Happy Landings: Ein weicher Roboter für Asteroidenmissionen

Bevor wir fortfahren, ist es wichtig zu sagen, dass Weltraum-Softbots eine langfristige Idee sind, die vorerst auf Eis gelegt wird. McMahons Team erhielt 2017 etwas Geld vom NIAC, dem NASA Innovative Advanced Concepts-Programm; In jüngerer Zeit haben sie untersucht, ob sie einen Teil ihrer Technologie für die Wartung von Satelliten im Orbit oder die Beseitigung von Weltraummüll einsetzen können. McMahon war auch Wissenschaftler bei anderen Missionen, darunter OSIRIS-REx und DART, die letztes Jahr bekanntermaßen in einen kleinen Asteroiden stürzten, um dessen Umlaufbahn zu ändern.

Ein Problem bei kleinen Asteroiden besteht darin, dass viele von ihnen – vielleicht die meisten – keine festen Felsbrocken sind. Wenn sie einen Durchmesser von weniger als 10 Kilometern haben, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass es sich um sogenannte Trümmerhaufen handelt – Ansammlungen von Gestein, Metall und vielleicht Eis, die teilweise durch die gleichen schwachen Kräfte zusammengehalten werden, die auch AoES-Sonden anwenden würden sie zu erkunden. Trümmerhaufen sind für Raumfahrzeuge riskant: Als OSIRIS-REx mit seinem Probenahmearm sanft gegen die Oberfläche von Bennu stieß, stellten die Wissenschaftler überrascht fest, dass dieser mit minimalem Widerstand durchbrach und einen Schauer aus Steinen und Erde in alle Richtungen schickte.

„Es gibt elektrostatische Kräfte, die in der Asteroidenumgebung wirken und nicht unbedeutend sind“, sagt McMahon. „Es ist einfach ein seltsamer Ort, wo die Schwerkraft so schwach ist, dass man die auf der Erde existierenden Kräfte, die wir im Grunde ignorieren, weil sie so unbedeutend sind, auf interessante Weise ausnutzen kann.“

Vielleicht ist die Landung eine Aufgabe für einen Softbot – ein formveränderndes Gelenk-Raumschiff, wie Jay McMahon und Kollegen von der University of Colorado in Boulder seit mehr als sechs Jahren arbeiten. Sie können sie AoES nennen – kurz für Area-of-Effect-Softbots. Die Darstellungen von einem ähneln einer Seerose.

In dieser Darstellung spreizt der Softbot seine Gliedmaßen, um am Asteroiden festzuhalten, während er Trümmer ausgräbt. Die University of Colorado Boulder

Die Ladung muss nicht sehr stark sein; Wichtiger ist, dass die Blütenblätter groß genug sind, dass sie, wenn sie über die Oberfläche verteilt werden, insgesamt einen guten Halt bieten. McMahon und seine Kollegen schlagen vor, dass die Ladung mit HASEL-Aktuatoren (kurz für Hydraulically Amplified Self-Healing Electrostatic) ein- und ausgeschaltet werden könnte, was möglicherweise jeweils nur einen Teil eines Blütenblatts betrifft.

Wie landet man auf einem Asteroiden? Viele sehr talentierte Ingenieure haben darüber nachgedacht. Ein Roboter-Raumschiff sicher auf einem Mond oder Planeten abzusetzen, ist schwer genug, da die Anziehungskraft der Schwerkraft einen demütig hält. Aber ist „Landung“ überhaupt das richtige Wort, wenn es um einen Asteroiden geht, dessen Schwerkraft nur ein paar Millionstel der Schwerkraft auf der Erde beträgt?

Wie wäre es, sich tatsächlich in den Asteroiden zu graben oder Steine aufzuwirbeln, damit sich das Mutterschiff bergen kann? Die Gliedmaßen sollten das Raumschiff festhalten, während ein Probenahmegerät seine Arbeit verrichtet. Was passiert, wenn Ihr Raumschiff an einer ungünstigen Stelle landet oder Sie zu einem anderen Teil des Asteroiden weiterfliegen möchten? Biegen Sie die Blütenblätter und der Softbot kann entlangkriechen, ein bisschen wie eine Raupe. Bei Bedarf kann das Raumschiff langsam von einem Ort zum anderen „hüpfen“ und seine Blütenblätter als Sonnensegel wieder aufrichten, um es zu steuern. Wichtig ist, dass sie ohne großen Treibstoffverbrauch auskommen, der schwer und mengenmäßig begrenzt ist und wahrscheinlich nicht den Asteroiden verunreinigen soll.

