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Wissenswertes zur Weltraumrobotik

Experten vom Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) beantworteten Ihre Fragen zum Thema "Roboter im Weltall" im April 2018. Alle weiteren Monatsthemen finden Sie auf einen Blick in unserer Rubrik Fragen? Experten antworten!

Roboter in der Wüste von Utah

Roboter des DFKI in der Wüste von Utah

Quelle: DFKI GmbH, photo: Florian Cordes

Experten vom Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) beantworteten Ihre April-Fragen

Im April ging es in der Reihe "Fragen? Experten antworten!" mit einem Thema weiter, das Jüngere wie Ältere gleichermaßen begeistert: Roboter im Weltall!

Zunächst müssen alle Systeme ins All transportiert werden. Dabei ist der Transportraum sowie die Traglast von Raketen begrenzt und die Kosten für jedes zu transportierende Kilogramm hoch.  Daher sollten die Roboter möglichst leicht sein und über ein geringes Packvolumen verfügen. Außerdem ist der Transport technisch anspruchsvoll: starke Vibrationen insbesondere in der Startphase führen zu großen Beschleunigungskräften, die auf die Systeme wirken. Damit sie nicht kaputt gehen, müssen die Roboter sehr robust sein.

 

Die Anforderungen an Weltraum-Roboter sind aber vorallem abhängig vom geplantem Einsatzort: Sollen sie in niedrigen Umlaufbahnen, dem so genannten Low Earth Orbit (LEO) – wo zum Beispiel die Internationale Raumstation (ISS) in 400 km Höhe ihre Runden dreht – in geostationären Umlaufbahnen (GEO) mit einem Abstand von circa 35.786 km zur Erdoberfläche – wo die meisten Kommunikations- und Wettersatelliten unterwegs sind – oder auf einem anderen Himmelskörper, wie Mond, Mars oder Asteroiden eingesetzt werden? An diesen Orten gibt es starke Unterschiede hinsichtlich der Gravitationskraft, der Atmosphäre, des Temperaturbereichs oder der Strahlenbelastung. Bei geringer Gravitation benötigt ein Roboter zum Beispiel viel weniger Kraft, um sich zu bewegen. Gleichzeitig wirkt sich jeder Kontakt mit der Umgebung auf die Bewegung des Roboters aus, was die Kontrolle des Systems deutlich erschwert. 

 

Zudem ist das im Weltraum herrschende Vakuum eine große Herausforderung: Es dürfen nur Materialien verwendet werden, die nicht ausgasen (zum Beispiel keine Flüssigkeiten) und auch das Abführen von Abwärme ist problematisch, da ein Transportmedium (wie auf der Erde die Luft) fehlt. Der Temperaturbereich weist in den meisten Einsatzgebieten über 100°C Unterschied auf – je nachdem ob der Roboter in der Sonne oder im Schatten ist. Die Mechanik muss daher so konstruiert sein, dass sich die einzelnen Bauteile ausdehnen und zusammenziehen können, ohne dass die Funktion beeinträchtigt wird. 

 

Auch die im All vorhandende Strahlung beeinflusst die Wahl der Elektronik, die zum Beispiel durch hochenergetische Teilchenstrahlung zerstört werden könnte. Nicht zuletzt ist der Abstand des Einsatzortes zur Erde ein wichtiger Faktor: Je weiter dieser entfernt ist, desto mehr Zeit benönigt die Kommunikation mit der Erde. Ein System im LEO und GEO lässt sich noch von der Erde aus fernsteuern. Zum Mond benötigt ein Kommando aber schon etwa 1 Sekunde, zum Mars bis zu 20 Minuten. Je weiter also ein Roboter von der Erde entfernt ist, desto wichtiger ist es, dass er selbstsändig Aufgaben erfüllen und Entscheidungen treffen kann. Dafür benötigen wir Künstliche Intelligenz.

Der Begriff "Roboter" hat sich im Laufe der Zeit gewandelt. Ursprünglich war damit ein programmierbarer Manipulator gemeint, also ein Gerät, das in einer vorgegebenen Art und Weise die physikalische Interaktion mit der Umgebung ermöglicht.

