Erster im Flug: Die NASA hat gerade bewiesen, dass Fliegen auf dem Mars möglich ist – als nächstes kommt das Sonnensystem

Stellen Sie sich die Szene vor: Eine kleine Drohne von der Größe eines Koffers taucht in eine dunkle Mars-Gletscherspalte ein – vielleicht eine Lavaröhre, die vor Milliarden von Jahren durch vulkanische Aktivitäten auf dem Roten Planeten entstanden ist. Die Drohne beleuchtet ihre Umgebung und zeichnet Ansichten auf, die noch nie zuvor von menschlichen Augen gesehen wurden, während ihre Instrumentensuite nach Anzeichen vergangener oder gegenwärtiger außerirdischer Biologie sucht. Nach Abschluss der Aufklärung fliegt die Drohne zurück zu einer Landezone an der Oberfläche, um unschätzbare Daten zur Erde zurückzusenden. Nachdem das Sonnenlicht des Mars aufgesaugt wurde, um seine Batterien wieder aufzuladen, setzt es seine Erkundung des Geländes fort, das für keine andere Maschine zugänglich ist.

Weit davon entfernt, ein ausgefallener Flug mit sternenklaren Augen zu sein, könnte eine solche Mission dank des durchschlagenden Erfolgs des Ingenuity-Drehflüglers der NASA, das manchmal als Hubschrauber oder Drohne bezeichnet wird, bald Realität werden – eine Technologiedemonstration, die in der Vergangenheit auf dem Mars stattgefunden hat einige Wochen. Diese kleine Maschine mit einem Gewicht von 1,8 Kilogramm, die vom NASA-Rover Perseverance, der am 18. Februar landete, auf den Planeten gebracht wurde, war der erste Versuch eines kontrollierten Luftfluges auf einer anderen Welt – mehr als ein Jahrhundert, nachdem dasselbe Kunststück auf der Erde gemeistert worden war von den Gebrüdern Wright. “Wir können jetzt sagen, dass Menschen ein Rover-Fahrzeug auf einem anderen Planeten geflogen haben”, sagte MiMi Aung, Projektmanagerin von Ingenuity im Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, in einer Rede vor ihrem Team von der Missionskontrolle nach dem erfolgreichen Erstflug 19. April. “Wir haben jetzt zusammen den Moment unserer Gebrüder Wright.”

Mit dem Erfolg von Ingenuity überlegen Weltraumwissenschaftler, welche Rolle Luftfahrzeuge bei unserer Erforschung des Sonnensystems spielen könnten. Nur wenige Welten besitzen die notwendigen Bedingungen für einen motorgetriebenen aerodynamischen Flug, nämlich eine Atmosphäre und eine felsige Oberfläche wie die des Mars oder der Erde, aber es gibt zwei weitere bemerkenswerte. „Die allgemeine Technik des Luftfluges ist auf Orte wie anwendbar [Saturn’s moon] Titan und Venus “, sagte Bob Balaram, Chefingenieur des Ingenuity-Teams, in einer Pressekonferenz nach dem ersten Flug. Die außerordentlich hohen Temperaturen und Drücke des letzteren stellen einige einzigartige Herausforderungen dar: „In der Nähe der Oberfläche ist es näher am Schwimmen“, sagt Paul Byrne, Planetologe an der North Carolina State University. Ein Flug dorthin ist jedoch nicht unmöglich, was 1985 durch die Vega-Ballons der Sowjetunion bewiesen wurde. Mit einem Drehflügler namens Dragonfly, der bereits entwickelt wurde, um Titan im nächsten Jahrzehnt zu besuchen und an einem konzeptionellen Nachfolger von Ingenuity weiterzuarbeiten, sieht die Zukunft für die Luft aus Erforschung fremder Welten. “Dies könnte der Beginn einer neuen Ära sein”, sagt Byrne.

