Mars an der Weser

Schlichte Neonleuchten erhellen die zehn Meter hohe Halle, deren Wände aus grauem Sichtbeton nicht gerade Gemütlichkeit erzeugen. Aber das sollen sie auch nicht, denn hier wird Weltraumtechnik auf Herz und Nieren getestet. Es ist die Lande- und Mobilitätstestanlage im Institut für Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen. Auf einer Seite der Halle befindet sich auf einer Mauer ein Roboterarm, der eine vierbeinige Sonde hält. Mit lautem Rattern setzt sich der Arm in Bewegung, fährt auf der Mauer entlang und lässt die Sonde plötzlich in einen großen Sandkasten fallen, wo sie unversehrt aufsetzt.

Was sich unter verschiedenen Bedingungen beliebig oft wiederholen und mit diversen Messgeräten sowie Hochgeschwindigkeitskameras detailliert studieren lässt, soll im November 2014 unfallfrei auf einem viele Hundert Millionen Kilometer von der Erde entfernten Kometen gelingen. Dann nämlich soll Europas Raumsonde Rosetta in einer Umlaufbahn um den schätzungsweise vier Kilometer großen Kometen Tschurjumow-Gerassimenko die Landesonde Philae abwerfen. Die soll auf einer bogenförmigen Bahn zur Oberfläche sinken und mit Fußgängergeschwindigkeit aufsetzen – ein Novum in der Geschichte der Raumfahrt.

Pulverschnee oder Gletschereis

Bislang weiß allerdings niemand, wie die Oberfläche des Himmelskörpers beschaffen ist. Weich wie Pulverschnee oder hart wie Gletschereis? „Mit unserer Anlage testen wir die Leistungsgrenzen der Landesonde”, sagt Versuchsleiter Lars Witte. „Wir wollen Philaes Anfluglage präzisieren. Die endgültige Auswahl des Landegebietes erfolgt erst nach der Auswertung der Bilder, die Rosetta aus der Umlaufbahn aufnehmen wird.”

In dieser weltweit einzigartigen Anlage lassen sich nicht nur Landesonden testen, sondern auch Fahrzeuge, die Mond oder Mars erkunden sollen. Dort herrscht eine geringere Schwerkraft als auf der Erde, was sich mit dem Roboter simulieren lässt. Die Forscher befestigen das Fahrzeug an dem computergesteuerten Arm, der es ein wenig anhebt und einen Teil des Gewichts aufnimmt. Auf diese Weise testen Witte und Kollegen Varianten des Rovers ExoMars der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der 2018 unseren Nachbarplaneten erkunden soll. „Die Kunst besteht darin, das Gerät einerseits gewichtsmäßig zu entlasten, ihm aber gleichzeitig genügend Freiheit zu lassen, damit es fahren, rutschen oder auch kippen kann”, erklärt Versuchsleiter Lars Witte.

Gleich neben der Sandkiste stehen zwei große, mit Gestein gefüllte Metallzylinder. Sie sollen helfen, ein anderes Novum zu testen: einen Schlagbohrer, der bis zu fünf Meter tief in den Boden des Mars eindringen soll. Er ist Teil der Sonde InSight, die laut Plan Ende 2016 auf dem Roten Planeten landet. InSight firmiert zwar als NASA-Mission, doch wo NASA draufsteht, ist nicht unbedingt nur NASA drin. Die US-amerikanischen Raumfahrtspezialisten setzen immer wieder auf Geräte „Made in Germany.” Aus Mainz stammen beispielsweise die auf den Mars-Rovern Sojourner, Spirit und Opportunity arbeitenden Röntgenspektrometer zur chemischen Analyse von Staub und Gestein.

InSights elektromechanischer Schlagmechanismus soll die Eigenschaften des Mars-Bodens vermessen und möglicherweise vorhandenes Wassereis aufspüren. Ziel ist es, den Aufbau von Kern und Mantel sowie die thermische Entwicklung unseres Nachbarplaneten besser zu verstehen. „Bisher ist ein solcher automatischer Maulwurf auf keinem Körper des Sonnensystems zum Einsatz gekommen”, sagt Projektleiter Tim van Zoest.

