Die nächste Generation von Mondlandegeräten und Rovern

Etablierte Giganten der Luft- und Raumfahrtindustrie und kapitalkräftige Start-ups arbeiten zusammen und konkurrieren miteinander, um ihre Ansprüche auf den Mond geltend zu machen und die Zukunft mitzugestalten. In den nächsten 10 Jahren werden sie eine breite Palette mobiler Fahrzeuge und stationärer Mondlandefahrzeuge auf dem Mond entwickeln. 

Landers werden für wissenschaftliche Experimente, kommerzielle Dienstleistungen, Werbung und Werbeaktivitäten sowie als Stützpunkte für den Bergbau und die Erforschung des Mondes eingesetzt werden. Die Lander werden die Rover auch bei der Kommunikation unterstützen, indem sie als Datenknoten dienen und Uplinks zu Satelliten in der Mondumlaufbahn für die Weiterleitung zur Erde bereitstellen. Rover werden in erster Linie für die Suche nach Mineralien, den Transport von Fracht, Besatzung und Werkzeugen sowie für die Erkundung, Beprobung und Kartierung der Mondoberfläche eingesetzt. 

Missionen zum Mond werden auch neue und aufregende Möglichkeiten für Nationen und kommerzielle Unternehmen bieten, um das Interesse am Weltraum und den praktisch unbegrenzten Möglichkeiten, die der Mond bietet, neu zu wecken.

Gegenwärtig wird jede Mondlandefähre oder jeder Rover für eine bestimmte Aufgabe maßgeschneidert entwickelt und gebaut. Die Größe, die Akkulaufzeit und andere wichtige Spezifikationen richten sich danach, was für die Erledigung dieser Aufgabe unbedingt erforderlich ist.

Einige der ersten Rover, die eingesetzt werden sollen, werden schuhkarton- bis koffergroße Geräte sein, die Krater erkunden und in Lavaröhren hinabsteigen sollen, um sie zu kartieren, Proben zu sammeln, nach Mineralien zu suchen oder Wassereis auf dem Mond zu finden. Für die Erforschung der Polargebiete und andere wichtige Aufgaben werden größere Mondfahrzeuge mit mehr Fähigkeiten benötigt.

Bis zum Ende des Jahrzehnts werden wir ein breiteres Spektrum an Rovern sehen, von einfachen Transportfahrzeugen, die Mineralien und Materialien zur Unterstützung des Helium-3-Abbaus auf dem Mond transportieren, bis hin zu autarken, bewohnbaren Fahrzeugen, die zwei oder drei Astronauten ohne Druckanzüge für Mondmissionen von 30 Tagen oder mehr bequem transportieren können. Größere Fahrzeuge müssen möglicherweise in Teilen geliefert werden, und die Teile der Mondrover müssen auf der Mondoberfläche von Astronauten oder Robotern zusammengebaut werden, damit sie einsatzbereit sind. 

Bei der Beförderung von der Erde zum Mond sind Lander und Rover im Wesentlichen als Fracht mit dabei. Daher müssen sie so gebaut sein, dass sie alles überstehen, was die Rakete während des Starts, des Raumflugs und der Landung erleidet, und gleichzeitig bereit sind, auf der Mondoberfläche zum Leben zu erwachen, wenn der Befehl dazu gegeben wird. 

