Das Neugierde Rover hat in den fünf Jahren, in denen es auf der Marsoberfläche operiert, einige unglaubliche Entdeckungen gemacht. Und im Laufe seiner Forschungen hat der Rover auch einige ernsthafte Meilen gesammelt. Es war jedoch sicherlich eine Überraschung, als Mitglieder des Curiosity-Wissenschaftsteams während einer Routineuntersuchung im Jahr 2013 feststellten, dass die Räder Risse in ihren Laufflächen hatten (gefolgt von Pausen, die 2017 gemeldet wurden).
Mit Blick auf die Zukunft hoffen die Forscher des Glenn Research Center der NASA, Rover der nächsten Generation mit einem neuen Rad auszustatten. Es basiert auf dem „Spring Tire“, den die NASA Mitte der 2000er Jahre mit Goodyear entwickelt hat. Anstatt jedoch gewickelte Stahldrähte zu verwenden, die zu einem Maschenmuster verwoben sind (was Teil des ursprünglichen Entwurfs war), hat ein Team von NASA-Wissenschaftlern eine haltbarere und flexiblere Version entwickelt, die die Weltraumforschung revolutionieren könnte.
Wenn es darauf ankommt, haben der Mond, der Mars und andere Körper im Sonnensystem ein raues, strafendes Terrain. Im Fall des Mondes ist das Hauptproblem der Regolith (auch bekannt als Mondstaub), der den größten Teil seiner Oberfläche bedeckt. Dieser feine Staub besteht im Wesentlichen aus gezackten Mondgesteinsstücken, die Motoren und Maschinenkomponenten zerstören. Auf dem Mars ist die Situation etwas anders: Regolith und scharfe Felsen bedecken den größten Teil des Geländes.
Im Jahr 2013, nach nur einem Jahr an der Oberfläche, zeigten die Räder des Curiosity Rovers Abnutzungserscheinungen, da sie unerwartet raues Gelände durchquerten. Dies führte viele zu der Sorge, dass der Rover seine Mission möglicherweise nicht erfüllen könnte. Es veranlasste auch viele im Glenn Research Center der NASA, ein Design zu überdenken, an dem sie vor fast einem Jahrzehnt gearbeitet hatten und das für erneute Missionen zum Mond vorgesehen war.
Für die NASA Glenn ist die Reifenentwicklung seit etwa einem Jahrzehnt ein Forschungsschwerpunkt. In dieser Hinsicht kehren sie zu einer alten Tradition der NASA-Ingenieure und -Wissenschaftler zurück, die bereits in der Apollo-Ära begann. Zu dieser Zeit bewerteten sowohl das amerikanische als auch das russische Raumfahrtprogramm mehrere Reifendesigns für den Einsatz auf der Mondoberfläche. Insgesamt wurden drei Hauptentwürfe vorgeschlagen.
Zuerst hatten Sie die Räder speziell für den Lunokhod-Rover entwickelt, ein russisches Fahrzeug, dessen Name wörtlich übersetzt „Moon Walker“ bedeutet. Das Raddesign für diesen Rover bestand aus acht Drahtgitterreifen mit starrer Felge, die über Fahrradspeichen mit ihren Achsen verbunden waren. Metallstollen wurden auch an der Außenseite des Reifens angebracht, um eine bessere Traktion im Mondstaub zu gewährleisten.
Dann gab es das Konzept der NASA für einen modularisierten Gerätetransporter (MET), der mit Unterstützung von Goodyear entwickelt wurde. Dieser nicht angetriebene Wagen wurde mit zwei mit Stickstoff gefüllten, glatten Gummireifen geliefert, um das Ziehen des Wagens durch Mondboden und über Felsen zu erleichtern. Und dann war da noch der Entwurf für das Lunar Roving Vehicle (LRV), das als letztes NASA-Fahrzeug den Mond besuchte.
Dieses bemannte Fahrzeug, mit dem Apollo-Astronauten auf der herausfordernden Mondoberfläche herumfuhren, stützte sich auf vier große, flexible Drahtgitterräder mit steifen Innenrahmen. Mitte der 2000er Jahre, als die NASA plante, neue Missionen zum Mond (und zukünftige Missionen zum Mars) durchzuführen, begannen sie, den LRV-Reifen neu zu bewerten und neue Materialien und Technologien in das Design einzubeziehen.
Das Ergebnis dieser erneuten Forschung war der Spring Tire, der von der Maschinenbauingenieurin Vivake Asnani entwickelt wurde, die eng mit Goodyear zusammengearbeitet hat, um ihn zu entwickeln. Das Design sah einen luftlosen, nachgiebigen Reifen vor, der aus Hunderten von gewickelten Stahldrähten bestand, die dann zu einem flexiblen Netz verwoben wurden. Dies stellte nicht nur ein geringes Gewicht sicher, sondern gab den Reifen auch die Möglichkeit, hohe Lasten zu tragen, während sie sich dem Gelände anpassten.
