Das Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelt ein kurvenreiches Geländefahrzeug zur Untersuchung der Venus

Die alte Technologie inspirierte die Entwicklung eines zukünftigen Geländefahrzeugs, das jahrelang bei 500 ° C betrieben werden kann.

Die längste Zeit, die das Raumschiff auf der Oberfläche der Venus halten könnte, beträgt 127 Minuten. Am 1. März 1982 stieg die sowjetische Sonde Venus-13 ordentlich mit dem Fallschirm ab und konnte etwas mehr als zwei Stunden arbeiten, da alle Komponenten des Computers in einem versiegelten Titangehäuse versteckt waren, das zuvor im Orbit gekühlt worden war. Die Temperatur auf der Oberfläche der Venus beträgt durchschnittlich 464 ° C - dies ist höher als auf der Oberfläche von Merkur (dem der Sonne am nächsten gelegenen Planeten) und heiß genug, so dass herkömmliche Elektronik nicht funktionieren kann.

Nicht nur die Temperatur macht die Venus zu einem unangenehmen Ort für Computer - der Druck auf der Oberfläche beträgt 90 Atmosphären, was dem Druck in einer Tiefe von 900 m im Ozean entspricht. Und wenn es Sie beruhigt, dass der Regen von Schwefelsäure, der aus den oberen Teilen der Venusatmosphäre stammt, nicht an die Oberfläche gelangt, dann wissen Sie, dass es dort so dunkel ist (wie am wolkigsten Tag der Erde), dass die Gewinnung von Sonnenenergie äußerst ineffizient sein wird.


Fotos der Oberfläche von der sowjetischen Sonde "Venus-13" stiegen zur Venus ab und arbeiteten dort etwas mehr als zwei Stunden

Die stickige Atmosphäre, die die Oberfläche der Venus so unangenehm macht, minimiert auf schreckliche Weise die Menge an Oberflächendaten, die wir im Orbit sammeln können. Es wäre also sehr, sehr schön, wenn dort unten ein Roboter wäre, der nach allem für uns Ausschau hält. Die meisten Ideen im Zusammenhang mit der Untersuchung der Oberfläche der Venus ähneln denen der sowjetischen Sonden: Stecken Sie die Elektronik in einen isolierten Behälter, der an eine unglaublich leistungsstarke Klimaanlage angeschlossen ist und wahrscheinlich von einem radioaktiven Stirling-Motor mit Plutonium als Kraftstoff angetrieben wird . Forschung und Entwicklung eines solchen Systems werden Milliarden kosten.

Die traditionelle Herangehensweise an ein Geländewagen für Venus ist schwierig, teuer und gefährlich. Ein Team von Ingenieuren des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena, PA. Kalifornien hatte eine innovative Idee, um die Oberfläche der Venus zu untersuchen. Wenn das Problem in der Elektronik liegt, warum nicht loswerden und ein mechanisches Geländewagen erstellen?

Mit Mitteln aus dem Advanced Innovation Concepts (NIAC) -Programm der NASA möchte das JPL-Team wissen, ob es möglich ist, ein Geländewagen zu bauen, um die Venus ohne herkömmliche Sensoren, Computer und Netzteile zu erkunden. Ein Automaton Rover für extreme Umgebungen, AREE, könnte Uhrwerke, Federn und andere Mechanismen verwenden, um die meisten Funktionen des ATV bereitzustellen, einschließlich Leistung, Energiespeicherung, Erfassung, Bewegung und Kommunikation - ohne Elektronik. Aufheizen.


Innerhalb der Globe-Positionsanzeige, die auf dem Raumschiff Voskhod verwendet wird

In einer überlasteten Elektronikwelt verstehen die meisten von uns nicht, was mit mechanischen Computern möglich ist. Vor zweitausend Jahren, plus oder minus einem Jahrhundert, konstruierten die alten Griechen den Antikythera-Mechanismus , mit dem sie die Position von Sonne und Mond berechnen, die Mondphasen anzeigen, Finsternisse vorhersagen, Kalenderzyklen verfolgen und wahrscheinlich die Position von fünf Planeten mit einem Satz von 30 genau kalibrierten Bronze anzeigen können Zahnrad angetrieben von einer Welle mit einem Griff.

