Die extremen Bedingungen des Weltraums stellen Robotik-Ingenieure vor grundlegend andere Herausforderungen als terrestrische Anwendungen. Während irdische Roboterarme bei kontrollierten Temperaturen arbeiten und im Zweifelsfall gewartet werden können, müssen Weltraumsysteme bei Temperaturschwankungen von über 300 Grad Celsius funktionieren – und das über Jahre hinweg ohne jede Wartungsmöglichkeit. HEBI Robotics, ein auf modulare Aktuatoren spezialisiertes Unternehmen, hat nun eine NASA-Förderung im Rahmen des Small Business Innovation Research (SBIR) Programms erhalten, um weltraumtaugliche Roboter-Aktuatoren zu entwickeln. Ein Vorhaben, das nicht nur für künftige Mars-Missionen und Satelliten-Wartung entscheidend sein könnte, sondern auch zeigt, wie sich Extrembedingungen als Innovationstreiber für die gesamte Robotik-Branche auswirken.

Die besondere Herausforderung weltraumtauglicher Aktuatoren

Aktuatoren sind die Muskulatur jedes Robotersystems – sie wandeln elektrische Energie in mechanische Bewegung um und ermöglichen es Roboterarmen, Greifsystemen oder beweglichen Kameras, ihre Aufgaben zu erfüllen. Was auf der Erde vergleichsweise unkompliziert erscheint, wird im Weltraum zur technischen Meisterleistung. Die NASA benötigt Aktuatoren für verschiedenste Anwendungen: Von Roboterarmen, die Ausrüstung auf Raumstationen oder Planetenoberflächen montieren, über Mechanismen zum Ausfahren von Solarpanels bis hin zu präzisen Werkzeugen für wissenschaftliche Experimente.

Die Hauptprobleme sind vielfältig: Im Vakuum des Weltraums können herkömmliche Schmiermittel verdampfen oder bei extremer Kälte einfrieren. Temperaturschwankungen zwischen der Schattenseite und Sonnenseite eines Satelliten können Materialien ausdehnen und zusammenziehen, was zu mechanischen Spannungen führt. Zudem ist jedes Gramm Gewicht, das ins All befördert wird, mit enormen Kosten verbunden – Aktuatoren müssen also nicht nur robust, sondern auch leicht sein.

Von Curiosity zu Perseverance: Autonomie als Notwendigkeit

Die Bedeutung zuverlässiger Robotik-Hardware im Weltraum lässt sich am eindrucksvollsten anhand der Mars-Rover demonstrieren. Der Perseverance-Rover hat dabei einen bemerkenswerten Paradigmenwechsel vollzogen: Während der ältere Curiosity-Rover nur etwa 6,2 Prozent seiner Fahrtstrecke autonom zurücklegte, konnte Perseverance bis zu seinem 1.312. Mars-Tag (Stand Oktober 2024) bereits rund 90 Prozent seiner Strecke eigenständig bewältigen.

Diese drastische Steigerung der Autonomie wurde durch den Enhanced Autonomous Navigation-Algorithmus (ENav) ermöglicht, der ein faszinierendes Beispiel für ressourceneffizientes Engineering darstellt. Denn trotz seiner beeindruckenden Leistung läuft ENav auf Hardware, die in ihrer Rechenleistung einem iMac G3 aus den späten 1990er Jahren entspricht. Der Grund für diese scheinbar antiquierte Technik liegt in der sogenannten Strahlungshärtung: Prozessoren müssen gegen die intensive Strahlung im Weltraum geschützt werden, was ihre Fertigungstechnologie erheblich einschränkt.

Die strategische Entscheidung der NASA, bewährte Hardware von früheren Missionen wiederzuverwenden, minimiert Risiken und reduziert Kosten – zwingt die Ingenieure aber zu cleveren Algorithmen, die mit minimalen Ressourcen maximale Ergebnisse erzielen. ENav analysiert etwa 1.700 mögliche Fahrtrouten in einem Umkreis von bis zu sechs Metern und führt nur bei den vielversprechendsten Pfaden die rechenintensive Kollisionsprüfung durch. Am 3. April 2023 stellte Perseverance einen neuen Rekord auf: 331,74 Meter autonom zurückgelegte Strecke an einem einzigen Mars-Tag – weit mehr als die bisherige Bestmarke von 109 Metern des Opportunity-Rovers.

Strahlungshärtung und Material-Engineering

Die Entwicklung weltraumtauglicher Aktuatoren durch HEBI Robotics muss all diese Faktoren berücksichtigen. Ein zentraler Aspekt ist die Strahlungshärtung, die nicht nur für Prozessoren, sondern auch für die Elektronik der Aktuatoren essentiell ist. Kosmische Strahlung und Sonnenwind können elektronische Komponenten beschädigen oder zu Fehlfunktionen führen – ein kritisches Problem, wenn keine Reparatur möglich ist.

