Quelle: DLR 25. Juli 2023.

25. Juli 2023 – Das Weltall, den Mond oder den Mars erkunden – dazu entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Schlüsseltechnologien wie die Telepräsenz-Robotik. So könnten Roboter auf einem fernen Planeten Aufgaben erledigen, die ein Mensch vom Raumschiff im Orbit aus kommandiert. Wie das künftig funktionieren kann, hat nun das Missionsteam „Surface Avatar“ am DLR in Oberpfaffenhofen gezeigt: Von der Internationalen Raumstation ISS aus steuerte eine einzelne Person, NASA-Astronaut Frank Rubio, gleichzeitig mehrere Roboter auf der Erde und ließ sie nach Bedarf teil- oder vollautonom agieren. Diese Kollaboration von Mensch und Roboterteam ist weltweit einmalig und der erfolgreiche Auftakt einer neuen ISS-Experimentreihe.

Das Projekt Surface Avatar wird vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik geleitet und erfolgt in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA.

„Für uns ist es sehr wichtig, den Aspekt der Mensch-Roboter-Kollaboration in den Vordergrund zu stellen, um Astronautinnen und Astronauten die optimale Unterstützung bereitzustellen. Dazu haben wir vor Jahren bereits die Technologie der kollaborativen Roboter entwickelt, die mittlerweile auch terrestrisch breit eingesetzt wird.

Mit den neuesten Durchbrüchen in der KI werden Roboter so vielseitig und intelligent, dass sie leicht auch von Nicht-Robotikern genutzt werden können“, erklärt Prof. Alin Albu-Schäffer, Direktor des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik.

Das Robotikteam verfolgt mit den Experimenten zwei Ziele: Zum einen soll demonstriert werden, wie unterschiedliche Roboter zusammen komplexe Aufgaben für Weltraummissionen erledigen können. Zum anderen untersucht das Team die Variationen, wie sich die Roboter telekommandieren lassen, um diese als intelligente Co-Worker jederzeit genau so einzusetzen, wie es die Situation erfordert.

Arbeiten von manuell bis voll automatisiert
Für das aktuelle Experiment wurde im Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum am DLR-Standort in Oberpfaffenhofen eine Marslandschaft aufgebaut. In dem Szenario sollten drei Roboter als „Vorhut“ des Menschen erste Arbeiten auf der Planetenoberfläche ausführen.

Astronaut Frank Rubio kommandierte die Roboter vom Columbus-Modul der ISS aus und konnte in der zweistündigen Versuchszeit alle Aufgaben umsetzen: Mithilfe des humanoiden DLR-Roboters Rollin’ Justin entlud er den Lander und installierte einen seismischen Sensor. Den Interact Rover der ESA nutzte der Astronaut zur Überwachung des Geländes und den DLR-Lander LAMA zur Unterstützung der wissenschaftlichen Aktivitäten.

Als völlig neue Technologie testete Rubio eine Steuerung mit skalierbarer Autonomie. Er konnte also bestimmen, in welchem Umfang ein Roboter eine Aktion selbstständig ausführen soll. Per Knopfdruck konnte er einen Roboter eine Aufgabe vollständig autonom ausführen lassen. Der Astronaut konnte aber auch als Avatar den Roboter übernehmen und einzelne Arbeitsschritte wie mit eigener Hand ausführen. Dazu stand ihm das Robot Command Terminal (RCT) zur Verfügung, das drei Bedienelemente vereint: Über einen Bildschirm konnte er jederzeit sehen, was der einzelne Roboter sieht, mithilfe eines Joysticks die Bewegungen steuern und dank eines Interaktionsgeräts mit Kraftrückkoppelung fühlen, was der Roboter „fühlt“.

Als Frank Rubio als Rollin‘ Justin zum Beispiel ein Seismometer auf der simulierten Planetenoberfläche platzierte, spürte der Astronaut den Widerstand des Instruments in der Hand.

Zusammenarbeit am Boden und im All
Das RCT ist intuitiv bedienbar, sodass sich der Astronaut schnell an die Tele-Steuerung gewöhnte. Die meisten Aufgaben konnte er dadurch ohne Hilfestellung umsetzen. Das Robotikteam überwachte das Experiment vom Marslabor in Oberpfaffenhofen aus und stand in Funkkontakt mit dem US-Amerikaner auf der ISS.

