Wie der Mars Curiosity Rover funktioniert

Move over, Spirit and Opportunity: Ab August 2012 gibt es einen neuen Mars-Rover auf dem Planeten. Mit seinem Allradantrieb, dem Rocker-Bogie- Aufhängungssystem und den am Mast montierten Kameras ähnelt er seinen ehrwürdigen Vorgängern, aber nur in der Art und Weise Ein Pickup ähnelt einem Humvee . Wir sprechen über einen nuklearbetriebenen , laserbeladenen Monstertruck der Wissenschaft, komplett mit Raketenpaket – ein Schnäppchen von 2,5 Milliarden Dollar (einschließlich Steuern, Titel, Docking- und Frachtgebühren).

Das Mars Science Laboratory , auch bekannt als Curiosity , dominiert den Mars-Rover-Showroom und ist doppelt so lang (ca. 10 Fuß oder 3 Meter) und fünfmal so schwer (1.982 Pfund oder 899 Kilogramm) wie die Rekordmodelle der NASA von 2003 , Geist und Gelegenheit. Es ist geländetauglich, ohne zu sperrende Naben (und niemand, der sie sperrt). Sechs 20 Zoll (51 Zentimeter) große Aluminiumräder rasen über Hindernisse, die sich einer Höhe von 30 Zoll (75 Zentimeter) nähern, und überwinden 200 Meter (660 Fuß) pro Tag auf Marsgelände.

Meine Damen und Herren, die Curiosity 2011 enthält mehr Gadgets als ein Ronco-Lagerhaus – alles von Ausrüstung zum Sammeln von Erd- und Gesteinspulverproben über Siebe zum Vorbereiten und Sortieren bis hin zu Bordinstrumenten für deren Analyse. Der Laser von Curiosity ist ein abstimmbares Spektrometer, das entwickelt wurde, um organische (kohlenstoffhaltige) Verbindungen zu identifizieren und die Isotopenverhältnisse von Schlüsselelementen zu bestimmen. Das Beste ist, dass das bewährte Atomkraftsystem, das seit langem in Satelliten , Raumfahrzeugen und Mondausrüstung an Bord der Apollo-Missionen eingesetzt wird, Sie garantiert nicht in einem Sandsturm stranden lässt.

Ja, in der Tat, die NASA kehrte für dieses Projekt zum Reißbrett zurück und erfand eine fraktalähnliche Anordnung, um die feinste Auswahl an kompakten wissenschaftlichen Geräten auf kleinstem Raum unterzubringen. Aber nehmen Sie uns nicht beim Wort: Fragen Sie Rob Manning, Chefingenieur für Flugsysteme am Jet Propulsion Laboratory, der es als „bei weitem das komplexeste Ding bezeichnet, das wir je gebaut haben“ [Quelle: JPL ].

Für den bisher ehrgeizigsten Rover der NASA wurden keine Mühen gescheut. Dieses Arbeitstier wird mehr wissenschaftliche Forschung an Bord durchführen und dabei eine größere Auswahl an Laborinstrumenten und Sensoren verwenden als jedes frühere Marsmodell. Bestellen Sie noch heute, und die NASA liefert es bis zu einem Umkreis von 20 km (12 Meilen) um Ihre Haustür (es gelten einige Einschränkungen; die Tür muss sich innerhalb eines Liefergebiets von 250 Millionen Meilen (402 Millionen Kilometer) befinden). Ihr Rover wird präziser landen und raueres Gelände bedecken als jeder andere, und er wird die bisher besten Chancen haben, die Geschichte des Wasserflusses und die Möglichkeit alter bewohnbarer Umgebungen auf dem Mars festzuhalten. Ja, wenn das Magazin Motor Trend eine Kategorie für Weltraumbuggys hätte, würde Curiosity zweifellos zum Rover des Jahres gekürt werden.

Warum lassen Sie uns Ihre Schlüssel nicht behalten, während Sie damit eine Probefahrt machen?

