Faulhaber sorgt für die richtige Balance am Mars

Bebt der rote Planet? Das ist eine der Kernfragen, der die Mission "Insight" die seit 5. Mai 2018 auf den Grund geht.

Bild beigestellt: Faulhaber

Ende November nimmt das sensibelste Seismometer, das jemals gebaut wurde, SEIS, auf dem Mars seine Arbeit auf. Sechs Schrittmotoren mit Planetengetrieben von Faulhaber sind gerade unterwegs durch das All und haben nach der Landung zwei Aufgaben: Zum einen ist die Messmechanik exakt auszubalancieren und zum anderen müssen die als Folge starker jahreszeitlicher Temperaturschwankungen auftretenden Spannungskräfte ausgeglichen werden.

Erdbeben sind ein sicheres Zeichen für Massenbewegungen eines Planeten. Diese Erkenntnis ist innerhalb der Naturwissenschaften noch gar nicht so alt. Vor gut 100 Jahren war es der deutsche Geowissenschaftler Alfred Wegener, der die anfangs von Kollegen belächelte Theorie der Plattentektonik aufstellte. Heute gehört das Wissen über Kontinentalplatten, die auf dem flüssigen Erdmantel schwimmen und sich verschieben, zum Schulunterricht. Tiefe Grabenbrüche und hohe Rücken: Die Kontinentalplattenverschiebung verändert geologische Formen. Das ist auf der Erde bekannt. Doch wie sieht die Situation auf dem Nachbarplaneten Mars aus?

Sensibel, wie sonst kein anderes

Über eine Länge von rund 400 Kilometer erstreckt sich in Deutschland der Oberrheingraben. Auf dem Mars hat das Valles Marineris die zehnfache Länge und misst dabei auch noch Tiefen bis sieben Kilometern. Ist der Canyon auf unserem Nachbarplaneten ebenfalls das Resultat von sich verschiebenden Platten der Planetenkruste? Und: Ist dieser Prozess abgeschlossen oder dauert er an? Antworten auf diese Fragen lassen sich beantworten, indem die Wissenschaft seismische Wellen misst.

Bebt der Mars? Die am 5. Mai 2018 von der NASA gestartete Mission «Insight» soll unter anderem auch darüber Aufschluss geben. Die Landeeinheit wird Ende November auf dem Mars aufsetzen und dann mit ihrem Roboterarm ein Seismometer auf der Oberfläche platzieren. Das Messinstrument mit Namen SEIS ist so empfindlich, dass es Verschiebungen des Untergrunds detektieren kann, die den Durchmesser eines einzelnen Wasserstoffatoms besitzen. Die NASA spricht hier «vom sensibelsten Seismometer, das je gebaut wurde».

Materialausdehnungen kompensieren

Die Feinfühligkeit und Messgenauigkeit ist mit unter anderem das Resultat des thermischen Ausgleichs eines Federmechanismus. Dieser ist notwendig, weil die unterschiedlichen Jahreszeiten auf dem roten Planeten stark variierende Temperaturen an den Tag legen. Und was auf der Erde gilt, hat auch auf dem Mars nicht an Gültigkeit verloren: Unterschiedliche Temperaturen lassen Werkstoffe schrumpfen, ausdehnen und ihre Festigkeit verändern – ein Aspekt, der gerade in Federmechanismen spürbar wird. Drei Schrittmotoren vom Typ AM 0820 von Faulhaber sind im Inneren der Vakuumkammer von SEIS eingebaut, um diesen Temperaturausgleich vorzunehmen. Kombiniert sind die Einheiten mit ihrem Durchmesser von gerade einmal acht Millimetern mit Planetengetrieben der Faulhaber-Serie 08/1. Die Getriebe mit ihrem Edelstahlgehäuse sind für den Einsatz auf dem Mars mit einem speziellen Schaft versehen und verfügen über ein besonders beschichtetes Kugellager.