„Wir freuen uns, einen Schritt weiter zu sein, um Raumfahrenden und Expertinnen und Experten auf der Erde eine breite Palette von Möglichkeiten anzubieten und ganze Teams aus verschiedenen Robotern vom Weltraum aus zu steuern und zu verwalten. Wir werden künftig in der Lage sein, unsere Roboter auf der Oberfläche als ihre physischen Avatare und als intelligente Mitarbeitende zu nutzen, die immer komplexere Aufgaben ausführen“, sagt Principal Investigator Dr. Neal Y. Lii vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik.

„Diese Mensch-Roboter-Kollaboration ebnet den Weg für zukünftige Missionen und permanente Außenposten auf dem Mond und darüber hinaus“, ergänzt ESA-Projektleiter Dr. Thomas Krüger vom ESA Human-Robot Interaction Laboratory.

Damit sich das Projektteam auf das fachliche Geschehen konzentrieren konnte, wurden sie von den Kolleginnen und Kollegen des Columbus-Kontrollzentrums unterstützt. So sorgte das Betriebsteam für die technischen Voraussetzungen und behielt im Blick, dass Surface Avatar und die anderen Aktivitäten an Bord der ISS aufeinander abgestimmt waren.

Zukunft Mond und Mars
Nach der erfolgreichen Technologiedemonstration folgt nun die detaillierte Auswertung sowie die Vorbereitung der nächsten Simulationen. Surface Avatar sieht mindestens drei Experimente im Abstand von rund sechs Monaten vor, die immer umfangreicher und komplexer werden. Die Forschenden von DLR und ESA werden die Fähigkeiten und Telekommandierung der Roboter dazu gezielt weiterentwickeln. Hinzukommen wird auch DLR-Roboter Bert, der mit seinem hundeähnlichen Körper auf vier Beinen auch unwegsames Gelände erkunden kann. „Es geht darum, den Einsatz von intelligenten Robotern zusammen mit Astronautinnen und Astronauten zu demonstrieren und zu üben und die Schnittstellen weiterhin zu verbessern, um die Technologie in den nächsten Missionen zum Mond und später zum Mars einzusetzen“, fasst Prof. Albu-Schäffer zusammen.

Roboter können überall dort eingesetzt werden, wo es für den Menschen zu gefährlich ist. Erkundungsmissionen im Weltraum sind ohne robotische Unterstützung daher undenkbar. Für künftige Missionen wird die Interaktion von Mensch und Roboter eine noch wichtigere Rolle spielen. Aus den Surface-Avatar-Experimenten gewinnen die Forschenden dazu grundlegende Daten, zum Beispiel wie sich die Latenzzeiten auf die Steuerung auswirken, wie die Schwerelosigkeit die Wahrnehmung des Astronauten beeinflusst und welche Herausforderungen sich im Betrieb stellen. Für das kommende Lunar Gateway und andere Missionen zum Mond oder Mars wird Surface Avatar die Telerobotik somit entscheidend weiterbringen.

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Quelle: DLR.

Die Mission Martian Moons eXploration (MMX) der japanischen Raumfahrtagentur JAXA wird bei ihrem Start 2024 einen deutsch-französischen Rover mitführen, der auf dem Marsmond Phobos landen und die Oberfläche für rund drei Monate erkunden wird. Derzeit laufen in der Lande- und Mobilitätstestanlage (LAMA) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen erste Tests zur Landung. Anhand eines ersten vorläufigen Entwicklungsmodells prüfen die Ingenieurinnen und Ingenieure wie robust der etwa 25 Kilogramm leichte Rover ausgelegt werden muss, um den Aufprall auf der Mondoberfläche nach etwa 40 bis 100 Meter freiem Fall gut zu meistern.

„Wir lassen das vorläufige Modell des MMX-Rovers unter Laborbedingungen aus fünf Zentimetern Höhe auf einen wechselnden Untergrund in verschiedenen Winkeln fallen“, erklärt Versuchsleiter Michael Lange vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik. „Da der Marsmond Phobos wegen seiner geringen Schwerkraft an der Oberfläche nur etwa ein Zweitausendstel der Erdfallbeschleunigung aufweist, können wir so die Intensität des Aufpralls für die Rover-Struktur simulieren.“ Eine besondere Herausforderung ist, dass der frei fallende Rover mit einer beliebigen Orientierung auf die Oberfläche trifft und dabei möglicherweise direkt auf einen Stein prallt. „Um diese Situation nachzustellen, verwenden wir zusätzlich zu einer ebenen Platte zwei Halbkugeln mit zwei und neun Zentimetern Durchmesser, die in einem Sandbett stehen“, sagt Michael Wrasmann vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. „Der genaue Landepunkt unterliegt dem Zufall und wir bereiten uns mit dieser Analyse auf die verschiedenen Szenarien vor.“

