission zum Einsatz kommen kann, getestet: Auf der erdabgewandten Seite des Mondes sollen zusammengeschlossene Teleskop-Einheiten großflächig angeordnet werden und den Radiobereich des elektromagnetischen Spektrums nach möglichen Anzeichen von intelligenten extraterrestrischen Zivilisationen durchscannen. Bei der Analogmission am Ätna ist es Aufgabe von LRU2, sechs Boxen mit jeweils einer LOFAR-Antenne in Form einer einfach gebauten Drahtpyramide entsprechend dem Muster, das später auf der Mondoberfläche angewandt wird, zu verteilen.

Im Projekt ARCHES arbeiten das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zusammen an der Weltraum-Analogmission. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ist hier Partner. An der Tiefsee-Analogmission in Regie der Helmholtz-Zentren für Polar- und Meeresforschung (Alfred-Wegener-Institut , AWI) sowie für Ozeanforschung (GEOMAR) ist das DLR ebenfalls beteiligt. Die Erkenntnisse werden unter allen Partnern ausgetauscht und sollen unabhängig vom jeweiligen Einsatzszenario nutzbar gemacht werden. Dies gilt sowohl für die Hardware als auch für die gemeinsame Analyse und Interpretation von Daten durch die Roboter des Netzwerks sowie deren Interaktion mit dem Menschen.

Kontakt
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