Bei der Entwicklung eines Fahrzeugs, das auf dem Mond eingesetzt werden soll, müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Staub: Die Oberfläche des Mondes stellt eine große Gefahr für Lander und Rover dar. Der Staub haftet an den Rädern und der Unterseite des Rovers und kann die kritischen mechanischen und elektrischen Systeme des Fahrzeugs beschädigen. Wegen der Gefahr des Eindringens von Staub sind die Rover auch auf Geschwindigkeiten von 5 bis 10 Meilen pro Stunde beschränkt - jede höhere Geschwindigkeit wirbelt zu viel Staub auf. Daher müssen Fahrzeuge und Komponenten, die für den Mond bestimmt sind, ausgiebig in Einrichtungen getestet werden, die mit Staubsimulatoren ausgestattet sind.
• Anspruchsvolles Terrain: Die Oberfläche des Mondes ist voller Krater, die die Rover bei ihren Erkundungen extremen Erschütterungen und steilen Winkelanstiegen und -abstürzen aussetzen.
• Temperaturschwankungen: Die Temperaturen können sehr schnell von -180°C auf 180°C (-292°F auf 356°F) schwanken, wenn sich der Rover in den Schatten der Mondkrater hinein und wieder heraus bewegt.
• Leistungsmanagement: Vor der Landung benötigt ein Mondlandefahrzeug Schubkraft oder andere Funktionen mit hohem Energiebedarf. Nach der Landung ist sein Energiebedarf relativ stabil und kann sich auf Solarenergie verlassen, die bei Bedarf durch eine Batterie ergänzt wird, um die lange Mondnacht zu überstehen. Größere Rover benötigen jedoch mehr Energie, als die Solarzellen allein liefern können. Daher ist eine Batterie oder eine nukleare Energiequelle erforderlich, um die momentanen Schwankungen der Geschwindigkeit und des Energiebedarfs in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufgabe zu unterstützen. So erfordern Rover-Aufgaben wie Bohrungen, das Laden von Fracht und Erkundungen komplexere Stromversorgungssysteme als die eines Landefahrzeugs.
• Aufwendigkeit: Kleinere Mondrover sind in der Regel weniger sicherheitskritisch und haben eine kürzere Lebenserwartung als größere Rover. Sie sind auch relativ leicht zu ersetzen. Größere Rover sind für monatelange Mondmissionen konzipiert und ausgerüstet, so dass Energiemanagement, Kritikalität und Langlebigkeit wichtige Konstruktionsaspekte sind. Irgendwann werden Kraftwerke oder elektrische Ladestationen zur Verfügung stehen, um die Batterien des Rovers so einfach aufzuladen wie heute ein Elektrofahrzeug auf der Erde.

• Richtlinien und Beschränkungen: Obwohl es eine Reihe von internationalen Verträgen und Vereinbarungen gibt, unterliegen die Raumfahrt und der Handel mit ihr derzeit keinen universellen Vorschriften oder Beschränkungen. Für die Kommerzialisierung des Weltraums werden neue Gesetze und Richtlinien benötigt. In der Zwischenzeit verwaltet jedes Land seine eigenen Raumfahrt- und Mondprogramme. In den Vereinigten Staaten beispielsweise ist die National Aeronautics and Space Administration (NASA) für die zivilen Aktivitäten der Regierung zuständig, während die Federal Aviation Administration (FAA) für alle kommerziellen Aktivitäten und Starts verantwortlich ist. Unabhängig davon, wer das Sagen hat, gelten für zivile und kommerzielle Missionen strenge Anforderungen in Bezug auf Kritikalität und Zuverlässigkeit.

Jede Nation oder jedes Wirtschaftsunternehmen muss schwierige Entscheidungen treffen, bevor es sich auf eine Mission einlässt. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat ein Klassifizierungssystem entwickelt, das ihr bei der Entscheidungsfindung hilft. Um jede ESA-Mission in die Klassen I, II, III, IV oder V einzustufen, werden die folgenden Kriterien berücksichtigt: 

• Bedeutung für die Strategie der Organisationen: Dazu gehören Vorzeigemissionen, internationale Zusammenarbeit und die Auswirkungen auf die strategischen Ziele und das Image der ESA.
• Ziele der Mondmission: Gibt die Priorität und den Zweck der Mission an, die von Demonstrationen in der Umlaufbahn bis hin zu reinen Bildungsmissionen reichen kann.
• Kosten bei Fertigstellung: Klassifiziert neue Mondmissionen nach ihren Kosten, beginnend mit Klasse V, die weniger als 1 Million Euro kosten, bis hin zu Klasse I, die mehr als 700 Millionen Euro kostet.
• Lebensdauer der Mission: Legt fest, wie lange die Mission dauern wird, von 3 Monaten für Klasse-V-Missionen bis zu mehr als 10 Jahren für Klasse-I-Missionen.
• Komplexität der Mission: Berücksichtigt, ob die Mission neue oder bestehende Design-Schnittstellen verwendet, einzigartige Nutzlasten aufweist oder die Entwicklung neuer Technologien erfordert.

Die Klassenzuweisung einer Mission bestimmt die Art der Komponenten, die für das endgültige Design des Landers oder Rovers wichtig sind. Für Missionen der Klasse I sind robuste Produkte erforderlich, die für die extremen Bedingungen im Weltraum entwickelt wurden. Weniger robuste, aber dennoch zuverlässige Komponenten können für Einsätze der Klasse V in Betracht gezogen werden.

Dieses Klassifizierungssystem ist zwar spezifisch für die ESA, aber letztlich muss jedes Land oder jede Organisation selbst bestimmen, was akzeptabel ist. 