1. Vom Bauplan zum Bullet
2. Ein geräuschloser, geduldiger Rover
3. Nicht standardmäßige Ausrüstung
4. Weltraumlastwagen

Jahrelanges Testen, Entwickeln und Einbauen von Fehlertoleranzen gipfelten am 26. November 2011 um 10:02 Uhr EST, als das Mars Science Laboratory (MSL) von der Cape Canaveral Air Force Station an Bord einer Atlas V-Rakete startete. Es landete am 6. August 2012 um 1:32 Uhr EDT erfolgreich auf dem Mars.

Bevor Curiosity in seine Hülle geladen wurde, unterzogen Ingenieure den Rover einer strengen Reihe von Tests, bei denen sowohl interne Fehler als auch externe Probleme simuliert wurden, Bestrafungen, die Zentrifugen, Falltests, Zugtests, Fahrtests, Belastungstests, Belastungstests und Tests von Kurzschlüssen umfassten [ Quelle: JPL ].

In der Zwischenzeit musste die NASA entscheiden, wo der neue Rover erkunden würde, wie er dorthin gelangen und wie die Weltraumbehörde ihn sicher landen könnte – leichter gesagt als getan.

Erde und Mars drehen sich unterschiedlich schnell um die Sonne – 686,98 Erdtage für den Mars gegenüber 365,26 für die Erde – was bedeutet, dass ihre relative Entfernung enorm variiert. Den Mars mit so wenig Treibstoff wie möglich zu erreichen, bedeutete, zu starten, wenn der rote Planet uns am nächsten kommt [Quelle: NASA ]. Dies war keine unbedeutende Überlegung: Der Mars schwingt sich an seinem äußersten Ende (249,3 Millionen Meilen oder 401,3 Millionen Kilometer) mehr als siebenmal so weit von der Erde weg wie bei seiner nächsten Annäherung (34,6 Millionen Meilen oder 55,7 Millionen Kilometer) [Quelle: Williams ].

Wie ein Quarterback, der einen Pass wirft, zielte das Startsystem nicht darauf, wo der Mars war, sondern darauf, wo er sein würde, wenn das Raumschiff ankam. Die NASA warf diesen Pass, und der Rover-Fußball erreichte seinen runden und roten Empfänger mehr als 250 Tage später und landete am Sonntag, dem 6. August 2012 (Eastern Daylight Time).

Die NASA hat MSL jedoch nicht von der Erdoberfläche "geworfen"; die Agentur startete es aus der Planetenumlaufbahn. So geht's: Als das Hubfahrzeug von Cape Canaveral aus den Weltraum erreichte, öffnete sich sein Nasenkonus oder seine Verkleidung wie eine Muschel und fiel zusammen mit der ersten Stufe der Rakete weg, die abschnitt und in den Atlantischen Ozean stürzte. Die zweite Stufe, ein Centaur-Triebwerk, schaltete sich dann ein und brachte das Fahrzeug in eine Parkbahn. Sobald alles richtig ausgerichtet war, startete die Rakete eine zweite Zündung und beförderte das Raumschiff in Richtung Mars.

Etwa 44 Minuten nach dem Start trennte sich MSL von seiner Rakete und begann mit der Erde zu kommunizieren. Als es seinen Weg fortsetzte, nahm es gelegentlich geplante Kurskorrekturen vor.

Sobald es die Marsatmosphäre erreichte, fing der Spaß erst richtig an.

Der Gale-Krater

Curiosity begann seine Reise mit der Erkundung von Gale, einem Einschlagskrater zwischen dem südlichen Hochland und dem nördlichen Tiefland des Mars. Mit einem Durchmesser von 96 Meilen (154 Kilometer) erstreckt sich Gale über eine Fläche, die Connecticut und Rhode Island zusammen entspricht.

Innerhalb des Mars , der sich höher erhebt als der Mount Rainier über Seattle thront, erhebt sich ein 5 Kilometer hoher Sedimentberg. Bestehend aus Schichten von Mineralien und Böden – einschließlich Ton und Sulfaten, die auf eine wässrige Geschichte hindeuten – werden diese Schichten eine unschätzbare Karte der geologischen Geschichte des Mars liefern [Quellen: Siceloff ; Zubritsky ].