Bei der Materialauswahl geht es um weit mehr als mechanische Festigkeit. Materialien müssen bei Temperaturen von minus 150 Grad Celsius bis plus 150 Grad Celsius ihre Eigenschaften behalten. Kunststoffe, die auf der Erde zuverlässig funktionieren, können im Vakuum ausgasen und damit andere empfindliche Instrumente kontaminieren. Metalle müssen so gewählt werden, dass unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten keine kritischen Spannungen erzeugen.

Ein weiterer Faktor ist die Kaltschweißung: Im Vakuum können metallische Oberflächen ohne schützende Oxidschichten bei Kontakt regelrecht miteinander verschmelzen. Dies erfordert spezielle Oberflächenbeschichtungen oder die Verwendung kompatibler Materialkombinationen, die nicht miteinander reagieren.

Modularität als Schlüssel zur Flexibilität

HEBI Robotics hat sich auf modulare Aktuatorsysteme spezialisiert – ein Ansatz, der für Weltraumanwendungen besonders vielversprechend ist. Modularität bedeutet, dass verschiedene Aktuatoren wie Bausteine kombiniert werden können, um unterschiedliche Roboterarme oder Mechanismen zu konstruieren. Dies vereinfacht nicht nur das Design komplexer Systeme, sondern ermöglicht auch schnellere Anpassungen an neue Missionsanforderungen.

Für die NASA bietet dieser Ansatz erhebliche Vorteile: Statt für jede Mission komplett neue Robotersysteme entwickeln zu müssen, können bewährte Komponenten in neuen Konfigurationen eingesetzt werden. Dies reduziert Entwicklungszeiten und -kosten und erhöht gleichzeitig die Zuverlässigkeit, da jedes Modul einzeln getestet und zertifiziert werden kann.

Energieeffizienz als kritischer Faktor

Im Weltraum ist Energie eine kostbare Ressource. Mars-Rover sind auf Solarpanels oder Radioisotopen-Generatoren angewiesen, die nur begrenzte Leistung liefern. Aktuatoren müssen daher extrem energieeffizient arbeiten. Dies erfordert optimierte Motordesigns, intelligente Steuerungsalgorithmen und häufig auch die Fähigkeit, mechanische Positionen ohne kontinuierlichen Energieverbrauch zu halten.

Bei Satelliten-Wartungsmissionen, einem weiteren Anwendungsgebiet für die zu entwickelnden Aktuatoren, verschärft sich diese Herausforderung noch. Wartungsroboter müssen möglicherweise lange Zeiträume im Standby verbringen, bevor sie aktiv werden – und dann mit hoher Präzision arbeiten, ohne durch Energiemangel beeinträchtigt zu werden.

Übertragbarkeit auf terrestrische Anwendungen

Die Entwicklung weltraumtauglicher Technologie hat historisch immer wieder zu Innovationen geführt, die auch auf der Erde Nutzen bringen. Aktuatoren, die für extreme Temperaturschwankungen und minimalen Wartungsbedarf konzipiert sind, könnten sich als ideal für industrielle Umgebungen erweisen: In Stahlwerken, Gießereien oder Offshore-Plattformen herrschen ebenfalls extreme Bedingungen, die konventionelle Robotik-Hardware schnell an ihre Grenzen bringen.

Die Erkenntnisse aus der Strahlungshärtung elektronischer Komponenten fließen bereits in sicherheitskritische Anwendungen ein, etwa in der Kernindustrie oder Medizintechnik. Und die Notwendigkeit, mit minimalen Rechenressourcen maximale Autonomie zu erreichen, treibt die Entwicklung effizienter Algorithmen voran, die auch für mobile Roboter auf der Erde relevant sind – insbesondere für batteriebetriebene Systeme, bei denen Energieeffizienz entscheidend ist.

Ausblick: Die Zukunft der Weltraum-Robotik

Die Förderung von HEBI Robotics durch die NASA ist ein weiterer Schritt in Richtung zunehmender Autonomie und Zuverlässigkeit von Weltraumsystemen. Wie Masahiro Ono, Leiter der Robotic Surface Mobility Group am Jet Propulsion Laboratory der NASA, betont: “Die Automatisierung von Weltraumsystemen ist eine unaufhaltsame Richtung, die wir einschlagen müssen, wenn wir tiefer in den Weltraum vordringen wollen.”

Mit wachsenden Entfernungen – etwa bei künftigen Missionen zu den Jupitermonden oder zum Saturn – werden Kommunikationsverzögerungen so groß, dass Echtzeitsteuerung unmöglich wird. Roboter müssen dann stunden- oder tagelang komplett autonom arbeiten können. Dies erfordert nicht nur intelligente Software, sondern vor allem Hardware, die absolut zuverlässig funktioniert.

Die Entwicklung weltraumtauglicher Aktuatoren ist dabei weit mehr als eine technische Spezialanwendung. Sie repräsentiert einen Ansatz des Engineerings, bei dem Zuverlässigkeit, Effizienz und Langlebigkeit von Anfang an im Vordergrund stehen – Prinzipien, von denen auch die terrestrische Robotik profitieren kann. In einer Zeit, in der Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz immer wichtiger werden, könnten die Lösungen für den Weltraum durchaus zum Vorbild für irdische Anwendungen werden.