Zwischen dem 17. und 19. Jahrhundert entwickelten Blaise Pascal, Gottfried Leibniz und Charles Bebbage mechanische Computer, die verschiedene arithmetische Berechnungen durchführen konnten. Näher an der Neuzeit, in den 1940er Jahren, wurden mechanische Computer aktiv für so harte praktische Zwecke wie das Management von Artilleriefeuer und das Abwerfen von Bomben eingesetzt.

Die Russen verwendeten den mechanischen Computer von Globus , um den Standort ihres Raumfahrzeugs bis 2002 zu berechnen, aber im Allgemeinen wird jetzt alles mit Elektronik erledigt. Und es ist okay, aber nicht auf der Venus, wo der Einsatz der meisten Elektronik unpraktisch sein wird.



Das JPL-Konzept für AREE besteht darin, einen Roboter mit einem Minimum an Elektronik zu entwickeln und sich größtenteils auf mechanische Systeme zu verlassen, die problemlos über Wochen, Monate oder sogar Jahre mit hohen Temperaturen arbeiten können. Jonathan Sauder ist Mechatroniker und Ingenieur in der Technologieeinführungsgruppe bei JPL und Leiter des AREE-Projekts. Wir haben mit ihm gesprochen, um besser zu verstehen, wie dieses Projekt begann und wie alles funktionieren wird.

Wie sind Sie auf die Idee von AREE gekommen?

Jonathan Sauder: Wir saßen mit einer Reihe von Ingenieuren zusammen und arbeiteten in einem gleichzeitigen Entwicklungstreffen. Während einer der Kaffeepausen sprachen wir über coole Mechanismen und Komponenten und wie cool es wäre, ein vollmechanisches Raumschiff zu bauen, wie es aussehen würde und wo immer es verwendet werden könnte. Wir erkannten, dass es sinnvoll wäre, so etwas an zwei Orten zu verwenden, an denen die Elektronik nicht überleben wird: Eine ist die Venus, da die längste, die wir auf der Oberfläche der Venus überleben könnten, zwei Stunden beträgt, und die zweite ist Jupiter aufgrund der radioaktiven Umgebung Umgebung, die den Betrieb der Elektronik stört.

Ist es möglich, ein Geländewagenroboter ohne Elektronik zu bauen?

In Phase I des NIAC-Projekts schlugen wir unsere Idee vor, ein vollmechanisches Geländefahrzeug zu bauen, das überhaupt keine Elektrizität oder Elektronik verwendet, und alle elektronischen Standard-Subsysteme durch mechanische Computer zu ersetzen. Als wir uns mit diesem Thema befassten, stellten wir fest, dass wir kein traditionelles Geländewagen wie Curiosity mit einem zentralen Prozessor bauen können. Wir mussten uns auf eine verteilte Architektur konzentrieren, in der es in einem Gerät viele einfache Mechanismen gibt, die es steuern, signalisieren und ihm sagen, wohin er gehen soll.

Zunächst wollten wir eine Reihe von wissenschaftlichen Messungen mit Hilfe der Mechanik durchführen. Wir haben begonnen, uns mit diesem Problem zu befassen, und festgestellt, dass wir keine Daten mit ausreichender Genauigkeit erstellen konnten, um Bilder zu erstellen oder Parameter wie Temperatur und Druck zu messen. Es gibt verschiedene Optionen für Hochtemperaturelektronik - basierend auf Siliziumkarbid und Gallium -, die bei hohen Temperaturen betrieben werden. Das Problem ist, dass sie sehr schwer zu integrieren sind. Es stellte sich heraus, dass es mit ihrer Hilfe unmöglich ist, ein traditionelles elektrisches System zu organisieren, und es kann nichts getan werden, was zumindest den Anforderungen entspricht, die für die Erstellung eines Geländefahrzeugs erforderlich sind. Aus diesem Grund haben wir uns entschlossen, eine mobile Plattform zu schaffen, die sich bewegen, neue Orte erkunden und viel länger arbeiten kann als vorhandene Systeme.


Frühes AREE-Konzept mit Beinen

Was hat die Entwicklung von AREE begonnen?

