Maxon-Motoren steuerten den ersten extraterrestrischen Helikopterflug Swiss-made-Motoren steuerten den Mars-Helikopter

Autor / Redakteur: Marina Hofstetter / Matthias Böhm

Machbarkeitsstudien, wie der Mars-Helikopterflug Ingenuity, sind ein integraler Bestandteil von Weltraummissionen. Solche Studien validieren neue Erkundungs­techniken für zukünftige Weltraummissionen. Dies ist der Fall bei Ingenuity, dem Mars-​Helikopter der NASA, dessen Taumelscheibenmotoren von Maxon in Sachseln OW gefertigt wurden. Mit Florbela Costa, der verantwortlichen Space-Projects-Managerin bei Maxon, sprach unsere MSM-Redaktorin Marina Hofstetter über diese Entwicklung.

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Florbela Costa (li.) im Gespräch mit Marina Hofstetter über die Entwicklung der Steuermotoren der Taumelscheiben des Marshelikopters.
Florbela Costa (li.) im Gespräch mit Marina Hofstetter über die Entwicklung der Steuermotoren der Taumelscheiben des Marshelikopters.
(Bild: Matthias Böhm)

SMM: Frau Florbela Costa, haben Sie in der Nacht vor dem Mars-Helikopterflug «Ingenuity» gut geschlafen?

Florbela Costa: Ja, ich habe ausgezeichnet geschlafen, obwohl ich aufgeregt war. Aber mein Vertrauen in die NASA und deren Erfahrungen mit der Weltraumtechnologie überwog. Das Wichtigste: Ich hatte absolut keinen Zweifel an den von uns entwickelten Motoren für den Mars-Helikopter. Wir haben im Vorfeld viele Tests durchgeführt, die die Weltraummission simulierten. Und nicht zuletzt auch aufgrund der jahrzehntelangen Erfahrung von Maxon mit Weltraumprojekten – auch auf Marsexpeditionen – wissen wir, dass unsere Motoren für den Betrieb im Weltraum perfekt ausgelegt sind.

Welche Funktion übernehmen die von Ihrem Maxon-Team entwickelten Motoren im Marshelikopter?

F. Costa: Generell waren mehrere Antriebssysteme von Maxon bei dieser Mission im Einsatz. Wir sprechen in diesem Interview nur über den Marshelikopter, das ist mir wichtig zu betonen. Die sechs Taumelscheiben-Steuermotoren sind für die Lenkung respektive Steuerung des Marshelikopters Ingenuity verantwortlich, indem sie die Steuerbefehle an die Taumelscheiben der Rotorblätter übertragen. Eine 100-prozentige Prozesssicherheit unserer Motoren ist entscheidend für den Erfolg der Ingenuity-Mission.

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Wie werden solche Motoren konkret ausgelegt?

F. Costa: Bei einem solchen Projekt steht der Leistungsbedarf an erster Stelle. Damit ergibt sich die Grösse des Motors. Für den Marshelikopter entsprach unser Katalogmotor DCX10, ein Bürstenmotor mit einem Durchmesser von 10 Millimetern, den Basisanforderungen. Diese DCX10-​Motoren waren die Basis für die Mars­motoren: gleicher Durchmesser, gleiche Magnete, gleiches Funktionsprinzip im Inneren. Sowohl die Wicklung als auch die Kugellager gehören ebenfalls zu unserem Standardprogramm. Es mussten aber Anpassungen und Optimierungen vorgenommen werden. Das Gehäuse wurde aus rostfreiem Stahl gefertigt. Der verwendete Schmierstoff ist auf Weltraummissionen ausgelegt. Die Motoren wiederum werden auf die spezifischen Umweltbedingungen der Mission ausgelegt. Ein Stichwort ist das Leistungs-Masse-Verhältnis, welches möglichst hoch sein sollte.

Auf welche Erfahrungen konnten Sie hier bauen?

