Laser-Landesystem für Mond und Mars

Robotische Raumfahrzeuge, die auf Mond oder Mars landen, können den genauen Ort bislang nicht frei wählen – stattdessen findet ihr Touchdown immer nur dort statt, wo sie ihre Flugbahn hinführt. Das wissenschaftlich interessanteste Gelände auf fremden Himmelskörpern ist jedoch oft auch jenes, das am schwersten zu erreichen ist. Forscher bei der NASA entwickeln deshalb nun ein optisches Sensorsystem, das es zum ersten Mal ermöglichen soll, sichere Landeplätze zu identifizieren und dann anzupeilen.

Die dabei zum Einsatz kommende Technologie ist ein LIDAR-System ("Light detection and ranging"), das drei kontinuierliche Laserstrahlen zur Oberfläche schickt. Es misst die Eigenschaften des Lichts, das zurückgeworfen wird, um die Geschwindigkeit und Position des Raumfahrzeuges relativ zum Himmelskörper zu bestimmen – und zwar in drei Dimensionen. "Es ist wesentlich genauer als alle anderen verfügbaren Technologien, wenn es darum geht, die eigenen Koordinaten im Hinblick auf die Oberfläche zu bestimmen und wird deshalb in diesem Bereich eine Revolution darstellen", glaubt Bob Reiss, Projektmanager des Vorhabens am Langley Research Center der NASA.

Traditionelle LIDAR-Systeme nutzen kurze Laserlichtimpulse und messen dann die Zeit, die nötig ist, bis sie zur Ausgangsquelle zurückkehren. Die neue NASA-Technik misst hingegen den so genannten "Doppler Shift" – die Veränderungen der Frequenz des zurückgeworfenen Strahls, die direkt proportional zur relativen Geschwindigkeit zwischen Raumfahrzeug und Oberfläche ist. "Er muss dazu lange genug kontinuierlich leuchten, um die Messwerte nehmen zu können. Außerdem muss der Strahl sehr stabil sein. Das gelingt bei kurzen Impulsen nicht." Hinzu kommt, dass traditionelle LIDAR-Systeme nur einen Strahl nutzen, während das der NASA auf drei setzt. "Es ist also eigentlich eine vollkommen andere Technik", sagt Reiss. Die Kombination der Doppler Shift-Messung mit den zusätzlichen Strahlen erlaubt es dem Raumfahrzeug, seine Geschwindigkeit bis auf Zentimeter pro Sekunde genau zu berechnen. Auch die relative Position ist im Zentimetermaßstab erfassbar, wenn der Abstand bei ein bis zwei Kilometern von der Planetenoberfläche liegt.

"Das wird das System auch viel schneller machen", sagt Donald Figer, Professor am Rochester Institute of Technology und Direktor des "Rochester Imaging Detector Laboratory" (RIDL). "Die NASA erhält dadurch mehr Daten und das in höherer Auflösung." Figers Team arbeitet derzeit selbst mit Forschern am Lincoln Laboratory des MIT, um ein neues LIDAR-System für das Kartografieren von Planeten zu bauen.

Das NASA-LIDAR-System ist Teil des so genannten "ALHAT"-Projektes, bei dem es um autonome Landungen von Raumfahrzeugen geht, die gleichzeitig automatisch Hindernissen ausweichen können. Mit ALHAT soll auch die nächste Generation von Mondlandern ausgestattet sein. Die einzige Möglichkeit, die es heute gibt, um sich gegen Beschädigungen bei der Landung abzusichern, sind große Luftpolster, in die das Raumfahrzeug praktisch eingepackt ist. Sonden landen auf diese Weise mit voller Härte beispielsweise auf dem Mars und prallen zunächst vom Boden ab, bis sie schließlich liegen bleiben. "Mit Astronauten an Bord will man aber nicht auf diese Art landen", sagt Figer. Außerdem müssten spätere Missionen dazu fähig sein, bestimmte Bereiche auf einem Himmelskörper anzusteuern, um beispielsweise nach Ressourcen zu fahnden, was auch Orte sein könnten, an denen Steine, Krater und andere Hindernisse vorkommen.

Um die Sicherheit einer Landestelle zu bestimmen, wird die NASA ihre neue optische Technologie mit einem schnelleren, kommerziellen LIDAR-System kombinieren. Dieses so genannte Flash-LIDAR kann auch zur Gewinnung von Bildern der direkten Oberfläche verwendet werden, das Jet Propulsion Laboratory der NASA testet dies bereits. "Wir wollen an guten Stellen landen und diese Technologie wird uns dabei helfen", sagt Figer.

Erste Flugtests wurden am Dryden Flight Research Center bereits über der Mojave-Wüste im Norden von Los Angeles durchgeführt. Die LIDAR-Technik funktionierte dabei besser als der zusätzlich an Bord befindliche GPS-Empfänger neuester Bauart. Die Technologie soll nun so lange weiter getestet werden, bis sie sicher genug für bemannte Landefahrzeuge ist. (bsc)