 

Am DFKI verstehen wir den Begriff anders: Roboter haben Sensoren, mit denen sie ihre Umgebung wahrnehmen und aus denen sie Umgebungsinformationen extrahieren, so dass sie darauf aufbauend zielgerichtet handeln können. Curiosity wird größtenteils von der Erde aus gesteuert. Das System verfügt aber auch über eine 3D-Umgebungswahrnehmung, um autonom Hindernissen auszuweichen. Daher kann man den Rover durchaus als Roboter bezeichnen, auch wenn der gesamte Planungsaspekt noch vom Menschen übernommen wird. Der HP3 Mole des DLR ist in dem Sinne kein Roboter, sondern ein komplexer Sensor/Aktor.

Zur Zeit ist neben Curiosity noch der Rover Opportunity auf dem Mars aktiv. Zudem befinden sich der Lander MASCOT sowie drei Mini-Landeroboter auf dem Weg zum Asteroiden Ryugu, die diesen untersuchen sollen.


Die am DFKI entwickelten Roboter dienen erster Linie als Forschungsplattformen, an denen Konzepte für robotische Weltraummissionen erprobt werden. Bisher ist der tatsächliche Einsatz eines DFKI-Roboters im Weltraum nicht geplant.

Das Remote Manipulator System – auch Canadarm genannt – war ein robotischer Arm, der auf dem Space Shuttle eingesetzt wurde. In der Zeit von 1981 bis 2011 flog dieser Roboterarm bei insgesamt 90 Missionen mit, war allerdings nur während einer Mission aktiv. Dagegen ist der Canadarm 2, ein Multifunktionsroboterarm auf der Internationalen Raumstation (ISS), der bisher am längsten agierende Roboter im Weltall. Er ist seit April 2001 auf der ISS aktiv im Einsatz, also mittlerweile 17 Jahre.

 

Der Mars Rover Opportunity (kurz: MER-B) ist der bis dato am längsten aktive Roboter auf einem extra-terrestrischen Planeten. Opportunity landete am 25. Januar 2004 erfolgreich auf dem Mars und ist jetzt – 14 Jahre später – immer noch aktiv.
 

Die im Weltall eingesetzten Roboter beziehen ihre Energie aus Solarzellen. Der Mars Rover Curiosity wurde jedoch mit einem Radioisotopengenerator (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator – MMRTG) ausgestattet, der die von radioaktiven Nukliden freigesetzte Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. 

Heutige Systeme werden von der Erde aus mit fest einprogrammierten Teilsequenzen gesteuert. Am DFKI erforschen wir aktuell im Projekt TransFit, wie hier ein fließender Übergang zwischen Teleoperation und vollständiger Autonomie situationsabhängig realisiert werden kann.  Dies geht soweit, dass der Roboter selber schlussfolgert, welche Aktionen ihm helfen, ein abstrakt vorgegebenes Ziel zu erreichen. Hier ist die zentrale Frage, wieviel Freiheit man dem Roboter in der Ausführungsplanung geben möchte.

Die D2 war eine Mission des US-amerikanischen Space Shuttles Columbia der NASA, die am 26. April 1993 startete. An dem Robotik-Experiment ROTEX war u.a. das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beteiligt. Da es bei diesem Experiment um die Fersteuerung eines Roboterarms im All ging, ist anzunehmen, dass hieraus Erkenntnisse für die Teleoperation und generell die Steuerung von Robotern im Weltraum und auf der Erde erworben wurden. Ein vergleichbares System, das heute aktiv in der Raumfahrt eingesetzt wird, ist zum Beispiel der kanadische Canadarm auf der ISS. Da das DFKI jedoch nicht an der D2-Mission beteiligt war, kann diese Frage von uns nicht eindeutig beantwortet werden.

Roboter werden im Weltall zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt, zum Beispiel für den orbitalen Einsatz. So führt etwa der Multifunktionsroboterarm Canadarm 2, der auf der internationalen Raumstation (ISS) im Einsatz ist, Reparatur- und Wartungsarbeiten außerhalb der Raumstation aus. Zudem übernimmt er die Bedienung von Anlagen und Experimenten auf der ISS.

