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Am 18. Februar ist der US-Rover Perseverance auf dem Mars gelandet. An Bord des Rovers ist ein Mini-Helikopter, der schon bald zum allerersten Motorflug auf einem anderen Planeten starten soll. Vor dem Erstflug müssen jedoch noch einige Vorbereitungen getroffen werden.

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Nach seiner Landung auf dem Mars wurde US-Rover Perseverance technisch bis ins kleinste Detail durchgecheckt. Nun steht er bereit für einen sehr spannenden und technologisch sehr originellen Teil seiner Mission: Perseverance soll einen Mini-Helikopter namens „Ingenuity“ (dt. Einfallsreichtum) auf der Marsoberfläche absetzen, der dann schon bald zum allerersten Motorflug auf einem anderen Planeten als der Erde abheben könnte.

Das kann aber erst geschehen, wenn alle Vorbereitungsarbeiten abgeschlossen sind. Vor dem 8. April wird das noch nicht der Fall sein, sagt die NASA, denn die Sache mit dem Marsflug ist kompliziert.

Der in zusammengeklapptem Zustand sehr flache Mini-Helikopter ist im Moment noch an der Unterseite des Perseverance-Rovers montiert. Ihn von dort zu lösen, aufzuklappen und auf den Marsboden zu stellen dauert allein ca. 10 Tage. Dazu kommt noch die Zeit, die es braucht, um die technischen Systeme und die Kommunikation vor dem Erstflug zu testen – und das Warten auf günstige Windbedingungen für den ersten Flugversuch.

Der US-Rover Perseverance ist auf dem Mars gelandet. Dort ist er aber nicht alleine – er ist der erste Rover mit einem ganz neuen Gadget für die Mars-Erforschung: einem Helikopter.

So leicht, wie möglich

Im Grunde genommen sollte Ingenuity das Abheben auf dem Mars leichter fallen als auf der Erde, denn die Schwere-Anziehung des Mars beträgt nur 38 Prozent der Erdanziehung. Aber tatsächlich ist ein Helikopter-Flug auf dem Mars viel schwieriger als auf der Erde, weil die Mars-Atmosphäre derart dünn ist, dass die Rotorblätter erst bei sehr hohen Drehzahlen genügend Auftrieb für einen Flug erzeugen. Sie drehen mit ca. 2400 Umdrehungen pro Sekunde fast 10-fach schneller als die Rotorblätter eines Helikopters auf der Erde.

Mars-Helikopter Ingenuity (Foto: NASA/JPL-Caltech)
Ein Helikopter-Flug ist auf dem Mars viel schwieriger als auf der Erde. Die Anziehungskraft auf dem Mars beträgt nur 38 Prozent der Erdanziehung und die Marsatmosphäre ist sehr dünn im Vergleich zur Erdatmosphäre. Die Rotorblätter müssen sich sehr schnell drehen, um genug Auftrieb für einen Flug zu erzeugen. NASA/JPL-Caltech

Ingenuity ist deshalb auch sehr leicht gebaut und wiegt gerade mal 1,8 Kilogramm. Dieses Gewichtslimit nicht zu überschreiten war für die NASA-Ingenieurinnen und -Ingenieure die größte technische Herausforderung beim Bau des Geräts.

Testflüge für größere Fluggeräte in der Zukunft

Einen geeigneten Flugplatz für Start und Landung fand man direkt in der Nachbarschaft des Landeplatzes von Perseverance. Das Terrain dort ist sehr flach und frei von größeren Steinen, die vor allem die Landung nach den Testflügen behindern könnten. Bis zu fünf Testflüge sollen im Lauf von 30 Tagen durchgeführt werden.

Ingenuity hat keine wissenschaftlichen Geräte an Bord. Seine Flüge sind als reine Technikdemonstration konzipiert. Erweist sich diese als erfolgreich, sollen künftige Marsroboter mit etwas größeren Fluggeräten ausgerüstet werden. Mit Drohnen und Helikoptern könnte steiles Gelände aus der Luft erkundet werden, in das die Rover nicht einfahren können. Auch kleinere Lasten und Messgeräte könnten auf dem Marsluftweg in kurzer Zeit über Distanzen transportiert werden, für die ein Rover Tage oder Wochen benötigen würde.

Mars-Rover Perseverance mit Mars-Helikopter Ingenuity (Foto: Imago, IMAGO / ZUMA Wire)
Ingenuitys Flüge sind als reine Technikdemonstration gedacht. Erweist sich diese als erfolgreich, sollen künftig größere Fluggeräte zum Mars geschickt werden. Imago IMAGO / ZUMA Wire

Die Vorbereitungen

Die NASA geht davon aus, dass die empfindliche Elektronik des Marshelikopters 30 Marstage (31 Erdtage) bei bis zu -50 Grad Kälte durchhalten kann. Das wäre genügend Zeit, um fünf Flüge mit steigendem Schwierigkeitsgrad durchzuführen. Zunächst aber gilt es, Ingenuity auf seinen Erstflug vorzubereiten.