Als das DLR das Institut für Raumfahrtsysteme 2007 gründete, fiel die Wahl auf Bremen, weil sich dort eine Fülle von Kooperationen anbot. So befindet sich direkt nebenan das der Universität angegliederte Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM). In dessen 146 Meter hohem Fallturm sind Experimente unter Schwerelosigkeit möglich. Außerdem haben hier die Raumfahrtunternehmen EADS Astrium, OHB Systems, Kayser Threde und MT Aerospace ihren Sitz. Und seit Ende 2011 bietet die Hochschule Bremen einen eigenständigen Studiengang Luft- und Raumfahrtinformatik an.

Bremen lässt was springen

Mittlerweile gilt Bremen als hochrangiger Raumfahrtstandort in Europa. Das lässt sich die Hansestadt einiges kosten: In der Aufbauphase von 2007 bis 2011 beteiligte sich Bremen mit insgesamt 9,5 Millionen Euro am Bau der Gebäude, außerdem steuert die Stadt zehn Prozent der laufenden Betriebskosten von jährlich bis zu 17,8 Millionen Euro bei. Die Investition lohnt sich, denn wer am DLR-Institut in Kooperation mit der Universität eine Ausbildung absolviert, dürfte danach keinerlei Probleme haben, im High-Tech-Bereich eine Stelle zu finden.

„Zu uns kommen nicht nur Studenten aus Bremen, sondern solche aus der ganzen Welt”, sagt Stephan Theil, der den Bereich Navigations- und Regelungssysteme leitet. In seinen Laboren werden Satellitensysteme unter möglichst realen Weltraumbedingungen getestet. Größtes Problem ist die Schwerkraft, die es in der Erdumlaufbahn nicht gibt. Ein Trick hilft, sie „auszuschalten.” Die zu untersuchende Satellitenlageregelung befindet sich auf einem Tisch, der auf der gewölbten Seite einer perfekt polierten Halbkugel ruht. Bläst man Druckluft auf die Kugeloberfläche, so schwebt der Tisch auf dem dünnen Gaspolster. „Er kann sich nahezu reibungsfrei um alle drei Raumachsen drehen”, erklärt Theils Mitarbeiter Ansgar Heidecker. Durch diesen Trick simulieren die Bremer Forscher Schwerelosigkeit.

Wie von Geisterhand bewegt sich die computergesteuerte Plattform langsam, kippt erst in eine Richtung, dann in eine andere. Den Antrieb dazu liefern nicht Steuerdüsen, sondern drei auf dem Tisch montierte Drallräder. Werden sie mit einem Elektromotor in Rotation versetzt, übertragen sie ihren Drehimpuls auf die Oberfläche und erzeugen den nötigen „Rückstoß” . Solche Gyroskope sind seit Langem Stand der Satellitentechnik. Warum also die Tests in Bremen?

„Die Anforderungen an Satelliten steigen und stellen uns vor neue Herausforderungen”, sagt Heidecker. Viele Satelliten, beispielsweise für die Erdbeobachtung, werden immer leichter und kleiner. Das spart Kosten für den Start, gleichzeitig steigt die Qualität der Kameras an Bord. Und die Himmelsspäher sollen sich immer genauer und schneller auf bestimmte Orte am Erdboden ausrichten können. „Wir suchen nach schnellen und gleichzeitig stabilen Techniken hierfür”, sagt der DLR-Forscher.

Die Satelliten müssen in einer gro- ßen Weltraumsimulationskammer letzte Funktionstests bestehen. Da sie im Orbit häufig das Erdmagnetfeld und den Sonnenstand zur Orientierung nutzen, müssen bei den Tests auch diese natürlichen Gegebenheiten im Labor simuliert werden. Hierzu haben die Forscher um den Luftlagertisch herum sogenannte Helmholtz-Spulen aufgebaut. Stromdurchflossen erzeugen sie ein Magnetfeld, das den Bedingungen in der Umlaufbahn entspricht. Zusätzlich wird das Licht eines Studioscheinwerfers über einen Spiegel auf die Montageplattform geworfen – fertig ist die künstliche Sonne.