 

Darüber hinaus gibt es Roboter, die auf fremden Planeten zum Einsatz kommen, um diese zu erkunden. Dafür sind sie mit verschiedenen Werkzeugen und Messgeräten ausgestattet. Der wohl bekannteste Mars-Rover ist Curiosity, der mit speziellen Werkzeugen Proben entnehmen und analysieren kann. Mit seinen eingebauten Laser ist er in der Lage, Gesteinsproben zu erhitzen und deren Zusammensetzung durch optische Analyse zu ermitteln. Mit speziellen Kameras nimmt der Rover zudem seine Umgebung auf, wodurch er deren Topologie, feine Oberflächenstrukturen und in begrenztem Umfang auch die Atmosphäre erfassen kann. 
 

Die Evolution hat extrem effiziente Mobilitätskonzepte geschaffen. Bei der Entwicklung neuer Roboter lassen wir uns am DFKI daher von biologischen Konzepten inspirieren und bilden diese auf die derzeitigen technischen Möglichkeiten ab. Allerdings lassen sich die aktuell existierenden Sensoren und Aktuatoren nicht 1:1 auf die der Lebewesen abbilden.
 

Technologien, die für den Weltraumeinsatz entwickelt wurden, finden tatsächlich immer wieder auch auf der Erde Anwendung. Es gibt sogar Bereiche, bei denen sich die notwendigen Schritte zum Einsatz von Robotern soweit ähneln, dass die gleichen Technologien sowohl auf der Erde als auch im Weltraum eingesetzt werden.

 

Ein Beispiel hierfür sind Roboter, die unter Wasser arbeiten. Für die Elektronik, die vor dem hohen Wasserdruck geschützt werden muss, benötigt man ähnliche Bauteile wie für die Anwendung im Weltraum. Ein weiteres Beispiel ist die Nutzung der Sensoren, die ursprünglich für den Greifarm an der Internationalen Raumstation (ISS) entwickelt wurden. Diese kommen mittlerweile sowohl in der Tiefsee als auch in vielen anderen Anwendungen in der industriellen Robotik und in der Automobilindustrie zum Einsatz.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die durch Weltraumrobotik gewonnenen Erkenntnisse für das Leben auf der Erde zu nutzen. Roboter, die speziell für die Erkundung von Planeten gebaut werden, können zum Beispiel auch in Search & Rescue-Missionen und beim Katastrophenschutz auf der Erde eingesetzt werden. Ergebnisse aus dem Bereich Mensch-Maschinen-Interaktion, die etwa der Steuerung des Roboters von der Erde aus dienen, werden zum Beispiel auch in der medizinischen Rehabilitation genutzt. Ebenso können die hoch entwickelten Technologien für die Erkundung des Weltalls auch zur Erforschung der Erde eingesetzt werden. Meist sind es die Ergebnisse aus der Entwicklung des Roboters, aus denen Nutzen für Erdanwendungen gezogen werden, weniger die Ergebnisse, der der Einsatz im Weltall mit sich bringt. 

Die Art der Landung richtet sich nach den Eigenschaften des Systems sowie den Umgebungsbedingungen. Die Mars-Rover Spirit und Opportunity wurden zum Beispiel von der Transportkapsel aus mit einem Hitzeschild in die Marsatmosphäre geschossen, dort zunächst von der Atmosphäre gebremst bis sie so langsam waren, dass ein Fallschirm geöffnet werden konnte, um die Fallgeschwindigkeit weiter zu reduzieren. Kurz über dem Boden wurden Airbags um die gesamte Landekapsel aufgeblasen und die Fallschirme gelöst. Die Systeme sind dann die letzten Meter im freien Fall sowie von den Airbags geschützt auf die Marsoberfläche aufgestoßen und dabei mehrfach gehüpft. Nachdem sie zum Liegen kamen, öffnete sich die Landekapsel und die Rover konnten über ihre Antennen eine Funkverbindung zur Erde aufbauen, um ihren Status sowie erste Bilder zu senden und Kommandosequenzen zu empfangen.

