InSight-Forschungsplattform mit der Sensorik des „Maulwurfs“ im HP³-System. Die „Galaxie“-Federn schützen die empfindlichen Beschleunigungsaufnehmer. Die Abbildung basiert auf einer Grafik der NASA/JPL-Caltech.
Empfindliche Neigungssensorik mit montierten „Galaxie“-Federn (STATIL-System).
Adaptronik im Auto: Aktive, mit piezoelektrischen Aktoren (orange) ausgestattete „Galaxie“-Federn reduzieren störende Rückspiegelschwingungen.
Am 5. Mai 2018 wird die InSight-Marsmission aus dem NASA Discovery-Programm vom kalifornischen Vandenberg in Richtung Mars aufbrechen, um den Aufbau des Planeten zu untersuchen. Eines der Hauptbestandteile dieser Mission ist das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelte Heat Flow and Physical Properties Package (HP³), das mit einem elektromechanischen „Maulwurf“ ausgestattet ist. Dieser wird sich schlagend bis zu fünf Meter tief in den Marsboden vorarbeiten, um im Untergrund Informationen zum Thermalhaushalt des Planeten zu sammeln. Mit an Bord sind hocheffektive Systeme zur Stoß- und Schwingungsminimierung aus dem Braunschweiger DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik.
Schlagend ins Innere des Roten Planeten
Im Inneren der HP³-Wärmeflusssonde, dem „Maulwurf“, schlägt ein elektromechanisches Herz, das für den Vortrieb in das Innere des Planeten sorgt. Es erzeugt starke Stöße, sodass sich das Gerät selbstständig in den Boden vorarbeitet. Dabei zieht die Sonde Temperatursensoren auf einem fünf Meter langen Kabel mit in die Tiefe. „Diese Stöße erzeugen so hohe Beschleunigungen (bis zu 14.500 g), dass die empfindliche Messtechnik im Inneren der Sonde durch ein spezielles Stoßisolationssystem vor den auftretenden Belastungen geschützt werden muss“, erläutert Dr. Björn Kletz vom DLR aus Braunschweig. „Aufgabenstellungen wie diese passen genau in das Portfolio der Abteilung Adaptronik, die darüber hinaus auch an Fragestellungen zur Lärmreduktion und zu formvariablen Strukturen forscht.“
Neigungsbestimmung im Untergrund
Da die Sonde im Marsboden beispielsweise durch Steine abgelenkt werden kann, wird die Neigung des „Maulwurfs“ im Untergrund ständig durch das STATIL-System (STatic Acceleration and TILt) mit hochempfindlichen Beschleunigungssensoren überwacht. „Gerade diese Beschleunigungssensoren reagieren empfindlich auf die großen Belastungen, die beim Vortrieb in den Boden aber auch durch die Belastungen des Raketenstarts entstehen“, sagt Dr. Kletz. Das in Braunschweig entwickelte Isolationssystem entkoppelt diese Sensoren von den Stößen und minimiert die Belastungen der Sensorik beim Raketenstart. Hierfür kommen spezielle Doppelspiralfedern – auch „Galaxie“-Federn genannt – zum Einsatz. Sie sorgen einerseits dafür, dass das empfindliche STATIL-System geschützt wird, andererseits führen sie die Sensoren aber auch so präzise im Sondengehäuse, dass die Neigungsbestimmung weiterhin hochgenau möglich ist.
Technologietransfer von der Straße in den Weltraum
Die bei InSight eingesetzte Technologie basiert auf Patenten des DLR zur passiven und aktiven Schwingungsberuhigung, die unter anderem bei Fahrzeugspiegeln zum Einsatz kommt. Dort erhöhen diese neuen Maßnahmen die Sicherheit und die Funktionalität. Mittlerweile sind eine vollständig passive, eine semi-aktive und eine adaptive Variante verfügbar, in der piezokeramische Aktoren und adaptive Regler integriert sind. „Wir freuen uns, dass die Adaptronik nun auch auf dem Mars zum Einsatz kommt“, stimmen die beiden Erfinder Dr. Kletz und Prof. Jörg Melcher überein.