Das Hauptziel ist es, die mobile Architektur mit der höchstmöglichen Zuverlässigkeit zu schaffen. Und bereits das zweite Ziel besteht darin, möglichst viele einfache, verteilte Mechanismen zu verwenden, die auf äußere Einflüsse reagieren können, die ein Geländewagen entlang der Oberfläche der Venus lenken können. Beachten Sie, dass das Geländewagen in den frühen Bildern dem Strandbeest sehr ähnlich war - den „wandelnden Tieren“ von Theo Jansen , kinetischen Skulpturen, die an den Stränden der Niederlande entlanggingen. Strandbeest arbeitet mit zwei einfachen Sensoren, die die Bewegung der Beine vorwärts oder rückwärts steuern, und einer integrierten Logik, um weichen Sand und Wasser zu vermeiden.

In den frühen Phasen der Entwicklung des Konzepts haben wir direkt mit Jansen zusammengearbeitet: Er kam für eine zweitägige Zusammenarbeit zu JPL, und wir haben von ihm die Erfahrung gesammelt, die wir in über 30 Jahren Zusammenarbeit mit Strandbeest gesammelt haben. Einer seiner ersten Tipps war, die Beine aufzugeben. Und wenn die Person, die Strandbeest erstellt hat, Ihnen sagt, dass ein Geländewagen auf der Venus keine Beine benötigt, bedeutet dies, dass Sie sich wirklich etwas anderes einfallen lassen müssen. Das Hauptproblem besteht darin, dass Beine, die an flachen, weichen Stränden perfekt funktionieren, instabil sind, wenn Sie sie auf eine vielfältigere Oberfläche bewegen, z. B. in eine unbekannte venusianische Umgebung, was die Wahrscheinlichkeit eines Staatsstreichs und einer Beschädigung des Geländefahrzeugs erhöht.

Infolgedessen wechselte unsere Architektur von Phase I zu Phase II, von einem cool aussehenden Geländewagen mit Beinen zu einer weniger coolen, aber zuverlässigeren und praktischeren Version eines Geländefahrzeugs, das wie ein Panzer aus dem Ersten Weltkrieg aussieht.


Phase-II-Konzept mit Gleisen und integrierter Windkraftanlage. Mit einem möglichen Coup kann sich das Geländewagen noch bewegen.

Können Sie beschreiben, wie sich AREE auf der Oberfläche der Venus bewegen kann?

Wir entwickeln spezielle Systeme zur Vermeidung von Hindernissen und zur Bestimmung der für die Bewegung erforderlichen Energiemenge anstelle des üblichen zentralisierten Systems, mit dem das Geländefahrzeug mehrere Prozesse ausführen oder das Geländefahrzeug mithilfe von Software neu konfigurieren kann.

Wir versuchen, diese Mechanismen so weit wie möglich zu vereinfachen, damit jeder seine spezifische Aufgabe erfüllt, sie aber gut ausführt. Möglicherweise wird durch die Kollision des Geländewagens mit dem Objekt der Hebel geworfen, wodurch es sich ein wenig zurückbewegt, um 90 ° dreht und erneut vorwärts fährt. Wir können nur ein Hindernisvermeidungssystem haben, aber eine solche Aktion kann viele Male wiederholt werden, und als Ergebnis kann sie verwendet werden, um ein Hindernis zu umgehen.



Das Hindernisvermeidungssystem verwendet einen Stoßfänger, Zahnräder mit Zahnrädern und einen Exzenter. Sie ist in der Lage, das Geländewagen nach dem Zurückschlagen zurückzuziehen, dann die Stoßstange und die Schalthebel wieder einzulegen und sich weiter vorwärts zu bewegen. Während der normalen Vorwärtsbewegung wird die Kraft von der Eingangswelle über Zahnräder auf der rechten Seite des Diagramms auf die Ausgangswelle übertragen. Die restlichen Zahnräder drehen sich frei. Bei einem Hindernis legt der Synchronisierer einen Rückwärtsgang ein, was zu dem gegenteiligen Effekt führt. Nachdem der Nocken vollständig gedreht wurde, bewegt er den Stoßfänger zurück in die vordere Position. Der gleiche Exzenter kann verwendet werden, um die Räder des Geländewagens im Rückwärtsgang des Motors zu drehen.

Welche Eigenschaften von AREE sind im Vergleich zu anderen Projekten von venusianischen Geländefahrzeugen einzigartig?