 

Der später entsendete Mars-Rover Curiosity ist deutlich größer und schwerer als seine Vorgänger, weshalb das Konzept mit den Airbags für ihn nicht funktioniert hätte. Daher wurde er die letzten Meter von einem so genannten Sky Crane – einer mit Antrieben und Sensoren versehenen, autonom kontrolliert fliegenden Landekapsel – bis kurz vor den Boden abgeseilt und dann auf die Räder fallen gelassen. 

Bevor ein Roboter gebaut wird, der im Weltraum zum Einsatz kommen soll, wird festgelegt, wo er zum Einsatz kommen soll, ob er zum Beispiel auf einem Himmelskörper (Planet, Asteroid etc.) oder in der Umlaufbahn (Orbit) der Erde bzw. eines anderes Himmelskörpers.In der Regel sind die Umgebungsbedingungen des Einsatzgebietes bekannt. Beim Bau des Roboters werden die Randbedingungen berücksichtigt und in der Regel Komponenten eingebaut, die als weltraumtauglich eingestuft sind. Nach Fertigstellung wird der Roboter in anschließenden Testverfahren auf Funktionstüchtigkeit geprüft. Dabei werden die Einsatzbedingungen simuliert, etwa die Temperaturdifferenzen im Vakuum (dafür gibt es spezielle Thermalvakuumkammern) oder die Auswirkung von verschiedenen Bodenbeschaffenheiten (Geröll, verschiedene Partikel usw.).

Es gibt aktuell nur zwei mögliche Varianten, wie tatsächliche Missionen, zum Beispiel auf dem Mars, enden: Entweder die Roboter werden, nachdem die gesteckten Ziele erreicht wurden, für andere Zwecke weiterverwendet, bis sie ausfallen oder die Kosten, sie zu betreiben, zu hoch werden. Die zweite Möglichkeit ist, dass die Systeme noch vor Erreichen der eigentlichen Ziele ausfallen. In beiden Fällen sind keine Rückholmissionen für die Roboter angedacht, da diese sowohl technisch als auch wirtschaftlich nur sehr schwer umzusetzen wären. Daher verbleiben die Roboter aktuell immer an ihren Einsatzorten. 

Während einer Mission ist es ganz normal, dass der Kontakt zu den Robotern unterbrochen wird. Für eine Kommunikation von der Erde zum Mars gibt es sogar nur bestimmte Zeitfenster, in denen diese überhaupt möglich ist. Dazu kommen Latenzzeiten, die mit der Strecke, welche die Signale überwinden müssen, zu tun haben. Geht der Kontakt aber innerhalb des Zeitfensters, in dem man eigentlich kommunizieren könnte, verloren, versucht man diesen direkt wieder aufzubauen. Gelingt dies nicht, werden jeweils die nächsten Zeitfenster dafür genutzt. In der Regel sind Redundanzen in die Rover eingebaut, sodass der Roboter einmalig von einem defekten Kommunikationsmodul auf ein funktionierendes wechseln kann. Schlagen die Versuche jedoch über einen längeren Zeitraum fehl, muss man davon ausgehen, dass entweder der Roboter ganz oder nur die Kommunikationsmodule defekt sind. 

Bisher gibt es noch keinen Bremer Roboter, der im All war. Die Systeme, die derzeit am DFKI im Bereich Weltraumrobotik entwickelt und gebaut werden, sind in erster Linie Forschungsplattfomen, die zu Simulations- und Testzweckenzwecken für Weltraummissionen dienen. Die Ergebnisse werden dann auf „echte“ Weltraumroboter übertragen.

Die NASA will 2032 zum Jupitermond Europa starten, allerdings ist bisher "nur" ein Landen und die Bohrung durch das Eis geplant, keine robotische Exploration zum Meeresgrund. Diese Mission soll als Datengrundlage zur Weiterentwicklung des EurEx-Konzeptes dienen. Eine Realisierung des EurEx-Szenarios ist also frühestens 2050 zu erwarten.

 

Weitere Informationen zum Projekt EurEx finden Sie hier: www.dfki.de/robotik/de/forschung/projekte/eurex.html
 

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