Früheres Wasser wäre in Richtung Gales Tiefland geflossen und dort gesammelt worden, was es zu einem wahrscheinlichen Aufbewahrungsort für die Überreste von Bächen, Tümpeln und Seen und daher zu einem idealen Ort macht, um Beweise für die frühere Bewohnbarkeit des Mars zu finden.

Wie Walt Whitmans „geräuschlose, geduldige Spinne“ wird Curiosity eines Tages isoliert auf einer Landzunge stehen und Daten zurücksenden, anhand derer ihre Missionskontrolleure entscheiden, „wie sie die leere, weite Umgebung erkunden“. Seine spinnenartige Ähnlichkeit endet jedoch nicht mit poetischer Freiheit oder sogar seinen dürren, gegliederten Beinen; es reicht bis zur spinnenartigen Landung des Rovers auf der Marsoberfläche.

Bevor wir das jedoch enträtseln, werfen wir einen Blick auf den raketengestützten Sprung, den das Fahrzeug machte, als es zum ersten Mal den Mars erreichte.

Als die Raumsonde mit Curiosity 78 Meilen (125 Kilometer) über dem Boden in die Marsatmosphäre einschwenkte, steuerte und bremste sie durch eine Reihe von S-Kurven, wie sie von Raumfähren verwendet werden. In den Minuten vor dem Aufsetzen, etwa 11 Kilometer hoch, ließ das Fahrzeug einen Fallschirm platzen , um seinen Abstieg mit 1.448 km/h zu verlangsamen. Dann schleuderte es seinen Hitzeschild von der Unterseite des Kegels ab und schuf so einen Ausgang für Curiosity.

Der Rover, dessen Oberstufe wie ein Schildkrötenpanzer auf den Rücken geklemmt war, fiel aus dem Kegel. Wenige Augenblicke später erwachten die am Rand montierten Retro-Raketen der Oberstufe zum Leben und stabilisierten das Paar in einer schwebenden Position von etwa 20 Metern über der Oberfläche. Von hier aus fungierte die Oberstufe als Himmelskran, der Neugier wie eine Spinne auf Seide senkte. Sobald der Rover sicher am Boden war, wurde seine Leine durchtrennt und Curiosity machte sich auf den Weg [Quellen: NASA ; JPL ].

Kurz vor dem Aufsetzen nahm der Mars Descent Imager ein hochauflösendes Farbvideo der Landezone auf. Dieses Filmmaterial half bei der Landung und bot Forschern und Missionsspezialisten zu Hause eine Vogelperspektive des Erkundungsgebiets. Eine weitere Reihe von Instrumenten, die Mars Science Laboratory Entry, Descent and Landing Instrument Suite , wird atmosphärische Bedingungen und die Leistung von Raumfahrzeugen messen. Die NASA wird diese Daten bei der Planung und Gestaltung zukünftiger Missionen verwenden.

Das neuartige Landesystem war komplizierter, aber auch präziser gesteuert als jedes zuvor, und ermöglichte es Missionsplanern, das lang ersehnte Ziel Gale Crater ins Visier zu nehmen. Eine Landung innerhalb des 20 Kilometer (12 Meilen) großen Zielgebiets von Curiosity innerhalb des Kraters wäre für Spirit und Opportunity unmöglich gewesen, die fünfmal so viel Fläche benötigten, wenn sie in ihrer Luftpolsterfolie aus dem Weltraumzeitalter nach unten prallten. Dieser Erfolg eröffnete eine Reihe von begehrten Orten, darunter Krater mit steilen Wänden, die zuvor aufgrund ihres schwierigen Geländes gesperrt waren.