Der erste Flug von Ingenuity von einem Landstreifen auf dem Jezero-Krater des Mars, der jetzt als “Wright Brothers Field” bezeichnet wird, war bescheiden, aber beeindruckend: Die Atmosphäre des Planeten ist unglaublich dünn, nur 1 Prozent der Erdatmosphäre, so dass es äußerst schwierig ist, Auftrieb zu erzeugen. “Es ähnelt der Erde in einer Höhe von etwa 100.000 Fuß über dem Boden”, sagt Ben Pipenberg, Ingenieur beim Verteidigungsunternehmen AeroVironment, der beim Bau von Ingenuity mitgewirkt hat. Während Perseverance aus sicherer Entfernung zusah, drehte Ingenuity seine Klingen mit 2.500 Umdrehungen pro Minute (U / min) auf eine Höhe von drei Metern, wo sie 30 Sekunden lang schwebte und eine 96-Grad-Drehung durchführte. Dann sank es zurück auf den Boden und landete auf seinen vier Beinen mit einer Gesamtflugzeit von 39,1 Sekunden.

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Von da an wurden die Dinge komplexer. Der zweite Flug dauerte 51,9 Sekunden und erreichte eine Höhe von fünf Metern. Und es beinhaltete eine seitliche Bewegung von ungefähr zwei Metern – etwas, das nicht in den Grenzen der Testkammer auf der Erde versucht wurde, in der Ingenuity zum ersten Mal unter simulierten Marsbedingungen flog. In Flug drei bewegte sich Ingenuity auf der halben Länge eines Fußballfeldes, etwa 50 Meter, und erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von nur mehr als zwei Metern pro Sekunde. Der vierte Flug am 30. April drückte erneut auf den Umschlag. Ingenuity blieb fast zwei Minuten (117 Sekunden) in der Luft und erreichte eine beeindruckende Geschwindigkeit von 3,5 Metern pro Sekunde, als er auf einer Rundreise eine potenzielle zukünftige Landezone erkundete von mehr als 260 Metern. Der fünfte Flug von Ingenuity, der am 7. Mai abgeschlossen wurde und ursprünglich als letzter geplant war, schickte ihn auf eine einfache Fahrt in die neue Landezone, um auf die Ankunft von Perseverance, seinem Mutterschiff, zu warten.

Jetzt tritt diese äußerst erfolgreiche Technologie-Demonstrationsdrohne in eine neue Phase ihrer Mission ein – eine Reihe von ehrgeizigeren Betriebstests für einen zweiten Monat. Diese Tests sollen zeigen, wie Drohnen in der Luft “eine aktive Rolle in einer zukünftigen Rover-Wissenschaftsmission spielen können”, sagt Dave Lavery, Programmmanager für Ingenuity am NASA-Hauptsitz in Washington, DC. Obwohl Ingenuity die wissenschaftlichen Ziele von Perseverance, nämlich die Suche nach Zeichen des vergangenen Lebens auf dem Mars, nicht direkt unterstützt, hilft es dabei, den potenziellen Weg des Rovers ausfindig zu machen, wenn das Team seinen optimalen Weg durch die Reichtümer des Jezero Crater plant oder sogar nahe gelegene Orte nicht fotografiert auf dem geplanten Weg des Rovers. Es besteht sogar eine geringe Chance, dass Ingenuity auch die spätere Mission des Rovers unterstützt, wenn er überlebt. “Wir könnten sehen, ob wir möglicherweise über den Rand des Kraters schauen”, sagt Lavery.

Es wurde viel darüber geschrieben, wie diese Fahrzeuge eines Tages menschliche Missionen unterstützen könnten, indem sie als Aufklärungsdrohnen für Menschen dienen, um interessierende Regionen in der Nähe eines Landeplatzes ausfindig zu machen oder Werkzeuge zwischen Orten zu transportieren. Kurzfristig zeichnen sich Aussichten auf eine aufregendere Roboterwissenschaft ab – vielleicht auf die gleiche Weise, wie der Sojourner-Rover von 1997, der selbst ein Prototyp der Erforschung auf Rädern und Teil der Pathfinder-Mission der NASA ist, den Weg für seine Nachfolger Spirit ebnete. Gelegenheit, Neugier und jetzt Ausdauer. “Ich denke, wir werden in Zukunft einige fliegende Fahrzeuge sehen”, sagt Michael Meyer, leitender Wissenschaftler des Mars-Explorationsprogramms der NASA am Hauptsitz der Agentur in Washington, DC Verwendung für die Erkundung. Es gibt Dinge, die Sie mit einem Hubschrauber tun können, die Sie mit anderen Plattformen nicht tun können. “

