Der Asteroidengürtel ist voller Möglichkeiten und Unbekanntem, reich an Ressourcen und wissenschaftlichen Geheimnissen.
Wie kann man auf diesen winzigen Körpern sicher landen und sich sicher fortbewegen? Dies ist eine Frage, über die sich viele Ingenieure Gedanken gemacht haben. Wenn herkömmliche Hardware-Roboter auf der Oberfläche eines fragilen Asteroiden landen, besteht ein hohes Risiko, dass sie die Struktur der Oberfläche zerstören, wodurch es unmöglich wird, gültige Proben zu erhalten oder eine nachhaltige Erkennung durchzuführen.
Ein neuartiger „Soft-Roboter“ könnte den Durchbruch für Asteroiden-Missionen bedeuten.
01 Zerbrechlicher Asteroid steht vor dem Problem einer harten Landung
Es ist bereits sehr schwierig, ein Roboter-Raumschiff sicher auf dem Mond oder Planeten zu landen. Noch schwieriger ist die Landung auf einem Asteroiden.
Im Gegensatz zu Riesenplaneten. Die Oberflächengravitation von Asteroiden ist extrem gering, vielleicht sogar nur ein paar Millionstel der Schwerkraft der Erde. Die Mikrogravitationsumgebung stellt die Landung und Aktivitäten von Raumfahrzeugen vor große Herausforderungen. Mit der traditionellen Methode der „harten Landung“, die auf Triebwerken basiert, ist es schwierig, eine genaue Kontrolle zu erreichen, und es ist leicht, die lockere Oberflächenstruktur des Asteroiden zu zerstören, was die Untersuchung der Zusammensetzung und Entwicklungsgeschichte des Asteroiden ernsthaft beeinträchtigen wird.
Die OSIRIS-REx-Mission der NASA verfolgte einen sehr konservativen Ansatz gegenüber dem Asteroiden Bennu. „Wir wollten uns nicht länger als nötig mit der Ungewissheit des tatsächlichen Kontakts mit der Oberfläche auseinandersetzen“, sagte Moreau. Deshalb entwickelten sie einen Plan, um den Asteroiden mit einem langen Probenahmearm in 16 Sekunden auszuspionieren.
Mit der aktuellen Technologie sind wir noch weit von einer echten Asteroiden-„Landung“ entfernt.
02 Slow Landing: Die Vision eines weichen Roboters
Angesichts der Eigenschaften der Mikrogravitationsumgebung hat das Team von Professor Jay McMahon von der University of Colorado eine mutige Idee vorgelegt: die Entwicklung von „Soft Robots“ – AoES, um eine sanfte Landung von Asteroiden zu erreichen. Dieser Roboter nutzt schwache Kräfte wie elektromagnetische Adsorption und elektrostatische Adhäsion für Landungen und Oberflächenaktivitäten voll aus, ist nicht auf Treibstoffe und mechanische Verankerungen angewiesen und kann eine beruhigende Landung ohne Kollision erreichen.
Der weiche Roboter hat die Form mehrerer Blütenblätter, ähnlich wie Seerosen. Die Blütenblätter bestehen aus elastischem Material, das große Bereiche der Oberfläche des Asteroiden bedecken kann, ohne die Oberflächentopographie zu beschädigen, und sie können sich auch drehen und dehnen, indem sie ihre Umlaufgeschwindigkeit und den Sonnenstrahlungsdruck nutzen, um ihre Umlaufbahn anzupassen und abzubremsen.
Weiche Roboter können die Oberflächenladungsverteilung von Asteroiden zur elektromagnetischen Adsorption nutzen. Die Oberfläche des Asteroiden ist mit verschiedenen Staubpartikeln gefüllt, die komplexe Ladungsverteilungen und elektrische Felder erzeugen. So wie Geckos molekulare Wechselwirkungen nutzen, um sich an der Wand festzusetzen, können sich auch weiche Roboter an der Oberfläche des Asteroiden festsetzen, indem sie die Ladungswolke steuern einige Blütenblätter.
Eine andere Möglichkeit zur Befestigung ist die Nutzung elektrostatischer Kraft. Obwohl die elektrostatische Kraft auf der Oberfläche des Asteroiden schwach ist, kann der Softroboter durch die riesige Oberfläche genügend elektrostatische Adhäsion aufbauen. Durch Anpassen der Ladung einiger Blütenblätter kann sich der Softroboter bewegen. Diese Bewegungsart erfordert keinen Treibstoffantrieb und verursacht keine sekundäre Kontamination des Asteroiden.
03 Langzeitüberwachung und Ressourcennutzung
Wenn die sanfte Landung gelingt, können Soft-Roboter über einen längeren Zeitraum auf der Oberfläche des Asteroiden operieren, um verschiedene wissenschaftliche Erkundungen durchzuführen. Es kann mit Sensoren auf der Oberfläche ausgestattet werden, um Magnetfelder, Wärmefluss, Ladungsverteilung und andere Informationen zu überwachen und so den Entstehungsmechanismus und die Entwicklungsgeschichte des Asteroiden aufzudecken. Langfristig gesehen ist dies von großer Bedeutung für die Entwicklung und Nutzung der Asteroidenressourcen
04 Technische Schwierigkeiten: Navigation, Leistung und Kontrolle
Das Konzept, weiche Roboter zur Landung auf Asteroiden einzusetzen, ist sehr attraktiv, steht aber auch vor vielen technischen Herausforderungen; die kritischsten Probleme sind Navigation und Kontrolle.
Um eine genaue Landung und Oberflächennavigation in der komplexen und unbekannten Asteroidenumgebung zu erreichen, müssen Soft-Roboter über Fähigkeiten zur Vermeidung von Hindernissen und zur autonomen Planung verfügen. Im Vergleich zu starren Körpern sind die Dynamik und das Steuerungssystem von Soft-Robotern komplexer. Jede Verformung des Blütenblattarms verändert die Gesamtmassenverteilung und die dynamischen Parameter. Der Steueralgorithmus muss effizient und genau sein und eine ausreichende Anpassungsfähigkeit an unbekannte Umgebungen aufweisen.
Langfristige Raumflüge stellen auch große Herausforderungen an die Materialien und Strukturen weicher Roboter. Es muss hoher Strahlung und extremen Temperaturunterschieden standhalten und sich im Falle eines Ausfalls selbst reparieren können.
Eine weitere Herausforderung, die in diesem Bereich gemeistert werden muss, ist die Reduzierung der Masse und die Verbesserung der Strukturfestigkeit. Um in extremer Mikrogravitationsumgebung arbeiten zu können, müssen weiche Roboter dünn und leicht sein. Eine zu schwache Struktur ist jedoch schwierig, um Bewegungs- und Probenahmeaufgaben durchzuführen. Daher muss sie die für die Ausführung der Aufgabe erforderliche Festigkeit und Steifigkeit gewährleisten, ohne zu viel Masse hinzuzufügen.
05 Die Zukunft kann erwartet werden
Trotz der Herausforderungen treibt der Traum einer sanften Landung weiterhin den Fortschritt und die Innovation in diesem Bereich voran. Das Team der University of Colorado, das seit 2017 ein NASA-Forschungsstipendium erhält, untersucht derzeit, ob einige seiner Soft-Robotik-Technologien zur Wartung von Satelliten im Orbit und zur Beseitigung von Weltraumschrott dienen könnten.
Es bleibt abzuwarten, ob weiche Roboter in der Lage sein werden, die Erforschung von Asteroiden für Menschen voranzutreiben.