F. Costa: Wir hatten bereits für das Projekt Exomars (ESA-Mission in 2022, Anm. d. Red.) Motoren auf Basis des DCX10 entwickelt, die uns als Grundlage dienten. Wie gesagt nahmen wir gewisse Anpassungen vor. Oft sind unsere Motoren in einem Gehäuse verbaut. Bei Ingenuity ist das nicht der Fall, ein Teil der Motoren ist in direktem Kontakt mit der Erd- und Marsatmosphäre. Der Motor muss darüber hinaus auf die Vibrationen und Erschütterungen während des Starts wie auch auf die spezifischen Bedingungen auf der Marsoberfläche ausgelegt sein. Und schliesslich ist er extremen Temperatur- und Druckunterschieden – Erde, Weltall, Mars – unterworfen.

Können Sie spezifische Anpassungen nennen?

F. Costa: Einige Komponenten, die beim Katalogmodell aus Kunststoff bestanden, wurden aus Metall gefertigt und gasdicht verschweisst. Die «Norm-Kabel» wurden durch ESCC-zertifizierte Kabel ersetzt. Darüber hinaus musste der Kabeleingang neu positioniert werden, so dass das Antriebsritzel und die Verdrahtung gemeinsam auf der gleichen Seite positioniert werden konnten. Für das gegenüberliegende, nach aussen hin exponierte Ende mussten wir eine Staubschutzhülle entwickeln.

Haben Sie auch die Motorsteuerung geliefert?

F. Costa: Unser Mandat bezog sich auf die Herstellung der Motoren. Das Motorsteuerungssystem wurde von unserem Kunden, der Firma AeroVironment, zur Verfügung gestellt, die wiederum einen direkten Vertrag mit dem NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) hatte. Wir haben entsprechend eng zusammengearbeitet, um sicherzustellen, dass unsere Motoren mit ihrem Steuerungssystem kompatibel sind. In Bezug auf die Steuerung ist die Wicklung entscheidend, die wir so modifiziert haben, dass der Motor perfekt auf das Gesamtsystem zugeschnitten ist.

Maxon hat bereits mehrere Motoren für Weltraumforschungsprojekte geliefert: war dieses Projekt anders?

F. Costa: Die grösste Herausforderung für uns war das Gewicht. In früheren Projekten waren wir nicht mit so hohen Anforderungen an das Leistungsgewicht konfrontiert worden. Das liegt im konkreten Anwendungsfall des Helikopters begründet, der über den Masseimpuls Auftrieb erfährt. Aufgrund des geringen Atmosphärendrucks auf dem Mars – 1% des irdischen Atmosphärendrucks – ist die Luft-​Dichte erheblich geringer, entsprechend klein ist der Masseimpuls. Das heisst, je schwerer der Helikopter ist, desto schwieriger wird er zu fliegen sein. Die von uns weiterentwickelte Version des DCX10 wiegt ca. 7 Gramm, ohne die Funktionalität des Motors in Bezug auf Leistung, mechanische Festigkeit, Stösse und Temperaturschwankungen zu beeinträchtigen.

Da die Grösse des Motors in direktem Zusammenhang mit der verfügbaren Leistung steht, an welchen anderen Merkmalen konnten Sie arbeiten, um das Gewicht zu reduzieren?

F. Costa: Wir hatten nur wenige Optimierungsmöglichkeiten: Wir konnten versuchen, entweder die internen Teile oder die projektspezifischen Teile, wie die Staub­abdeckung, zu optimieren. Die Staubabdeckung wurde drei Mal überarbeitet, bevor wir die Flugversion bekamen, die nur ein paar hundert Milligramm leichter ist.

Werden diese Weltraum-Motoren hier in Sachseln entwickelt und hergestellt?

F. Costa: In Sachseln haben wir ein spezielles Produktions- und Montagezentrum für Raumfahrtprojekte und Prototypenbau, mit entsprechend spezialisierten Mitarbeitern. Wir verfügen über einen Reinraum nach ISO 8, in dem wir bestimmte Produktionsschritte wie das Beschichten von spezifischen Bauteilen des DCX10 durchführten. Die Produktionszelle ist auf Flexibilität und Prototypenbau ausgerichtet, so dass wir dort alle Arten von Motoren produzieren können. Einige sehr spezifische Herstell- und Montage-Verfahren sind jedoch nur an bestimmten Produktionslinien verfügbar. Eine der Ingenuity-Motorbaugruppen wurde deshalb an unserem Produktionsstandort in Ungarn gefertigt, der überwiegende Teil wurde hier in der Schweiz realisiert, ebenso wie die Entwicklung und die Tests.

