Lineare DC-Servomotoren stabilisieren Weltraumkapsel

Kleinstantriebe leisten heute Beachtliches in den unterschiedlichsten Anwendungen – so auch beim einem Projekt  der Schweizer Hochschule für angewandte Wissenschaften in Genf, wo zwei kleine lineare DC-Servomotoren dafür sorgen, dass die Fluglage einer Weltraum-Transportkapsel für kosmisches Material bei der Rückkehr zur Erde stabil bleibt.

Linearmotoren können recht unterschiedlich konstruiert sein, denn grundsätzlich lassen sich „drehende“ Elektromotoren aller Prinzipien in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke. Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten.

Die DC-Linearantriebe der Serie „Quickshaft“ aus dem Hause Faulhaber beispielsweise sind nicht als solche „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. Durch diese innovative Konstruktion ergeben sich ein ausgesprochen gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Zudem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in Mikropositioniersystemen besonders gut eignen.

Die Frage wie unser Sonnensystem und das Leben auf der Erde entstanden sind, ist bis heute nicht abschließend beantwortet. Es gibt jedoch Indizien, dass Asteroiden oder Kometen dabei eine wichtige Rolle spielten. Auf der Suche nach weiteren Hinweisen fliegen Raumsonden zu solchen Himmelskörpern und sammeln dort Proben ein. Die Kapseln, die das Material dann zurückbefördern, sollen den Eintritt in die Erdatmosphäre natürlich unbeschadet überstehen. Das sicherzustellen, ist Ziel des Hades-Projekts (Hayabusa Active Dynamic re-Entry Stabilisation), das von Faulhaber gesponsert wird.

Schon 1969 bei der ersten Mondlandung wurden auf dem Himmelskörper Proben gesammelt und zur Erde gebracht. Zum Einsammeln von kosmischem Gestein ist die bemannte Raumfahrt aber eigentlich zu aufwendig. Mittlerweile sind es daher vor allem unbemannte Sonden, die Substanzen von Himmelskörpern holen. Brachten die berühmten Astronauten noch mehrere Zentner Mondgestein mit nach Hause, begnügen sich die unbemannten Missionen in der Regel mit wenigen Gramm des kosmischen Materials, denn dank moderner Untersuchungsmethoden reichen auch kleinste Mengen für tiefgreifende Forschung aus. Sie hilft den Wissenschaftlern, die Vorgänge bei der Entstehung unseres Sonnensystems besser zu verstehen. 

Bevor der Sternenstaub aus dem All untersucht werden kann, muss er zur Erde zurückgelangen. Dafür verwenden die unbemannten Missionen sogenannte Rückholkapseln. Sie werden in einem genau berechneten Moment von der Raumsonde gelöst, abgestoßen und auf den Weg gebracht. Die Anziehungskraft der Erdmasse lässt sie schließlich in einem vorausberechneten Gebiet landen.

Wie alle Objekte, die aus dem All in die Erdatmosphäre eintreten, heizt sich auch die Kapsel bei Kontakt mit der Atmosphäre stark auf. Gegen diese Einwirkung ist sie durch ihre rund-ovale Form und ein Hitzeschild wirksam geschützt. Eine besonders kritische Phase der Rückkehr beginnt erst kurze Zeit später, nachdem sie vom Luftwiderstand bereits stark abgebremst wurde und sich „nur“ noch mit Unterschallgeschwindigkeit bewegt.

In diesem Abschnitt ihres Fluges ist die Kapsel bereits der irdischen Aerodynamik ausgesetzt. Jeder Luftwirbel beeinträchtigt ihre Flugbahn und ihre Ausrichtung. Ohne Flügel und Klappen gibt es keine Möglichkeit der Stabilisierung von außen. Es besteht die Gefahr, dass die Kapsel ins Trudeln gerät. Das geschah beispielsweise mit der Rückholkapsel der Genesis-Mission der Nasa im Jahr 2004. Sie verlor in dieser Flugphase ihre vorgesehene Ausrichtung, konnte den Fallschirm nicht auslösen und stürzte ungebremst zu Boden. Um ein solches Szenario zu verhindern, muss also die Lage der Kapsel während des Fluges durch die Atmosphäre stabilisiert werden. Beim Hades-Projekt geschieht das durch Schwerpunktverlagerung.