Heutzutage gibt es verschiedene Konzepte für venusianische Missionen, von denen jedes einen mit Mars Curiosity vergleichbaren Betrag kostet und eine Landung an einem oder zwei Orten bietet. Die meisten Vorschläge sind sehr komplex und für eine Arbeitszeit von 2 bis 24 Stunden an der Oberfläche ausgelegt. Wir planen, einen Monat lang zu arbeiten, und hier funktioniert unsere Schlüsselinnovation - die Fähigkeit, viele Stellen auf der Oberfläche der Venus zu untersuchen und zu verstehen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert.

Können Sie beschreiben, wie der perfekte AREE Ihren Erwartungen entspricht?

Ein idealer Roboter kann auf den schwierigsten Oberflächen der Venus arbeiten, den sogenannten Tessern , bei denen es sich um grobe, steinige Lava handelt, die ähnlich wie Parkett oder Fliesen darauf liegt. Unser Ziel ist es, ein Geländefahrzeug auf einer solchen Oberfläche durchzuführen und geologische Proben zu entnehmen, die zu unserem Verständnis der Entwicklung der Venus beitragen. Ein ideales Geländefahrzeug sollte etwas mehr als 1,5 m groß sein - jetzt wird diese Einschränkung durch einen Hitzeschild auferlegt. Wenn wir könnten, würden wir es auf 2,5 m erhöhen, damit es größere Hindernisse überwinden und mehr Energie vom Wind erhalten könnte.

Infolgedessen müssen Sie ein Geländefahrzeug bauen, das die meisten Hindernisse überwinden kann, die langsam aber sicher kriechen und vorwärts kriechen und Proben und Wetterdaten sammeln.


Das Konzept, über die Ebenen in Richtung Tesser zu reisen. Während des Hauptteils der Mission, der 116 Erdentage dauert (ein venusianischer Tageszyklus), wird das Geländewagen 35 km zurücklegen. Die erweiterte Mission ermöglicht es ihm, in drei Jahren eine Strecke von bis zu 100 km zurückzulegen.

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An diesem Punkt werden Sie sich vielleicht schon fragen: Warum sollten wir ein grooviges Geländewagen schicken, um die Oberfläche der Venus zu untersuchen, wenn wir keine Nachrichten von ihm erhalten können? Denn wie kann er uns ohne Elektronik Daten senden? Es gibt Möglichkeiten, Daten mechanisch zu speichern - es ist recht einfach, Zahlen vorübergehend zu speichern, und auf einem Metallphonographen können etwa 1 Megabyte Daten eingegeben werden. Nun, was kommt als nächstes?

Eine der Ideen, die nicht so verrückt ist, wie es auf den ersten Blick scheint, ist die Verwendung von Wasserstoffbällen, um Metallplatten in die obere Atmosphäre der Venus zu heben, wo sie von einer solarbetriebenen Drohne in großer Höhe abgefangen, gelesen und auf einen Satelliten übertragen werden Umlaufbahn. Die Forscher erwägen auch die Option eines Radios mit elektronischen Röhren. Obwohl diese Röhren bei hohen Temperaturen betrieben werden können, sind sie in der venusianischen Atmosphäre anfällig und werden mit einem Verlust an Dichtheit konfrontiert.

Die Entwickler von AREE hatten jedoch eine andere Idee: Radarreflektoren. Ein Radarreflektor, der an einem Geländewagen angebracht ist, kann von der Umlaufbahn aus gesehen werden. Durch Platzieren eines Verschlusses vor dem Reflektor können bei jedem Satellitenpass etwa 1000 Informationsbits übertragen werden. Durch Hinzufügen mehrerer Reflektoren mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen sowie von Rollläden mit unterschiedlichen Frequenzen können Sie bis zu 32 eindeutige Variablen pro Tag übertragen. Darüber hinaus ist es in einigen Fällen nicht einmal möglich, bestimmte Zahlen zu übertragen. Wenn Sie beispielsweise einen Ventilator vor den Reflektor stellen, können Sie die Windgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche messen.

Nachdem Sie ein solches Geländefahrzeug entwickelt haben, das in Bezug auf Fähigkeiten und Zuverlässigkeit einzigartig ist und auf der Venus überleben kann, müssen Sie verstehen, welche Art von wissenschaftlicher Forschung es durchführen kann - und dies ist eine besonders schwierige Frage für AREE, wie im Vorschlag der Phase I des NIAC-Wettbewerbs erläutert:

Eine der Hauptschwächen eines rein mechanischen Systems ist das Potenzial für wissenschaftliche Forschung. Neben der Kommunikation dienen wissenschaftliche Instrumente als Schlüsselbereich, in dem Hochtemperaturelektronik nützlich wäre. Komplexere Messungen, insbesondere geologische, erfordern elektronische Lösungen.