Welchen Tests wurden die Ingenuity-Motoren im Vorfeld der Mars-Expedition unterzogen?

F. Costa: Die Entwicklung des Projekts wurde in zwei Phasen durchgeführt. Zunächst haben wir Engineering-Modelle erstellt, die auch als Prototypen verwendet wurden. Diese Prototypen wurden allen Tests unterzogen, die für die Validierung eines Weltraumprojekts notwendig sind: Vibrationstest, Schocktest, Vakuum- und Thermotests. So konnten wir zertifizieren, dass die Motoren in der Lage sind, den Start und die 6-monatige Weltraumreise und die Landung zu überstehen und ihre Aufgabe vor Ort zu erfüllen. Nachdem die Prototypen validiert waren, konnten wir zur Produktion der Flugmodelle übergehen, die ebenfalls getestet wurden, aber nicht so intensiv wie die Prototypen. Wir haben beispielsweise die mechanische Schnittstelle des Schaltkastens vom Kunden erhalten, um die Beanspruchungen an der Schnittstelle zu testen.

Worauf mussten Sie zum Beispiel in Bezug auf die Temperaturunterschiede der Marsreise achten?

F. Costa: Was das «Überleben» der Motoren in der Marsumgebung angeht, haben wir sie über einen Temperaturbereich von –120 °C bis +50 °C getestet. Wir mussten dabei besonders auf die vom Motor erzeugte Wärmemenge achten. Auf der Erde kühlt die Umgebungsluft den Motor, auf dem Mars ist das nicht der Fall, wegen der geringen Atmosphären-Dichte. Dies bedeutet, dass der Motor seine kritische Betriebstemperatur schneller erreicht.

Was heisst das konkret?

F. Costa: Beim DCX10 ist die Wicklung die temperaturkritische Komponente, sie ist bis maximal 100 °C belastbar. Wir haben unsere Motoren im Labor unter Mars-​atmo­sphärischen Bedingungen getestet, um ihre maximale Betriebszeit entsprechend den Arbeitspunkten des Kunden zu definieren. Jenseits dieser Grenzen müsste der Flug unterbrochen werden. Hier gab es aber keinerlei Einschränkungen aufgrund unserer Motoren.

Die Wartung Ihrer Motoren ist bei einem solchen Projekt unmöglich, wie berücksichtigen Sie das?

F. Costa: In der Tat, die Motoren, die wir für Weltraumforschungsprojekte verkaufen, können nicht ersetzt werden. Wir müssen also sicherstellen, dass sie für die vom Kunden geforderte Zeit oder Anzahl von Anwendungen geeignet sind. Im Fall von Ingenuity bestand die ursprüngliche Mission aus 5 Flügen innerhalb von 30 Tagen, was für uns die grundlegende operative Anforderung war. Nachdem die 5 Flüge abgeschlossen waren, wurden wir von AeroVironment und NASA JPL kontaktiert, um zu sehen, wie weit unsere Motoren noch eingesetzt werden können. Ingenuity hat jetzt sogar 9 Flüge absolviert – vier mehr als geplant, alles lief reibungslos.

Können Sie im Vorfeld genau abschätzen, wie viele Flüge Ihre DC-Motoren aushalten können?

F. Costa: Wir können es nicht genau abschätzen, Lebensdauerrechnungen sind immer mit Ausfallwahrscheinlichkeiten verbunden. Selbst im klassischeren Fall einer Bodenapplikation ist es schwierig, die Lebensdauer genau vorherzusagen. Es hängt davon ab, wie die Motoren verwendet werden und welchen Umweltbedingungen sie im Endeffekt ausgesetzt werden. Wir können jedoch die minimale Lebenserwartung abschätzen, wenn unsere Produkte normgerecht verwendet werden. In diesem speziellen Fall will die NASA den Hubschrauber bis Ende August nutzen. Danach beginnt der marsianische Winter, und Ingenuitys Solarzellen werden nicht mehr in der Lage sein, die zum Überleben notwendige Energie zu liefern. Es wird sozusagen einfrieren, einen Winterschlaf machen.

