Perseverence heißt der fünfte Mars-Rover, den die US-Raumfahrtbehörde NASA auf eine sechsmonatige Reise zum Mars geschickt hat. Der Rover ist im Grunde ein autonomes Auto. Doch wie baut man und wie funktioniert ein autonomes Fahrzeug für einen anderen Planeten?
Am 30. Juli 2020 startete die fünfte Mars-Rover-Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA. Mit „Perseverence“ ist damit der derzeit modernste Mars-Rover im Weltraum unterwegs.
Seine Aufgabe wird sein, Gesteinsproben zu sammeln und Beweise für ein mögliches voriges Leben auf dem Mars zu finden. Na, wenn es weiter nichts ist?! Doch dafür ist Perseverence mit einer speziellen autonomen Technologie ausgestattet, die es ihm erlaubt auf dem Planeten zu agieren.
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Wie fahrerlose Autos auf der Erde auch, muss sich Perseverence dazu alleine, ohne Fahrer, auf dem Mars zurechtfinden und eigenständig fortbewegen können. Doch wie genau funktioniert ein autonomes Fahrzeug auf einem fremden Planeten?
So soll Perseverence auf dem Mars fahren
Fahrerlose Autos nutzen Kameras, Sensoren (Lidar und Radar) sowie Computer und selbstlernende Algorithmen, um sich fortzubewegen. Kameras und Sensoren nehmen dabei die Umgebung wahr und vermitteln diese Daten an Computer. Algorithmen verarbeiten diese Informationen, um entsprechend zu agieren und zu reagieren.
So ähnlich soll auch Perseverence auf dem Mars funktionieren, aber mit einigen deutlichen Unterschieden. So ist etwa die Computer-Power des Mars-Rovers mit der Spitzenleistung eines PCs aus dem Jahr 1997 vergleichbar.
Da damit logischerweise Daten nicht sehr schnell verarbeitet werden können, hat Perseverence als erster Mars-Rover einen zweiten Computer bekommen, der wie ein Roboter-Fahrer agiert. Dieser ist allein dafür verantwortlich, den Rover durchs Gelände zu führen.
Diese fünf Dinge gab es noch nie bei einem Mars-Rover
Perseverence wird in vieler Hinsicht einmalig sein. So ist es der erste Rover, der ein Mikrofon dabei hat und Tonaufnahmen machen wird. Auch ist er der erste Mars-Rover, der mit einer Zoom-Kamera ausgestattet ist.
Als erster Rover wird er von US-Plutonium angetrieben und zudem hat Perseverence die erste Stichprobe der NASA-Raumanzüge für den Mars dabei, die so erstmals vor Ort getestet werden.
Und zu guter Letzt führt Perseverence einen kleinen Helikopter (Ingenuity) mit an Bord. Sollte dieser Teil der Mission erfolgreich verlaufen, wäre dies das erste fliegende Objekt auf einem fremden Planeten.
Denn bei vorigen Rovern war es immer so, dass sich der Rover die Computer-Ressourcen mit allen anderen Systemen teilen musste. Fortbewegung funktionierte dabei so: Fahren. Anhalten. Sich minutenlang neu orientieren. Nächsten Schritt planen. Weiterfahren.
Der zusäzliche Computer erlaubt Perseverence sich fließender fortzubewegen und auch eine größere Fläche abzufahren. Doch auch diese Daten klingen ziemlich bescheiden. Im Schnitt wird Perseverence nämlich etwa 200 Meter pro Tag zurücklegen. Doch im Vergleich zu vorigen Fahrzeugen ist das dennoch eine Spitzenleistung.
Technologie von vorgestern – aus gutem Grund
Es gibt aber einen guten Grund, warum Perseverence sich im Schneckentempo fortbewegt: kosmische Strahlung. Denn Mars hat kein Magnetfeld oder eine schützende Atmosphäre, die ihn vor Strahlung schützen können. So können etwa radioaktive Partikel dafür sorgen, dass Transistoren versehentlich an- und ausgeschaltet werden. Im schlimmsten Fall bringen sie den Computer zum Abstürzen.
Das wollen NASA-Wissenschaftler natürlich um jeden Preis verhindern. So ist Perseverence selbstverständlich mit strahlungsresistenten Transistoren und Mikrochips ausgestattet. Doch gleichzeitig gilt: Je resistenter das Fahrzeug gegen Strahlung ist, desto langsamer wird seine Performance.
Und es gibt noch ein anderes Problem. NASA muss vorab alle Einzelteile auf ihre Leistung und Strahlungsresistenz genauestens prüfen. Bis eine Komponente alle Tests besteht, dauert das. Bis dahin ist schon die nächste bahnbrechende Technologie auf dem Markt. So kommt die NASA nicht umhin veraltete Technologie zu nutzen.