Ende letzten Jahres kündigte die NASA das HOTTech-Programm an, ein Hochtemperatur-Technologieprogramm, das "Spitzentechnologie für die automatisierte Erforschung von Hochtemperaturumgebungen mit Temperaturen nahe oder über 500 Grad Celsius" finanziert. AREE hofft, dass es als Ergebnis von HOTTech wissenschaftliche Werkzeuge geben wird, die auf ihrem Geländewagen überleben können - aber für ein anderes Ergebnis haben sie einige interessante Ideen, um Wissenschaft ohne Elektronik zu betreiben. Zum Beispiel die Messung der Windgeschwindigkeit unter Verwendung einer Turbine, der Temperatur und des Drucks unter Verwendung von Materialien, die sich von der Temperatur aus ausdehnen, und der chemischen Eigenschaften unter Verwendung von Stäben, die auf bestimmte chemische Verbindungen reagieren.


Windenergie wird in einer Verbundfeder gespeichert. Das mechanische System im Diagramm kann die in der Feder gespeicherte Energie messen und verwendet die Kupplung, um Energie auf das Bewegungssystem zu übertragen, wenn sie ausreichend akkumuliert ist. Wenn Sie möchten, dass sich das Geländefahrzeug nach einer bestimmten Zeit oder bei Erreichen anderer Bedingungen bewegt, können Sie mechanische Logikgatter hinzufügen, die auf Uhren oder andere Sensoren reagieren.

Sauder und das Team versuchen nicht, all diese Mechaniken nur zum Spaß zu entwickeln. Die Venus über einen Zeitraum von mehr als ein oder zwei Tagen zu erkunden, ist eine wirklich wichtige Aufgabe. "Unser Ziel ist es nicht, das zu reproduzieren, was auf dem Gebiet der Hochtemperaturelektronik bereits getan wurde oder bald möglich sein wird", sagt Sauder, "sondern eine Reihe mechanischer Lösungen für die Bereiche zu schaffen, in denen es noch keine klaren Lösungen gibt."

Die Technologie, die im Rahmen des AREE-Projekts entwickelt wird, kann an anderen Orten des Sonnensystems nützlich sein - und nicht nur an Orten mit hoher Strahlung, wie beispielsweise in Europa, einem der Jupitermonde. Hier auf der Erde kann AREE nützlich sein, um Proben in der Nähe eines aktiven Vulkans oder in Gebieten mit hoher Strahlung zu sammeln. Ein weiterer Vorteil von AREE besteht darin, dass es bei hohen Temperaturen vollständig sterilisiert werden kann, ohne die Funktionalität vollständig zu beeinträchtigen. Wenn sich beispielsweise unter der Polkappe des Mars ein See mit einer ungewöhnlichen Lebensform befindet, können Sie sterile AREE zur Probenentnahme senden, ohne sich um Verschmutzung sorgen zu müssen.

Jetzt hat AREE Mittel für die zweite Phase des NIAC erhalten. Das Team arbeitet an einer detaillierteren Entwicklung des Bewegungssystems, die wahrscheinlich dazu führen wird, dass die Ketten durch einige Räder ersetzt werden, was zuverlässiger ist. Sie entwickeln auch mechanische Uhren, die bei hohen Temperaturen betrieben werden können - einer der Hauptbestandteile eines autonomen mechanischen Computers. Sauder erwartet interessante Ergebnisse beim Bau und Test eines Radarsignalübertragungssystems für das ganze Jahr. Das interessiert uns auch sehr - dies ist einer der innovativsten Roboter, die wir je gesehen haben, und wir können es kaum erwarten zu sehen, wie es auf die Venus kommt.

Zum von SREE geleiteten AREE-Team gehören auch Evan Hilgeman, Michael Johnson, Aaron Parnes, Bernie Bjenstock und Jeffrey Hall [Evan Hilgemann, Michael Johnson, Aaron Parness, Bernie Bienstock und Jeffery Hall]. Jessie Kawata und Kathryn Stack sind weitere Autoren des Abschlussberichts für Phase I.