Was würde passieren, wenn Ihre Motoren ein Problem hätten?

F. Costa: Ingenuity verfügt über keine re­dundanten Systeme, diese Motoren sind Single Points of Failure. In dem Moment, in dem sie aufhören zu arbeiten, ist die Mission vorbei. Ingenuity ist eine Machbarkeitsstudie, seine Funktion ist daher nicht so wichtig wie die des Rovers Perseve­rance. Fehlfunktionen bei Perseverance hätten dagegen Auswirkungen auf die wissenschaftlichen Missionen. Das Ziel von Ingenuity war es, zu zeigen, dass wir auf dem Mars fliegen können. Das haben wir gezeigt. Wir können ziemlich sicher sein, dass die nächsten Mars-Missionen Fluggeräte mit sich führen werden, die die Bodenmissionen der Rover unterstützen können.

Ingenuity ist eine Machbarkeitsstudie: Welche Unterschiede gab es bei der Entwicklung der Motoren?

F. Costa: Bei einer Machbarkeitsstudie sind die Anforderungen, vor allem in Bezug auf die Qualitätskontrolle, weniger streng als bei klassischen Raumfahrtentwicklungen, aber dennoch strenger als bei industriellen Standardentwicklungen. Wenn die Rolle der Motoren kritischer gewesen wäre, wie es bei den Motoren, die wir für die Rover entwickeln, der Fall ist, hätten wir viel mehr Kontrollschritte in unseren Prozess einbauen und viel mehr Dokumentation bereitstellen müssen, von der Entwicklung bis hin zu den Testphasen. Aber im Endeffekt: die Technologie und die Qualität des gelieferten Produkts sind identisch.

Welche Vorteile ergeben sich für Maxon, wenn Sie solche Weltraumprojekte durchführen?

F. Costa: Wir arbeiten derzeit an einem internen Projekt zur Erstellung eines Luft- und Raumfahrt-Katalogs, der alle unsere Entwicklungen zusammenfasst. Ziel ist es, ein High-Tech-Pendant zu unserem Basiskatalog zu haben. Dieser Katalog ermöglicht Kunden den Zugang zu sehr hochwertigen und leistungsstarken Motoren, die wir in Kleinserien in einem guten Preisgefüge herstellen können. Diese Art von Produkten kann sowohl für die medizinische Industrie, die mehr als 50% des Umsatzes von Maxon ausmacht, als auch für die schnell expandierende kommerzielle Raumfahrtindustrie von besonderem Interesse sein. Dieser Katalog bietet den Kunden daher High-End-Produkte zu einem höheren Preis als der Basiskatalog, ist aber eine sehr gute Alternative zu einer individuellen Gestaltung von A bis Z.

Und wie nutzen Sie das Know-how produktspezifisch?

F. Costa: Generell entwickeln wir dadurch ein spezifisches Know-how in High-End-​Anwendungen. Inklusive der gesamten Zertifizierungsverfahren. Nicht zu unterschätzen sind die Kontakte zu unseren internationalen Partnern und Auftrag­gebern aus der Luft- und Raumfahrt-Forschung.

Wir wissen jetzt also, wie man Maschinen auf dem Mars fliegen kann. Was halten Sie von der Erkundung des Roten Planeten durch Menschen und würden Sie selbst zum Mars fliegen?

F. Costa: Ich hätte nichts dagegen, auf dem Mars «Ferien» zu machen. Im Ernst, ich glaube, die Menschen werden tat­sächlich auf dem Mars landen. Davon bin ich überzeugt. Ich hoffe, dass ich das noch miterleben werde, aber aus sicherer Distanz. SMM

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Über den Autor

 Marina Hofstetter

Marina Hofstetter

Rédactrice, Vogel Communications Group AG