Sandwichbauteile mit Wabenkern
Das vorläufige Testmodell im Labor ähnelt dabei bereits mit zwei montierten Rädern sowie zwei Rad-Dummies (inklusive eines mechanischen Sicherungssystem für Start und Landung) dem späteren MMX-Rover, um potentielle strukturelle Schwachstellen aufzudecken und zu verbessern. Das 47,5 cm x 55 cm x 27,5 cm messende Gehäuse des Rovers ist dabei eine Leichtbaukonstruktion aus gezielt versteiften Sandwichbauteilen mit Deckschichten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und einem Aluminium-Wabenkern.

Ergänzend zu den Laborversuchen werden auch umfangreiche Simulationen im Computer durchgeführt, die die Ergebnisse der Versuchsreihe um eine Vielzahl weiterer Landesituationen erweitern. Um die Genauigkeit des mechanischen Berechnungsmodells zu verbessern, finden zudem im Rahmen der Versuchsreihe Tests zum Schwingungsverhalten der Rover-Struktur statt. Die Erkenntnisse der Versuche helfen den Forscherinnen und Forschern nachfolgend das Design des MMX-Rovers detaillierter festzulegen.

„Für 2021 ist die Erprobung eines dann bereits deutlich detaillierteren Strukturmodells mit allen Elementen des Bewegungssystems geplant. Dieses besteht aus den vier, an beweglichen Beinen angebrachten Rädern und einem am Heck des Rovers befindlichen Klapp-Mechanismus. Dieser Mechanismus bringt den Rover bei seitlicher Landung in eine Position, die es ihm ermöglicht mit Hilfe seiner Beine autonom in die letztendliche Fahrposition zu kommen und seine Solarpanele zu entfalten“, erklärt der DLR-seitige Gesamtprojektleiter für den MMX-Rover Markus Grebenstein vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen.

Zusätzlich zu den strukturellen Belastungen durch die Landung ist der Rover extremen Strapazen durch die Umgebungsbedingungen ausgesetzt. So erwärmt sich Phobos innerhalb seines nur sieben Stunden dauernden Tages von -150 Grad Celsius auf +50 Grad Celsius. Das Innere des Rovers muss hierbei aktiv auf einer vergleichsweise konstanten Temperatur gehalten werden, um die Qualität der wissenschaftlichen Messungen zu gewährleisten. „Deshalb werden 2021 ebenfalls ausgiebige Tests des Temperaturverhaltens des Rovers anhand eines Thermalmodells erfolgen“, so Grebenstein weiter.

Der Start der JAXA-Mission Martian Moons eXploration (MMX) ist für 2024 geplant, der Eintritt in den Marsorbit für 2025. Ziel der Mission ist es die beiden Marsmonde Phobos und Deimos zu untersuchen und dabei zu klären, ob sie als eingefangene Asteroiden den Roten Planeten umkreisen, oder sich aber bildeten, nach dem ein größerer Körper auf dem Mars eingeschlagen war und sich dabei ausgeworfenes Material zu neuen Körpern zusammenfügte.

Die Bildung des Systems Mars, Phobos und Deimos ist ein Schlüssel, um die Planetenbildung im Sonnensystem besser zu verstehen. Die Landung des MMX-Rovers ist als Teil der Mission für Ende 2026 oder Anfang 2027 geplant. Dieser wird rund 100 Tage detailliert die Oberflächenbeschaffenheit des Marsmondes analysieren und damit zur Lösung des wissenschaftlichen Rätsels seiner Entstehung beitragen.

Partnerschaftliche Zusammenarbeit
Der deutsch-französische MMX-Rover wird unter gemeinsamer Leitung des DLR und der französischen Raumfahrtagentur CNES (Centre National d’Études Spatiales) entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung der Roboter Struktur, des gesamten Aufricht- und Fortbewegungssystems, sowie eines Raman-Spektrometers und eines Radiometers, die die Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit messen werden. CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie zur Untersuchung der mechanischen Bodeneigenschaften. Darüber hinaus entwickelt CNES das zentrale Service-Modul des Rovers inklusive des Onboard-Computers sowie des Energie- und Kommunikationssystems. Nach dem Start wird der Rover dann von Kontrollzentren des DLR und der CNES betrieben.