Beispiele hierfür sind die Erkundung der oben genannten Lavaröhren oder die Annäherung an Kraterwände – zu hoch und steil, als dass ein Rover sie hätte skalieren können -, wo ein Hubschrauber Bilder aufnehmen und auch eine Nahanalyse durchführen könnte. Ein anderes Beispiel könnte die Untersuchung von wiederkehrenden Hanglinien sein, dunklen Strömungen auf dem Mars, die möglicherweise mit flüssigem Wasser in Verbindung gebracht wurden, das an der Oberfläche fließt. Perverserweise ist es diese Möglichkeit von Wasser – und das damit verbundene Risiko einer Kontamination mit von der Erde importierten Bakterien -, die im Wesentlichen jedermann oder irgendetwas daran hindert, dort einen Fuß (oder ein Rad) zu setzen, um nach Zeichen des einheimischen Marslebens zu suchen. Aber eine schwebende Drohne könnte ohne Berührung aussehen und eine neuartige Erkundungsroute bieten. “Ein Drehflügler würde uns die Möglichkeit geben, etwas aus der Nähe zu betrachten, das wir sonst als nicht für einen Rover geeignet erachten”, sagt Byrne, “entweder wegen Planetenschutzproblemen oder weil es zu gefährlich ist.”

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Ein Konzept für ein mögliches Luftfahrzeug jenseits von Ingenuity wird bereits untersucht. Bekannt als der Mars Science Helicopter, würde dieser sechsblättrige Hexacopter fast 30 Kilogramm wiegen. Und es wäre mit Instrumenten im Wert von mehreren Kilogramm ausgestattet, um verschiedene Regionen der Marsoberfläche zu analysieren, und hätte die Fähigkeit, über mehrere Kilometer hinweg minutenlang zu fliegen. “Wir versuchen, von Ingenuity zu lernen und uns zu fragen: Was können wir erreichen, wenn wir es weiter vorantreiben?”, Sagt Theodore Tzanetos von JPL, der Teil des Konzeptteams von Mars Science Helicopter ist. Die Wissenschaft, die sich solche Eigenschaften leisten würden, wäre enorm und würde große Teile der Marsoberfläche plötzlich in Reichweite bringen. Der aktuelle Entfernungsrekord auf dem Mars wird vom Opportunity Rover der NASA gehalten, der in etwas mehr als 11 Jahren mehr als 42 Kilometer zurückgelegt hat. Ein Hubschrauber könnte das gleiche in Wochen erreichen.

Andere Ideen beinhalten die Verwendung von Drehflüglern, um Untersuchungen von freiliegendem Wassereis in Regionen der Marsoberfläche durchzuführen, die für Rover unzugänglich sind. Drohnen könnten in Mars-Täler wie das zwei Kilometer tiefe Mawrth Vallis eintauchen und nach Hinweisen auf astrobiologische Tone suchen oder Instrumente verwenden, um den Unterlauf der Marsatmosphäre zu untersuchen, sagt Shannah Withrow-Maser, das Fahrzeugsystem des Mars Science Helicopter Leitung am Ames Research Center der NASA in Kalifornien. Und dies alles könnte entweder zusammen mit einer größeren Rover-Mission oder als kostengünstigere und viel leichtere Standalone-Mission erfolgen, um eine breitere Erkundung einer Vielzahl von Marsgebieten zu ermöglichen. “Ich persönlich würde das lieben”, sagt Withrow-Maser.