Um zu sehen, wie sich der Spring Tire auf dem Mars entwickeln würde, begannen die Ingenieure des Glenn Research Center der NASA, sie im Slope-Labor zu testen, wo sie sie durch einen Hindernisparcours führten, der die Marsumgebung simulierte. Während die Reifen in simuliertem Sand im Allgemeinen eine gute Leistung zeigten, traten Probleme auf, wenn sich das Drahtgeflecht nach dem Überfahren von gezackten Steinen verformte.
Um dies zu beheben, diskutierten Colin Creager und Santo Padua (NASA-Ingenieur bzw. Materialwissenschaftler) mögliche Alternativen. Mit der Zeit einigten sie sich darauf, dass die Stahldrähte durch Nickel-Titan ersetzt werden sollten, eine Formgedächtnislegierung, die ihre Form unter schwierigen Bedingungen beibehalten kann. Wie Padua in einem Videosegment der NASA Glenn erklärte, war die Inspiration für die Verwendung dieser Legierung sehr zufällig:
„Ich war gerade in dem Gebäude hier, wo sich das Slope-Labor befindet. Und ich war hier für ein anderes Treffen für die Arbeit, die ich in Formgedächtnislegierungen mache, und ich treffe zufällig Colin in der Halle. Und ich dachte: "Was machst du zurück und warum bist du nicht im Impact Lab?" - weil ich ihn als Studenten kannte. Er sagte: "Nun, ich habe meinen Abschluss gemacht und arbeite seit einer Weile ganztägig hier. Ich arbeite in Slope."
Obwohl Padua zehn Jahre bei JPL gearbeitet hatte, hatte er das Slope-Labor noch nie gesehen und eine Einladung angenommen, um zu sehen, woran sie arbeiteten. Nachdem Padua das Labor betreten und sich die Federreifen angesehen hatte, die sie testeten, fragte er, ob sie Probleme mit der Verformung hätten. Als Creager zugab, dass dies der Fall war, schlug Padua eine Lösung vor, die zufällig sein Fachgebiet war.
"Ich hatte noch nie zuvor von dem Begriff Formgedächtnislegierungen gehört, aber ich wusste, dass [Padua] ein materialwissenschaftlicher Ingenieur ist", sagte Creager. „Seitdem arbeiten wir an diesen Reifen mit seiner Materialkompetenz, insbesondere bei Formgedächtnislegierungen, um diesen neuen Reifen zu entwickeln, von dem wir glauben, dass er die Planeten-Rover-Reifen und möglicherweise auch die Reifen für die Erde wirklich revolutionieren wird . ”
Der Schlüssel zum Formen von Gedächtnislegierungen ist ihre atomare Struktur, die so zusammengesetzt ist, dass sich das Material an seine ursprüngliche Form „erinnert“ und nach Verformung und Verformung wieder dorthin zurückkehren kann. Nach dem Bau des Formgedächtnislegierungsreifens schickten die Glenn-Ingenieure ihn an das Jet Propulsion Laboratory, wo er in der Mars Life Test Facility getestet wurde.
Insgesamt zeigten die Reifen nicht nur eine gute Leistung im simulierten Mars-Sand, sondern konnten auch problemlos über die Bestrafung von Felsvorsprüngen hinwegstehen. Auch nachdem die Reifen bis zu den Achsen verformt waren, konnten sie ihre ursprüngliche Form beibehalten. Dies gelang ihnen auch mit einer erheblichen Nutzlast, was eine weitere Voraussetzung für die Entwicklung von Reifen für Explorationsfahrzeuge und Rover ist.
Die Prioritäten für den Mars Spring Tire (MST) sind eine längere Lebensdauer, eine bessere Traktion in weichem Sand und ein geringeres Gewicht. Wie die NASA auf der MST-Website (Teil der Website des Glenn Research Center) angibt, bietet die Entwicklung von Hochleistungsreifen wie dem Spring Wheel drei wesentliche Vorteile:
„Erstens würden sie es Rovers ermöglichen, größere Regionen der Oberfläche zu erkunden, als dies derzeit möglich ist. Zweitens können sie, da sie sich dem Gelände anpassen und nicht so stark sinken wie starre Räder, schwerere Nutzlasten bei gleicher Masse und gleichem Volumen tragen. Da die konformen Reifen bei mäßigen bis hohen Geschwindigkeiten Energie aus Stößen absorbieren können, können sie auch für Explorationsfahrzeuge mit Besatzung verwendet werden, von denen erwartet wird, dass sie sich mit Geschwindigkeiten bewegen, die deutlich höher sind als die der aktuellen Marsrover. “
Die erste verfügbare Gelegenheit, diese Reifen zu testen, ist nur noch wenige Jahre entfernt, wenn die NASA Mars 2020 Rover wird an die Oberfläche des Roten Planeten geschickt. Dort angekommen wird der Rover dort weitermachen, wo Curiosity und andere Rover aufgehört haben, und nach Lebenszeichen in der rauen Umgebung des Mars suchen. Der Rover hat auch die Aufgabe, Proben vorzubereiten, die schließlich von einer Besatzung mit Besatzung auf die Erde zurückgebracht werden, die voraussichtlich irgendwann in den 2030er Jahren stattfinden wird.