Die Mission MMX steht in der Tradition einer bereits langjährigen erfolgreichen Kooperation der Partner JAXA, CNES und DLR. Sie knüpft an die Vorgängermission Hayabusa2 an, bei der die JAXA eine Raumsonde zum Asteroiden Ryugu schickte mit dem deutsch-französischen Lander MASCOT an Bord. Am 3. Oktober 2018 landete MASCOT auf Ryugu und sendete spektakuläre Bilder einer Landschaft mit viel Geröll, Steinen und fast ohne Staub zur Erde, den Wissenschaftler eigentlich auf Ryugu erwartet hatten. Hayabusa2 nahm Proben von Ryugu und fliegt derzeit zurück zur Erde. Die Proben des Asteroiden sollen in einer Kapsel am 6. Dezember 2020 in Australien landen und anschließend im Labor untersucht werden.

Die Landung des MMX-Rovers als Animation (.mp4):

• Lan­dung des MMX-Ro­vers in der Simulation (DLR (CC BY 3.0))

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• MMX Phobos Sample Return (JAXA)

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Quelle: DLR.

Der Mars hat zwei Monde, Phobos und Deimos, die als eingefangene Asteroiden den Roten Planeten umkreisen und Ziel der japanischen Mission Martian Moons eXploration (MMX) mit internationaler Beteiligung sind. Der Start von MMX ist derzeit für 2024 geplant, der Eintritt in den Marsorbit für 2025 und schließlich die Rückführung von Proben der Monde zur Erde im Jahr 2029. Die Raumsonde wird einen deutsch-französischen Rover mitführen, der entweder auf Phobos oder auf Deimos landen wird, um die Ooberfläche für mehrere Monate im Detail zu erforschen. Die Wissenschaftler erhoffen sich dadurch neue Erkenntnisse, wie sich unser Sonnensystem einst gebildet und entwickelt hat. Auf der internationalen Luft- und Raumfahrtmesse in Le Bourget bei Paris vereinbarte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nun mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA sowie der französischen Raumfahrtagentur CNES die weitere Zusammenarbeit.

„Die weltweit erste Erkundung der Marsmonde mit einem Rover ist eine große technische Herausforderung, der wir uns im Rahmen der starken und bewährten Partnerschaft mit Japan und Frankreich stellen“, sagt die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr. Pascale Ehrenfreund. „Gemeinsam wollen wir die Grenzen des technisch Machbaren in der robotischen Exploration sowie des Wissens über die Entstehung unseres Sonnensystems verschieben.“

Für die Kooperation unterzeichneten am 18. Juni 2019 Prof. Dr. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie, Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand für das Raumfahrtmanagement sowie Dr. Hitoshi Kuninaka, Generaldirektor des JAXA-Instituts für Raumfahrt und Astronautische Forschung eine Vereinbarung, die die Beteiligung des DLR an der japanisch geführten MMX-Mission regelt. Zentral sind dabei die Beiträge zum deutsch-französischen Rover der Mission. Darüber hinaus stellt das DLR wissenschaftliche Erkenntnisse über die Marsmonde Deimos und Phobos zur Vorbereitung zur Verfügung und ermöglicht Tests in der Lande- und Mobilitätstestanlage (LAMA) des DLR sowie im Fallturm des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen.

Am 19. Juni 2019 folgte die Unterzeichnung des deutsch-französischen Kooperationsabkommens durch die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Pascal Ehrenfreund, den DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und Technologie Prof. Hansjörg Dittus sowie CNES-Präsident Jean-Yves le Gall, über die partnerschaftliche Zusammenarbeit bei der Entwicklung des Rovers im Rahmen der MMX-Mission. Der deutsch-französische Rover wird unter gemeinsamer Leitung entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung des Rovergehäuses, des robotischen Fortbewegungssystems sowie eines Spektrometers und eines Radiometers, die jeweils Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit messen werden. Die französische Raumfahrtagentur CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie mit dem zentralen Service-Modul des Rovers. Nach der Landung wird der Rover dann gemeinsam von DLR und CNES betrieben.

Die Mission MMX mit der Zusammenarbeit von JAXA, DLR und CNES steht in der Tradition der erfolgreichen Vorgängermission Hayabusa2 zum Asteroiden Ryugu, auf dem am 3. Oktober 2018 der Lander MASCOT über die Oberfläche hüpfte und spektakuläre Bilder einer Landschaft mit viel Geröll, Steinen und fast ohne Staub zur Erde sendete. Am selben Tag unterzeichneten JAXA, DLR und CNES bereits eine erste Absichtserklärung zur zukünftigen Zusammenarbeit im Rahmen der MMX-Mission.

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• MMX Phobos Sample Return (JAXA)

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