Ingenuity und seine Nachfolger: Wie Helikopter das Sonnensystem erforschen

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Der Mars-Helikopter Ingenuity hat schon jetzt extraterrestrische Luftfahrtgeschichte geschrieben. Ausgelegt auf wenige kurze Flüge, hat die knapp zwei Kilogramm schwere Drohne mit ihren zwei Rotoren die Erwartungen der NASA weit übertroffen.

Nach der Ankunft auf dem Mars zusammen mit dem Rover Perseverance im Februar 2021 und dem ersten Flug am 19. April 2021, absolvierte Ingenuity bis Ende April 2022 27 Flüge. Er legte dabei fast 6,5 Kilometer zurück. Zuletzt gelangte er an den Rand eines ehemaligen Fluss-Deltas.

Dass Ingenuity eine technologische Revolution gelungen ist, daran lässt Dave Lavery, Programmleiter im NASA-Hauptquartier in Washington, keinen Zweifel: "Die Dichte der Marsatmosphäre beträgt nur etwa ein Hundertstel der Erdatmosphäre. Die Rotoren sind damit im Verhältnis viel größer als bei einem terrestrischen Helikopter, und sie müssen sich viel schneller drehen, bis zu 2.700 mal pro Minute, verglichen mit 300 bis 400 auf der Erde."

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Mars-Helikopter: Farbfotos von Ingenuity (146 Bilder)

Mit 100 Kilometern pro Stunde über dem Marsboden

Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien studiert nun bereits mögliche Nachfolger. Neben kleineren Modellen könnte der Mars Science Helicopter (MSH) mit 30 Kilogramm mehr als zehnmal so viel wiegen wie Ingenuity. Er würde sechs Rotoren mit einer Spannweite von jeweils gut einem Meter tragen und hätte einen maximalen Durchmesser von vier Metern. MSH soll bis zu zwei Kilometer hoch und gut 100 Kilometer pro Stunde schnell fliegen können. Zum Vergleich: Ingenuity erreichte eine maximale Flüghöhe von 12 Metern und eine Spitzengeschwindigkeit von rund 20 Kilometer pro Stunde. Die Rover auf dem Boden schaffen nur gut 100 Meter pro Stunde. MSH könnte auf sechs Minuten langen Flügen über jeweils bis zu 13 Kilometer Distanz eine wissenschaftliche Nutzlast von fünf Kilogramm tragen. Und neben Kamera und einem Neutronenspektrometer zur Analyse der Oberflächenzusammensetzung aus der Luft könnten auch spezielle Technologien zur Entnahme von Bodenproben zum Einsatz kommen.

Bob Balaram vom Jet Propulsion Laboratory, einer der Vordenker von Ingenuity und MSH, besprach mit Wissenschaftlern, was ein zukünftiger Mars-Helikopter leisten könnte. Gegenüber dem Magazin IEEE sagte er: "Stellen Sie sich eine Art Penetrator mit einer Einrollvorrichtung vor. Sie würden ein kleines Projektil von der Drohne abschießen, das in eine Felswand eindringt. Und dann spulen Sie es zusammen mit der Probe wieder zurück." Balaram möchte "große Ideen" für künftige Fluggeräte anstoßen. "Die Mobilität in der Luft gibt Ihnen Reichweite, Abdeckung und Auflösung", betont er. "Sie können Orte erreichen, zu denen kein Rover fahren kann."

Abheben schon vor der Landung

In einer Publikation vom März 2022 untersuchten Balaram und seine NASA-Kollegen, wie der MSH-Helikopter besondere Orte auf dem Mars unabhängig von einem Rover oder Lander erreichen könnte. In dem Missionsszenario "Mid-Air Helicopter Delivery" (MAHD) würde der Helikopter zunächst mit einer Triebwerkseinheit, dem Jetpack, verbunden sein. Dieses feuert, nach einer Fallschirmbremsung und dem Abwerfen von Hitzeschild und Außenverkleidung, gut 500 Meter über dem Boden seine Triebwerke, um den Abstieg weiter abzubremsen. 200 Meter über dem Boden klappt der Helikopter seine Arme mit den Rotoren aus. Mittels Sensoren stabilisiert das Jetpack die Lage gegenüber den Seitenwinden, während MSH seine Rotoren einstellt. Dann würde der Helikopter vom Jetpack abheben und eine eigene kontrollierte Landung durchführen. Eine solche Mission könnte den Helikopter von Beginn an in bergige Regionen oder in tief eingeschnittene Canyons bringen – Orte, an denen man das Aufsetzen eines teuren Landers oder Rovers nicht riskieren würde.

Noch sind künftige Mars-Helikopter wie MSH reine Konzeptstudien, betont NASA-ProgrammleiterDave Lavery. "Ziel der Studien ist es herauszufinden, wie Entwürfe von planetaren Helikoptern für unterschiedliche mögliche Missionen genutzt werden könnten." Eine Entscheidung, welcher Ansatz für ein echtes Projekt weiterverfolgt wird, gebe es noch nicht.

Acht Rotoren für den Saturnmond Titan

Ein weiteres extraterrestrisches Fluggerät aber wird es geben - und zwar auf dem größten Saturnmond Titan. Dorthin wird im Juni 2027 die NASA-Sonde Dragonfly aufbrechen. 2034 soll sie in der Atmosphäre von Titan ankommen. Da diese viermal so dicht wie die Erdatmosphäre ist, Titan aber eine deutlich geringere Schwerkraft aufweist, kann Dragonfly viel Gewicht tragen. Mittels acht Rotoren, die in vier Paaren jeweils übereinander angeordnet sind und jeweils einen Meter Durchmesser haben, wird die 450 Kilogramm schwere Drohne bis in 4.000 Meter Höhe fliegen. Mehrere hundert Kilometer soll Dragonfly binnen zwei Jahren zurücklegen. Forschen aber wird die Sonde hauptsächlich während der Zwischenlandungen auf dem Boden, unter anderem mit einem Massenspektrometer zur Zusammensetzung von Bodenproben. Die amerikanisch-europäische Saturnmission Cassini hatte Titan ab 2004 per Radar erforscht und eine kleine Sonde, Huygens, auf die Oberfläche des Mondes geschickt.

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Huygens' Landung auf dem Titan (15 Bilder)

Seither weiss man, dass Titan verschiedene Kohlenwasserstoffe und organische Moleküle beherbergt. Überdies ähnelt die dichte Stickstoffatmosphäre den Bedingungen auf der Erde vor etwa 3,4 Milliarden Jahren. Von Dragonflys Mission erhoffen sich Wissenschaftler Rückschlüsse darauf, wie das Leben hier bei uns entstanden sein könnte. Dass Titan selbst Leben beherbergt, ist aufgrund der Temperaturen von minus 179 Grad unwahrscheinlich. Doch könnte unter dem Boden ein Wasserozean bestehen, der zumindest Vorstufen des Lebens hervorgebracht hat.

Viele weitere Himmelskörper mit einer geeigneten Atmosphäre für fliegende Sonden gibt es in unserem Sonnensystem indes nicht. Doch nun können der Mars Science Helicopter und die Sonde Dragonfly erstmal zeigen, was sie zur Erkundung ihrer Ziele beitragen können.

(jle)