Neugier wird auch die Grundlage für zukünftige Missionen legen, so wie frühere Marsausflüge die Expedition des neuen Rovers ermöglicht haben. Solche Missionen könnten das Aufnehmen von Steinen und den Rückflug nach Hause oder die Durchführung weitreichenderer Oberflächenuntersuchungen umfassen, um nach Beweisen für das mikrobielle Leben auf dem Mars und seine wichtigsten chemischen Inhaltsstoffe zu suchen [Quelle: NASA ].

Nun, da wir sicher und gesund gelandet sind, werfen wir einen Blick darauf, welche Art von Ausrüstung standardmäßig mit dem Mars Science Laboratory-Paket geliefert wird.

Egal, ob Sie für einen zweiwöchigen Urlaub packen oder für eine wissenschaftliche Expedition in einer lebensfeindlichen Wüste, die Millionen von Kilometern entfernt ist, Lebensmittel zubereiten, das grundlegende Problem bleibt dasselbe:

Was mitbringen, was mitbringen ....

Im Gegensatz zu einem terrestrischen Touristen, der in den Laden an der Ecke gucken kann, um eine vergessene Zahnbürste zu ersetzen, ist Curiosity völlig auf sich allein gestellt. Wenn keine Reparaturmannschaft auf Abruf ist, keine Ersatzteile im Kofferraum und jedes Signal von der Erde etwa 14 Minuten (Stand: August 2012) braucht, um Sie zu erreichen, ist Eigenständigkeit alles, was Sie haben.

Neugier ist jedoch nicht auf dem Mars , um Sehenswürdigkeiten zu besichtigen. Es hat die Aufgabe, Gesteins- und Bodenproben zu sammeln und sie zur Analyse in Bordinstrumente zu legen. Vor diesem Hintergrund ist der Rover mit einem 2,1 Meter hohen Kameramast und einem 7 Fuß langen Roboterarm mit drei Gelenken ausgestattet, der mehr Zubehör als ein Industriestaubsauger bietet . Dieses Probenerfassungs-/Probenvorbereitungs- und -handhabungssystem schöpft, staubt, bohrt, pulverisiert, sammelt, sortiert, sieben und liefert Proben an eine Vielzahl von Analyseeinrichtungen [Quellen: JPL ; NASA ; Webster ]:

Curiosity's neck, or mast, is also decked out in instrumentation:

Beyond these sample-analysis instruments, the rover also packs scientific gadgets that will examine local conditions, which could prove relevant for future human missions or understanding the planet's capacity for supporting life:

Das ist eine beeindruckende Reihe von Luxusausstattungen, aber es wird der NASA nicht viel nützen, es sei denn, Curiosity hat es unter der Haube. Werfen wir einen Blick darauf, welche Kräfte dieser Welpe hat.

Der „Monster-Truck der Wissenschaft“ ist kein nitroverbrennendes, feuerspeiendes, lustiges Auto oder ein einfacher alter Verbrennungsmotor-Gasfresser . Es trägt auch nicht die Sonnenkollektoren , die Saft für seine Vorläufer erzeugten. Nein, bei dieser Mission wurde die NASA nuklear.

Neugier zieht Energie aus Plutoniumoxid. Wenn das Radioisotop zerfällt, gibt es Wärme ab, die der Rover mithilfe von Thermoelementen in Elektrizität umwandelt . Dieser Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) wird die Batterie des Rovers mit 110 Watt elektrischer Leistung auffüllen.

Das System ist leistungsstärker als das Solarsystem und hat keine beweglichen Teile, die kaputt gehen könnten, aber kann dieser Generator die guten alten Gallium-Arsenid-Paneele übertreffen? Immerhin war Spirit bis zum Frühjahr 2010 in Betrieb, und die eingefleischte Opportunity dreht immer noch ihren Kilometerzähler , nachdem sie 21 Meilen (34 Kilometer) bei 328 Fuß (100 Meter, ungefähr die Länge eines American-Football-Feldes) pro Tag zurückgelegt hat. Diese außergewöhnlichen Fahrzeuge haben ihre 90-Tage-Mission bei weitem übertroffen, teilweise aufgrund der kostenlosen, erneuerbaren Solarenergie.