1. Schutzabdeckung abwerfen

Der Helikopter hängt zunächst zusammengeklappt an der Unterseite des Rovers. Eine Schutzabdeckung hat bei der Landung des Rovers verhindert, dass Ingenuity durch aufgewirbelten Staub oder Steine hätte beschädigt werden können. Diese Abdeckung wurde am 21. März gelöst und ist unter dem Rover auf den Marsboden gefallen.

Abwerfen des Mars-Helikopters (Foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS)
Der erste Schritt der Vorbereitungen war das Abwerfen der Schutzabdeckung. Diese Abdeckung wurde am 21. März gelöst. NASA/JPL-Caltech/MSSS

2. Fahrt zum Startplatz

Der „Flugplatz“ liegt in direkter Nachbarschaft zu Percy´s (Kosename der Techniker für Perseverance) Landeplatz. Der Rover hat den Platz bereits zentimetergenau auf Hindernisse untersucht. Die Zone, in der der Rover den Helikopter abstellen soll, ist ca. 3x3 Meter groß. Diese Zone ist Teil der 10x10 Meter großen Start- und Landezone. Diese wiederum ist Teil der Flugzone, die sich bis in 90 Meter Entfernung erstreckt.

3. Ausklappen und Absetzen des zusammengeklappten Helikopters

Ein komplizierter Vorgang, der 6 Sol (Marstage) oder umgerechnet ca. eine Erdwoche dauern kann. Weil man sehr vorsichtig vorgehen wird, sind hier Verzögerungen durchaus denkbar.

4. Helikopter-Batterien aufladen

Dazu muss der Rover den Startplatz innerhalb von 25 Stunden verlassen, damit Ingenuity nicht zu lange im Schatten des Rovers steht und eine Chance hat, seine Lithium-Ionen-Batterien in der Marssonne aufzuladen. Allerdings kommt auf dem Mars mit dem Sonnenlicht nur halb so viel Energie pro Fläche an, als auf der Erde.

5. Herstellen einer Datenverbindung zwischen Helikopter und Rover und von dort weiter zur Erde

Eine direkte Kommunikation mit dem Rover bzw. dem Helikopter auf dem Mars ist nicht möglich. Dafür sind immer Verbindungssatelliten in der Marsumlaufbahn notwendig. Für den Kontakt mit Ingenuity braucht es zusätzlich noch den Rover Perseverance als Relaisstation zum Satelliten, der dann wiederum das Signal zur Erde schickt.

6. Heizen

Batterien und Helikopter-Elektronik müssen minus 15 Grad Celsius „warm“ bleiben, trotz der minus 50 Grad kalten Marsnächte. Dafür sollen Heizelemente, isolierende Marsluftkissen und wärmespeichernde Metallelemente sorgen.

7. Testen der Rotoren

Vor dem Erstflug müssen die papierleichten, aber sehr steifen Rotorblätter einen Test am Boden bestehen. Die zwei 1,2 Meter langen Rotoren liegen übereinander und drehen sich gegenläufig.

Mars-Helikopter Rotoren (Foto: NASA/JPL-Caltech)
Ingenuity steuert jede Phase ihres Fluges selber, da jeder Funkbefehl von der Erde ist mehrere Minuten zum Mars unterwegs wäre. NASA/JPL-Caltech

8. Autonomes Fliegen

Ingenuity hat mehr Rechenleistung als alle Sonden und Rover zusammen, die die USA jemals zu anderen Himmelskörpern geschossen haben. Moderne Prozessoren haben (noch) eine geringe Lebensdauer in der harschen Mars-Umgebung. Deshalb sind in den langlebigen Marsrovern relativ alte und schwache Prozessoren verbaut. Da das Ingenuity-Experiment nur 30 Tage dauern soll, konnte man dafür zu Prozessoren greifen, die denen moderner Smartphones ähneln.

Diese Rechenpower ist notwendig, damit sich der Helikopter im Flug im Gelände orientieren kann und auch zum Ausgangspunkt zurückfindet. Und das alles ohne jede Steuerung von der Erde aus, denn jeder Funkbefehl von der Erde ist mehrere Minuten zum Mars unterwegs. Ingenuity muss sich also in jeder Phase seines Flugs selbst steuern. Dabei wird der Helikopter vom Rover gefilmt, der in sicherer Entfernung von 60 Metern auf einer als Aussichtspunkt günstigen Bodenerhebung geparkt wird.

9. Aufrechtes Landen

Die maximale Flughöhe wird 5 Meter betragen. Aus dieser Höhe kann der Laser-Höhenmesser den Landeanflug noch ausreichend genau vermessen. Sollte Ingenuity bei der Landung trotz aller Vorsicht nicht auf seinen vier dünnen Beinen landen, sondern umkippen, würden die Rotorblätter dabei mit Sicherheit stark beschädigt. Es würde keinen Sinn ergeben, zu versuchen, den Helikopter mithilfe des Rovers wieder aufzurichten. Die Technikdemonstration würde so vorzeitig enden.

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