An anderen Stellen im Sonnensystem sind die Flugoptionen eingeschränkter. Man könnte sich ein Drehflügler in der Atmosphäre eines der Gasriesen wie Jupiter oder Saturn vorstellen, wo theoretisch ein Flug möglich wäre. Aber tatsächlich dorthin zu gelangen, wäre ein Problem. “Das Problem ist natürlich die Verlangsamung und die Menge an Energie, die bei der Ankunft auf dem Planeten benötigt würde”, sagt Byrne. Aber Titan, Saturns faszinierender Mond mit einer unglaublich dichten Atmosphäre und Kohlenwasserstoffseen auf seiner Oberfläche, ist eine sehr verlockende Aussicht. 2019 wählte die NASA eine Mission aus, die versuchen sollte, das Drehflügler Dragonfly auf dem Mond einzusetzen. Dragonfly soll bereits 2026 starten und 2034 eintreffen Das Team hat die Erfolge von Ingenuity sehr genau beobachtet.

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“Wir haben mit großem Interesse verfolgt”, sagt Elizabeth Turtle, Leiterin der Libellenmission am Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University. “Wir sind sehr gespannt, welche Lektionen wir für Dragonfly übernehmen können.” Wie Ingenuity wird Dragonfly autonom fliegen und daher ähnliche Bildverarbeitungsfunktionen an Bord nutzen, um zu entscheiden, wo auf der Titanian-Oberfläche gelandet werden soll. (Ingenuity führt eine Geländekartierung durch, indem 30 Bilder des Bodens pro Sekunde aufgenommen werden.) Aber Dragonfly ist im Vergleich zu Ingenuity ein Mammut, wiegt fast eine halbe Tonne und wird mit Plutonium betrieben. Und es ist eher eine eigenständige Mission als eine Fahrt wie Ingenuity. „Es ist wie Ausdauer [in scale], außer wir fliegen anstatt über die Oberfläche zu fahren “, sagt Turtle.

Obwohl Titan eine viel weiter entfernte fremde Welt als der Mars ist – mit einer leichten Reisezeit von der Erde von ungefähr einer Stunde im Vergleich zu bis zu 20 Minuten für den Roten Planeten – ist der Flug dort relativ einfacher. Die Schwerkraft des Titanen beträgt nur 14 Prozent der der Erde und viel weniger als die des Mars, während die viel dickere Atmosphäre des Mondes die Erzeugung von Auftrieb zu einer vergleichbaren Brise macht. “Eine Person könnte Flügel aufsetzen und über Titans Oberfläche schweben”, sagt Turtle. Die Winde auf Titan sind ebenfalls viel langsamer, kaum mehr als ein Kilometer pro Stunde gegenüber zehn Kilometern pro Stunde auf dem Mars. Und während die Klingen von Ingenuity 2.500 U / min benötigen, um den zerbrechlichen 1,8-kg-Körper von der Oberfläche zu heben, ist Dragonflys halbe Tonne Die Masse kann nur durch die Rotoren aufgeschleudert werden, die sich mit 800 U / min drehen. Die größte Herausforderung für Titan ist seine Temperatur, die im Durchschnitt nur etwa –180 Grad Celsius beträgt – daher ist eine langlebige, wärmeerzeugende Plutonium-Stromquelle erforderlich. “Es ist sicherlich kalt”, sagt Turtle. “Es ist eine nicht triviale Herausforderung.”

Mit Dragonfly am Horizont und vielleicht zukünftigen Missionen wie dem Mars Science Helicopter in Arbeit gibt es über Ingenuity hinaus viel zu entdecken. Diese kleine Maschine hat zum ersten Mal bewiesen, dass ein Flug auf fremden Welten möglich ist – sowohl aus physischer als auch aus logistischer Sicht. Jetzt wartet diese aufregende neue Ära der Entdeckung, und während nur eine Handvoll Welten die richtigen Bedingungen für diese Erkundungsmethode bieten, ist der Himmel die Grenze für die Wissenschaft, die Luftfahrzeuge in diesen außerirdischen Himmeln leisten können. “Es gibt Dinge zu klären”, sagt Meyer. “Dann werden wir wahrscheinlich einige neue und verbesserte Hubschrauberplattformen sehen, die tatsächlich verlockende Nutzlasten tragen können.”

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