Nuke die Atombombe noch nicht. Die 14-jährige Lebenserwartung des Radioisotopensystems könnte den Rover selbst überdauern und wird niemals den Launen des Marswetters, des Staubs oder des Winters zum Opfer fallen [Quelle: JPL ]. Außerdem ist die zusätzliche Leistung den Kompromiss wert: Curiosity wird mehr Boden zurücklegen als seine Vorgänger und ungefähr doppelt so schnell sein. In dem einzigen Marsjahr (ungefähr 687 Tage auf der Erde) seiner ersten Mission wird es 12 Meilen (19 Kilometer) im Krater Gale zurücklegen und eine wissenschaftliche Nutzlast tragen, die 10-15 mal größer ist als Spirit oder Opportunity. Strom bleibt die ganze Zeit verfügbar, ebenso wie überschüssige Wärme, die Curiosity verwenden wird, um seine lebenswichtigen Instrumente warm zu halten [Quelle: NASA ].

Curiosity dabei zu helfen, diese Pferdestärken effektiv zu nutzen, ist das alte und verbesserte Rover -Rocker-Bogie- Chassis der NASA (siehe Seitenleiste), eine Anordnung aus verbundenen Titanrohren, die an sechs Aluminiumrädern befestigt sind, die so dünn sind, dass sie sich wie Gummi biegen. Alle vier Eckräder können um 90 Grad gedreht werden, wodurch der Rover auf der Stelle drehen kann. Die Ingenieure haben die Aufhängung von Curiosity etwas verstärkt, um sie seiner neuen Rolle als Fahrwerk anzupassen und ein kräftigeres Fahrzeug aufzunehmen, das unwegsameres Gelände überqueren muss [Quellen: Harrington ; JPL ].

Kurz nach der Landung wird dieses Chassis den Rover zu seinem ersten Ziel tragen: einem Felsvorsprung mit dem Spitznamen „der Zaun“. Die NASA hat diesen Felsen ins Visier genommen, weil frühere Marsbeobachtungen gezeigt haben, dass er wässrige Ablagerungen enthält – Mineralien, die im Wasser gebildet werden. Von dort aus wird Curiosity in Schluchten, felsige Berghänge und Hügellandschaften vordringen, die an die roten Felsen von Sedona, Arizona, erinnern, die ebenfalls in einer wässrigen Umgebung entstanden sind. Bis dahin wird sein erstes Marsjahr vorbei sein.

Von dort aus taucht der Rover in felsigeres und raueres Gelände ein. Die Erkundung dieses Gebiets wird mehrere Jahre dauern, aber sobald sie überquert sind, werden die Kameras des Rovers mit einem Panorama des Weges behandelt, den Curiosity zurückgelegt hat [Quelle: NASA ].

Währenddessen wird das Mars Science Laboratory untersuchen, ob Bedingungen existieren oder jemals existiert haben, die mikrobielles Leben auf dem Mars unterstützen könnten, und ob Hinweise auf solches Leben in den Gesteinen und im Boden des Mars erhalten bleiben.

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Den Rocker-Bogie-Boogie machen

Curiosity verfügt über das gleiche Rocker-Bogie-Aufhängungssystem, das die früheren Mars-Rover Sojourner, Spirit und Opportunity über Hügel und Marstäler beförderte. Das System, das weder Achsen noch Federn verwendet, bleibt stabil, da sich jedes Rad unabhängig auf und ab bewegen kann. Dank der Mars-Schwerkraft und der cleveren Earthling-Technik hält der Rover alle sechs Räder passiv auf dem Boden und ständig unter Last, selbst wenn er Hindernisse von bis zu 75 Zentimetern überwindet. Dieses Kräftegleichgewicht sorgt für eine lebenswichtige Traktion, insbesondere in weichen, sandigen Umgebungen. Die flexible Aufhängung kann auch einen Teil der Neigung von Steigungen "absorbieren", wodurch der Rover waagerechter gehalten wird [Quellen: Harrington ; JPL ].

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