„Sie müssen einen Weg finden, sich zurückzuhalten, aber Sie müssen auch einen Weg finden, nicht einzusinken, wenn es zu weich ist“, sagt McMahon. „Und daher kam diese großflächige Idee.“

Die OSIRIS-REx-Mission der NASA soll am 24. September nach einer siebenjährigen Reise zur Probenahme des Regolithen des Asteroiden 101955 Bennu zur Erde zurückkehren – und in diesem Fall beschlossen die Missionsmanager, nicht einmal das Risiko einzugehen, auf Bennu zu landen ™s felsige Kruste. „Wir wollen uns nicht länger als nötig mit der Ungewissheit des tatsächlichen Kontakts mit der Oberfläche auseinandersetzen“, sagte Mike Moreau, der stellvertretende Missionsleiter, im Jahr 2020. Sie entwickelten einen Plan, um den Asteroiden mit einem Stoß zu treffen langer Probenahmearm; Das Schiff umkreiste Bennu mehr als zwei Jahre lang und berührte es ganze 16 Sekunden lang.

Obwohl das Colorado-Team bei der Entwicklung seines Softbot-Konzepts sehr sorgfältig vorgegangen ist, müssen offensichtlich noch unzählige Details ausgearbeitet werden – Fragen der Führung, Navigation, Leistung, Masse und viele andere, ganz zu schweigen von den wirtschaftlichen und politischen Manövern, die für den Start erforderlich sind eine neue Technologie. AoES-Fahrzeuge, so wie sie derzeit entworfen werden, werden vielleicht nie fliegen, aber Ideen daraus könnten ihren Weg in Raumschiffe der Zukunft finden. In McMahons Worten: „Dieses Konzept überwindet auf elegante Weise viele der Schwierigkeiten.“

McMahon und sein Team schrieben 2018 in einem Bericht für die NASA, dass sie sich vorstellen können, dass ein Softbot oder eine Flotte davon von einem Mutterschiff in die Umlaufbahn um einen Asteroiden geflogen wird. Die Blütenblätter könnten teilweise aus Silikonelastomeren bestehen, einem flexiblen Material, das bei früheren Raumfahrzeugen verwendet wurde. In frühen Überlieferungen waren die Blütenblätter eine große Scheibe; Das Blumendesign erwies sich als effizienter. Wenn sie gerade ausgebreitet sind (vielleicht einige Meter lang), könnten sie als eine Art Sonnensegel fungieren, das den Softbot langsam an die Oberfläche führt und sich bei Bedarf zusammenrollt, um die Landung abzufedern. Dann könnten sie ihre Form ändern, um sich der des Asteroiden anzupassen, und sich vielleicht auf natürliche Weise mit Van-der-Waals-Kräften, ergänzt durch eine kleine elektrische Ladung, von ihm anziehen.

Ein noch sanfterer Ansatz kann angebracht sein, wenn Sie einen Roboter auf einem Trümmerhaufen-Asteroiden absetzen möchten. Wenn Sie den Asteroiden erforschen oder ihn vielleicht abbauen wollen, brauchen Sie eine Möglichkeit, sich ihm zu nähern und sich dann auf der Oberfläche niederzulassen, ohne ihn zu verunstalten. Frühe Missionen versuchten es mit Harpunen und Triebwerken und hatten eine harte Zeit.

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Das ist kein Zufall. Ein bisschen wie eine schwebende Lilie hat der Softbot im Verhältnis zu seiner Masse eine große Oberfläche. Wenn also nicht viel Schwerkraft zur Verfügung steht, kann es mit viel geringeren Kräften manövrieren – etwa Elektroadhäsion, Sonnenstrahlung und Van-der-Waals-Anziehung zwischen Molekülen. (Wenn Sie mit den Van-der-Waals-Kräften nicht vertraut sind, stellen Sie sich einen Gecko vor, der an einer Wand klebt.)

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