COLDArm: NASA entwickelt Roboterarm für extreme Mond-Bedingungen

Das Jet Propulsion Laboratory der US-Raumfahrtbehörde NASA hat einen Roboterarm für Mond-Lander entwickelt, der bei extrem niedrigen Temperaturen von bis zu -173 °C arbeiten kann. Der etwa zwei Meter lange Cold Operable Lunar Deployable Arm (COLDArm) mit vier Freiheitsgraden soll unter diesen Bedingungen in kalten Mondnächten ohne eine sonst nötige Beheizung der Getriebe und eines Teils der Steuerungselektronik arbeiten können, schreibt die NASA in einer Mitteilung am Dienstag. Möglich macht dies die Verwendung von metallischem Glas (Bulk Metallic Glas – BMG) für die Getriebeteile sowie robuste Motorcontroller und eine intelligente Steuerung.

Die NASA will in künftigen Artemis-Missionen den Südpol des Mondes erforschen, ein Gebiet, in dem extrem niedrige Temperaturen herrschen. Damit Roboterarme in kalten Umgebungen, wie etwa auf dem Mars, arbeiten können, verfügen sie normalerweise über Heizelemente, die das Schmiermittel in den Getrieben warmhält, sodass eine reibungslose Funktion gewährleistet ist. Zudem muss auch die Motorsteuerung geheizt werden, damit die Elektronik nicht ausfällt.

Am Südpol des Mondes ist es jedoch kälter als auf dem Mars, was die NASA-Ingenieure dazu veranlasst hat, neue Wege einzuschlagen, um so weit wie möglich auf Heizelemente verzichten zu können. Damit schlägt die NASA drei Fliegen mit einer Klappe: So kann auf die sonst nötige Vorwärmzeit der Komponenten von etwa zwei Stunden verzichtet und zusätzlich der Energiebedarf um bis zu 30 Prozent gesenkt werden. Zudem bedeutet der Verzicht auf Heizelemente, Masse einzusparen.

Getriebeteile aus metallischem Glas

Durch den Einsatz von BMG für die Zahnräder in den Getrieben wird keine Schmierung benötigt. Das Material wird durch Überhitzung von Metall hergestellt, das sehr schnell abgekühlt wird, ohne dass es dann rekristallisiert. Die innere Struktur ist im Gegensatz zu herkömmlichen kristallinen Legierungen ungeordnet. Heraus kommt ein Material, das extrem fest, aber dennoch gut formbar ist. Zudem wird es unter Kälteeinfluss nicht spröde. Neu ist das Material aber nicht, es wurde bereits um 1960 entwickelt, später wurde es in kommerziellen Produkten unter anderem Golfschläger und Skier eingesetzt.

Nach Angaben der NASA seien die Tests mit dem Material positiv verlaufen. Die aus BMG hergestellten Teile hielten hohen Drehmomenten stand und funktionierten auch bei Temperaturen von bis zu -200 °C – also optimal für den Einsatzzweck des Roboterarms unter extremen Bedingungen auf dem Mond.

Als weitere Komponente setzt die NASA einen Kaltmotor-Controller des Projektpartners Motiv ein. Der Controller arbeitet auch bei Temperaturen von bis zu -173 °C, sodass er nicht in einer Warm Electronics Box (WEB) untergebracht sein muss. Die Controller können direkt dort installiert werden, wo sie benötigt werden, sodass lange aufwendige Verkabelungen und Isolierungen entfallen können und damit Gewicht gespart wird. Ganz ohne Heizung kommt der Roboterarm jedoch nicht aus: In der WEB sind unter anderem Sensoren, Kommunikations- und Stromversorgungselektronik und Kameras untergebracht.

Schutz vor Überlastung

Der zwei Meter lange und über vier bewegliche Gelenke verfügende COLDArm soll etwa 4,5 kg stemmen können. Um eine Überlastung zu verhindern, ist im letzten Gelenk ein Sensor untergebracht, der die Kraft misst und ein Signal ausgibt, um den Arm gegebenenfalls anzuhalten.

Der Arm kann mit verschiedenen Anbauteilen, Kameras und Instrumenten ausgerüstet werden. Derzeit testet die NASA, welche davon infrage kommen. Fest steht, dass der Arm Kameras für eine 3D-Kartierung der Mondoberfläche umfassen wird. Die Steuerung des Arms könnte dafür auch autonom erfolgen, um die Bilder aufzunehmen und weitere Sensordaten zu sammeln. Unabhängig davon lässt sich der Arm auch manuell ansteuern, etwa um eine 3D-gedruckte Schaufel aus Titan zu bedienen. Im September ist COLDArm bereits zur Datenerfassung getestet worden. Dazu analysierte er simuliertes Mondregolith.

Bis COLDArm im Weltraum zum Einsatz kommt, dürfte es jedoch noch etwas dauern. Angedacht ist ein Einsatz für die späten 2020er-Jahre, schreibt die NASA.

(olb)