Der Bau des Seismometers lang vornehmlich in der Hand von Sodern – Tochter der Ariane-Gruppe aus Frankreich. Bei der Evaluation der Antriebstechnik, war Sodern auf der Suche nach der besten technischen Ausstattung. „Das war schon eine aufwändige Recherche“, blickt Pressesprecher Rémy Lambertin zurück. Sein Unternehmen war schließlich in Begriff, „eines der kleinsten Instrumente zu bauen, das wir jemals auf den Mars geschickt haben.“ Und je kleiner heißt, dass die Konstruktion auch zerbrechlicher ist. Folglich lag die Messlatte hoch bei Aspekten wie Robustheit, Langlebigkeit und Betriebssicherheit.

Mindestens 160 Korrekturzyklen soll die gemeinsam mit der französischen Faulhaber Tochtergesellschaft konzipierte Schrittmotor-Antriebslösung über einen Zeitraum von zwei Jahren durchhalten. Die auf der Erde unternommenen Lebensdauertests waren allerdings auf sechs Jahre ausgelegt – und dieses in einem thermischen Arbeitsbereich von -120 bis +70 Grad Celsius. Schrittmotoren von Faulhaber haben sich in solch anspruchsvollen Umgebungsbedingungen bereits in anderen Mars-Missionen der NASA und ESA bewiesen.

Gut geschmiert – eine echte Herausforderung

Eine besondere Herausforderung beim Einsatz innerhalb des Seismometers bestand nach Auskunft von Rémy Lambertin darin, die Antriebstechnik wirksam zu schmieren. Ein spezielles Schmiermittel ist deshalb notwendig, weil auf der Marsoberfläche ein durchschnittlicher Druck von lediglich 6,36 hPa herrscht. Das entspricht in etwa dem Luftdruck auf der Erde in 35 Kilometern Höhe. Die verlässliche Schmierung der Kugellager der Motoren sowie der Gleitteile des Getriebes mit einem Produkt aus dem Hause Dicronite gehört zu den entscheidenden Faktoren, auf der Marsoberfläche spielfrei und mit langer Lebensdauer SEIS zu justieren.

Konstruktiv besteht SEIS – die Abkürzung steht für Seismic Experiment für Interior Structure – aus zwei triaxialen seismologischen Sensoren, die Bodenbewegungen in verschiedener Intensität und Frequenz registrieren. Der eine Sensor misst Frequenzen von 0,01 bis 10 Hertz, der andere von 0,1 bis 50 Hertz. Unterstützt wird SEIS von Messgeräten, die Windstärke, Luftdruck, Temperatur und das Magnetfeld aufzeichnen. Das Ziel dieser Messungen besteht darin, Informationen zu gewinnen, ob Schwingungen wirklich seismischen Ursprungs sind oder nur das Resultat von Störfaktoren auf der Marsoberfläche. In Summe kann das Instrument Erschütterungen detektieren, die den Boden des roten Planeten um weniger als die Dicke eines Wasserstoffatoms auslenken. Diese Präzision ist nur deshalb möglich, weil das mit FAULHABER Schrittmotoren elektrisch angetriebene Positioniersystem eine ausgeklügelte Nivellierung vornimmt. Entwickelt wurde das System übrigens in Deutschland am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen.

Spielfreie Kleinstantriebe

Die Antriebsachsen werden nach der Landung im November mit einer Positioniergenauigkeit arbeiten, dessen Toleranz unter 0,1 Grad liegt. Die Spielfreiheit der insgesamt sechs FAULHABER-Antriebsachsen gewährleistet die dauerhafte hohe Wiederholgenauigkeit der Verfahrwege – und dieses mit einer Eigenmasse unter 20 Gramm. Dieser technische Aufwand ist deshalb notwendig, weil SEIS auf dem Mars alleine ist. Seismometer auf der Erde sind im Gegensatz dazu meist Teil eines Netzwerks – was unter dem Strich die Messgenauigkeit verbessert. Vor diesem Hintergrund ist das hochempfindliche Seismometer auf dem roten Planeten in einer wärmeisolierten Vakuumbox platziert, die vor störenden Umweltfaktoren schützen soll.

Autor: Dipl.-Sozialwirt Thorsten Sienk (www.sienk.de