Die Kapsel soll im Prinzip dasselbe tun, was einen Surfer beim Wellenreiten auf dem Brett hält: Er gleicht die Einwirkung seines dynamischen „Untergrundes“ aus, indem er sein Körpergewicht einsetzt und dessen Schwerpunkt ständig verlagert. In die Sprache der Mechanik übersetzt, findet die ausgleichende Bewegung auf der x- und der y-Achse statt. Wenn man je ein Gewicht auf diesen Achsen hin- und herschiebt, kann man die von außen einwirkenden, destabilisierenden Kräfte kompensieren.

Es lag nahe, lineare DC-Servomotoren im Inneren der Kapsel zu verwenden, um die beiden Gewichte zu bewegen. Praktischerweise reichte in diesem Fall die Motormasse selbst aus, um als Ausgleichsgewicht zu fungieren: Die stabilisierende Wirkung wird bereits erreicht, wenn sich zwei Motoren auf ihren Achsen mit entsprechender Geschwindigkeit hin- und herbewegen. Zusätzliche Masse wird dann nicht benötigt.

Auf der Suche nach zuverlässigen Lösungen für diese Aufgabe und den entsprechenden Linearmotoren entschieden sich die Experten von ESA und Hades für Produkte aus dem Programm ihres Sponsors Faulhaber. Hier fanden sie relativ schnell den passenden Antrieb anhand der physikalischen Anwendungsanforderungen. Diese waren beträchtlich: Als erstes muss der Motor robust sein, um die enormen Kräfte und Vibrationen beim Raketenstart und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre auszuhalten. Vor allem bei letzterem wird es auch in der Kapsel bei Außentemperaturen am Hitzeschild bis über 5.000 °C ziemlich heiß – nachdem sie im All extreme Temperaturen von -270 °C aushalten musste und dem dort herrschenden Vakuum ausgesetzt war. All das darf die Motoren nicht daran hindern, ihre Aufgabe zuverlässig und schnell zu erfüllen. Pro Sekunde müssen sie auf ihrer Bewegungsachse bis zu viermal hin- und herfahren. Dafür benötigen sie ein sehr starkes Hubmoment, da sie dabei gegen beträchtliche Brems- und Fliehkräfte arbeiten müssen. Gleichzeitig ist Platz, wie immer in der Raumfahrt, ein sehr knappes Gut. Die Motoren müssen also bei kleinsten Ausmaßen Höchstleistung liefern.

Die Wahl fiel schließlich auf den DC-Servomotor LM 2070-12, der in allen wichtigen Punkten überzeugte und sich in den Tests als sehr zuverlässig erwies. Zudem ließ sich die Motorsteuerung sehr leicht programmieren und ins Gesamtsystem einbinden. Trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) hat der kleine DC-Servomotor beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung. Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 2,8 m/s.

Getestet wurde die Stabilisierungslösung bisher in Klima- und Vakuumkammern sowie im Windkanal der Genfer Uni. Dort wurde die Reaktion der Kapsel auf den Luftwiderstand beim Flug durch die Atmosphäre simuliert. Dabei haben die Linearmotoren zuverlässig die Fluglage stabilisiert.

Der für März 2020 geplante Praxistest mit echter Rückkehr aus dem Weltraum musste wegen der Corona-Krise ins Frühjahr 2021 verschoben werden. Die Kapsel wird an Bord einer Rexus-Rakete vom Esrange Space Centre im nordschwedischen Kiruna aufsteigen. Nach einer Beschleunigung mit bis zu 20 g soll sie eine Spitzengeschwindigkeit von 4.300 km/h erreichen und sich durch diesen Schwung etwa 100 km von der Erdoberfläche entfernen. Von dort wird dann die Weltraumkapsel, die später das Probenmaterial enthält, zurückgeschickt. Über den aktuellen Stand des Experiments können sich Interessierte auf der Hades-Webseite informieren.