Regierungen und die größten Luft- und Raumfahrtunternehmen sind bei der Entwicklung neuer Raumfahrtprojekte traditionell vorsichtig. Die meisten Innovationen im Bereich der Mondlandefähren und Rover stammen derzeit von Start-ups, die weniger risikoscheu sind und neue Wege beschreiten. Die Branche ist an einem Wendepunkt angelangt, an dem die Kosten so erschwinglich werden, dass Investoren eher bereit sind, sich auf weltraumgestützte Möglichkeiten einzulassen, wenn das Konzept eines Start-ups kommerziell tragfähig erscheint.

Vor allem SpaceX hat den Zugang zum Weltraum viel einfacher und kostengünstiger gemacht, was andere dazu inspiriert hat, den Status quo in Frage zu stellen und mehr kommerzielle Risiken einzugehen. 

Ein weiteres Beispiel für diese neue Strategie wurde im April 2023 demonstriert, als das japanische Unternehmen ispace versuchte, als erstes privates Unternehmen auf dem Mond zu landen. Trotz der anfänglichen Schwierigkeiten plant ispace, die Mission im nächsten Jahr zu wiederholen, wobei eine Mischung aus wissenschaftlichen Experimenten und Werbemöglichkeiten vorgesehen ist.

Innovatoren wie ispace und SpaceX sind bereit, mehr Risiken einzugehen und aus ihren Fehlern zu lernen, was sich in schnelleren Entwicklungszyklen und niedrigeren Entwicklungskosten niederschlägt. Es läuft nicht immer alles wie geplant, aber dieser Ansatz des Ausprobierens kann ein kostengünstigerer und schnellerer Weg sein, um ein Ziel zu erreichen.

Komponenten von TE Connectivity (TE) wurden in den ersten Mondrovern, die Anfang der 1970er Jahre eingesetzt wurden, verwendet und auch heute noch. Die HARTMAN 100-Ampere-Relais (N422DG) und 50-Ampere-Relais (N218DG) von TE sind auf dem Mond gewesen. HARTMAN Kontakte bieten hohe Leistung in einer robusten Form, die nur einen Bruchteil der Größe typischer industrieller Steuerungsprodukte auf der Erde ausmacht.

Die KILOVAC K40P Hochvoltrelais von TE wurden bereits in NASA’s Curiosity Rover auf dem Mars und in der Raumsonde BepiColombo eingesetzt, die sich auf dem Weg zum Merkur befindet und dort voraussichtlich im Jahr 2025 eintreffen wird. KILOVAC Relais werden auch auf der Internationalen Raumstation eingesetzt und kommen weiterhin in großem Umfang bei Satellitenprogrammen zum Einsatz.

Darüber hinaus wurden die KILOVAC CAP120 Hochspannungsschütze, ESA-qualifizierte SPEC 55-Drähte, DBAS Steckverbinder, HF-Steckverbinder und MICRODOT Koaxialsteckverbinder von TE bei der indischen Chandrayaan-3-Mission eingesetzt, die im September 2023 auf dem Mond landete.

Bei TE sind unsere Produkte nur ein Teil der Lösung. Wir verfügen auch über die Erfahrung und die Fähigkeiten, bestehende Produkte aus anderen Branchen oder Anwendungen so anzupassen, dass sie den extremen Anforderungen der Mondumgebung gerecht werden. Wenn vorhandene Komponenten, die ursprünglich für den Einsatz auf der Erde entwickelt wurden, den strengen Tests unter Weltraumbedingungen nicht standhalten, können unsere Ingenieurinnen und Ingenieure bei der Entwicklung neuer, robusterer Lösungen behilflich sein, die diesen Anforderungen gerecht werden.

• Immer mehr Länder und kommerzielle Organisationen wetteifern darum, die ersten zu sein, die das ungenutzte Potenzial an Ressourcen und Möglichkeiten des Mondes nutzen.
• Mondlandegeräte und Rover sind unverzichtbar für jede Mission, die Menschen und Nutzlast auf die oder von der Mondoberfläche bringen oder holen soll.
• Heute wird jede Mondlandefähre oder jeder Rover für eine bestimmte Aufgabe konzipiert und gebaut. Es zeichnet sich jedoch ein Trend zu mehr Standardisierung ab.   
• Jede Nation oder jedes kommerzielle Unternehmen muss Umwelt- und Risikofaktoren berücksichtigen, bevor es sich auf eine Mondmission einlässt.
• Die meisten Innovationen bei der Entwicklung von Mondlandefahrzeugen und Rovern kommen von Start-ups, die weniger risikoscheu sind als die traditionellen Raumfahrtunternehmen.
• TE Connectivity bietet die Produkte, die Erfahrung und die Fähigkeiten, die es Landern und Rovern ermöglichen, die extremen Anforderungen der Mondumgebung zu erfüllen.