Denn das ist der Kompromiss zwischen guter Performance und Sicherheit. Sicherheit und Zuverlässigkeit haben aber oberste Priorität. Die Technik MUSS funktionieren. Andernfalls riskiert man – wie in diesem Fall – eine Mission von 2,7 Milliarden US-Dollar in den Sand zu setzen.
Algorithmen im Mars-Sandkasten trainieren
So bewegt sich Perseverence nicht mit modernster Laser-Technologie fort. Das wäre zu energieaufwendig. Gleichzeitig ist die Technologie anfälliger für mechanische Störungen, die man vermeiden will.
Darum nutzt der Mars-Rover stattdessen ein Stereo-Kamera-System sowie Odometrie-Technologie zur Einschätzung von Abständen. Bei den Kameras setzt der Computer im Prinzip zwei Kamera-Bilder zu einem 3D-Bild zusammen. Ein Algorithmus hilft dann bei der Interpretation. Diese Bilder wird die NASA übrigens auch auf die Website der Mars-Mission stellen.
Auch dieser Algorithmus ist nicht sehr ausgefallen. Schließlich will man insbesondere hier Interpretationsfehler vermeiden, sodass der Algorithmus für Perseverence so schlank und einfach wie möglich gehalten wurde.
Aber: Wie bringt man einem Algorithmus auf der Erde bei, wie er Dinge auf dem Mars einordnen soll?
Dazu hat die NASA zum Einen den Rover in einem „Mars-Sandkasten“ fahren lassen, um so verschiedenste Szenarien zu testen und diese dem Algorithmus beizubringen. Zum anderen wurden eine Vielzahl von Szenarien über virtuelle Simulatoren erprobt.
Darüber hinaus sollen Gyroskope und Beschleunigungsmesser bei der Orientierung auf dem Mars helfen. Doch selbst mit all diesem Training kann man den Rover natürlich nicht auf jedes Szenario vorbereiten. Ein Rest an Unsicherheit bleibt also.
Perseverence ist auf sich allein gestellt
Doch warum muss Perseverence überhaupt selbstständig fahren können? Könnte man sich das nicht alles sparen und den Rover viel effizienter und mit hochwertigerer Technologie von der Erde aus steuern?
Leider nein. Denn die Entfernung zwischen Mars und Erde sorgt dafür, dass Funksignale etwa 22 Minuten brauchen, bis sie von der Erde dort ankommen. Das ist nicht sehr praktisch, wenn man dem Rover sagen will, dass er nicht links in den Steinhaufen fahren soll.
Bevor Perseverence allerdings überhaupt dazu kommt, autonom auf dem Mars zu cruisen, stehen „sieben Minuten des Terrors“ an: die Landung auf dem Mars. Voraussichtlich wird das im Februar 2021 sein.
„Sieben Minuten des Terrors“
Die Landung soll in mehreren Stufen ablaufen. Zunächst saust Perseverence eingeschleust in einem Hitzeschild mit einer Geschwindigkeit von 16.000 Kilometer pro Stunde durch Temperaturen von 2.200 Grad Celsius.
Sobald die Kapsel dann etwa elf Kilometer über der Mars-Oberfläche ist, erfolgt eine Mini-Explosion, bei der das Schild abfällt und ein Fallschirm sich öffnet. Kurz danach wird sich Perseverence vom Fallschirm lösen und ist dann einige Sekunden im freien Fall.
Ein sogenanntes „Skycrane“ (Himmelskran) soll für eine weiche Landung sorgen. Hier sind dann auch die Kameras und der Computer von Perseverence schon im Einsatz, um den Landungsort zu erkunden und den Rover gegebenenfalls umzuleiten.
Ab einer Höhe von etwa sieben Metern wird Perseverence dann etwas über der Oberfläche schweben und der Kran wird den Rover dann zur Oberfläche abseilen. Sobald die Räder auf festem Grund landen folgt eine weitere Mini-Explosion, die den Kran und die Seile vom Rover lösen.
Das Ziel ist es, den Rover im Jezero-Krater zu landen. Hier vermuten Wissenschaftler am ehesten Anzeichen von vorigem Leben auf dem Planeten zu finden. Davor muss Perseverence aber noch den Mini-Helikopter, den er an Bord führt („Ingenuity“) launchen. Dieser soll einige Testflüge auf dem Mars absolvieren und so wertvolle Daten für künftige Mars-Missionen sammeln.
Erst im März oder April 2021 wird Perseverence dann seine eigentliche Mission beginnen.
Währenddessen werden die Wissenschaftler auf der Erde sicherlich jeden Schritt von Perseverence mit einer Mischung aus Angst, Spannung und Freude verfolgen.
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