Flug zum Asteroiden

Zurzeit lassen sich auf dem Luftlagertisch Kompaktsatelliten etwa bis zur Größe einer Waschmaschine studieren. Mit einem wesentlich kleineren, aber nicht minder spektakulären Raumfahrzeug beschäftigt sich eine Gruppe um Projektleiter Tra-Mi Ho. Das Gerät Mascot (Mobile Asteroid Surface Scout) soll mit der japanischen Raumsonde Hayabusa 2 zu einem Asteroiden fliegen, darauf landen, Oberflächenmaterial sammeln und zur Erde zurückbringen. Sobald Hayabusa 2 planmäßig Mitte 2018 den etwa einen Kilometer großen Himmelskörper mit der Bezeichnung 1999 JU3 erreicht hat, wird er in eine Umlaufbahn einschwenken. Dann klinkt er die kleine Landesonde aus, damit diese auf den Asteroiden hinabsinken kann. Dort richtet sie sich automatisch auf und – das ist der Clou – hüpft von einer Messstelle zur nächsten.

Die kurze Aufenthaltsdauer von 16 Stunden und die relativ lange Kommunikationszeit zur Erde erfordern es, dass Mascot komplett autonom arbeitet und zur Erde zurückstartet. Ende 2020 soll die kostbare Fracht hier ankommen – wenn alles gut geht.

Die Entwicklung von Mascot im Bremer Institut stellt höchste Anforderungen. So darf das gesamte Gerät, das neben dem Probensammler vier weitere Instrumente samt Kamera mitführt, maximal zehn Kilogramm wiegen und die Ausmaße eines Schuhkartons nicht überschreiten. Die Forscher profitieren dabei von der Erfahrung mit dem Kometenlander Philae, und sie kooperieren mit Kollegen von der Technischen Universität Braunschweig und der französischen Raumfahrtagentur CNES.

Aus für den Lunar Lander

Doch nicht immer werden geplante Raumfahrtprojekte auch in die Realität umgesetzt, wie Hans Krüger kürzlich lernen musste. Seine Anlage ATON (Autonomous Terrain based Optical Navigation) soll es künftigen Raumsonden erlauben, auf einem fernen Himmelskörper eigenständig einen zuvor ausgewählten Ort anzufliegen und dort zu landen. Krüger und seine Mitarbeiter hatten auf den von der ESA geplanten Lunar Lander gehofft, der am Südpol des Mondes aufsetzen sollte. Doch auf der letzten ESA-Ministerratssitzung im November 2012 wurde das Projekt gekippt. Die Bremer Forscher führen ihre Entwicklung trotzdem unbeirrt fort. „Wenn wir Exploration im Weltraum betreiben wollen, ist diese Technologie unumgänglich”, ist Hans Krüger überzeugt.

Für ATON nutzen die Forscher einen computergesteuerten Industrieroboter, der mit einer Kamera über ein maßstabgetreues, dreidimensionales Mondrelief fährt und dabei die Bewegungen bei der Landung simuliert. Mit einer Lampe lassen sich unterschiedliche Beleuchtungsverhältnisse einstellen, während der Roboter stets bis auf einen Millimeter genau seine Position im Raum kennen muss. Eines der Probleme besteht darin, dass eine komplette Mondkarte zu viel Speicherplatz benötigt. Also muss sie vorher zu einem Katalog vereinfacht werden, der bestimmte Merkmale wie auffällige Kraterkonstellationen enthält. „Da kommt es entscheidend auf eine perfekte Bildverarbeitungssoftware an”, sagt Hans Krüger.

Wenn das System in ein paar Jahren fertig ist, sollte es natürlich auch zum Einsatz kommen. „Mit fortschreitender Technik werden die Satelliten immer kleiner und leichter, was die Missionskosten senkt”, sagt Stephan Theil. „Dadurch sind künftig vielleicht auch rein deutsche Missionen zum Mond oder zu Asteroiden möglich.”

Zu einem kompletten Raumfahrtsystem gehört neben Satelliten auch eine Trägerrakete. Hier sind die Bremer Forscher ebenfalls an einem zukunftsweisenden Programm beteiligt: der Weiterentwicklung von Ariane 5. Nach hartem Ringen hat sich der ESA-Ministerrat dazu entschlossen, die Europarakete mit einer leistungsfähigeren Oberstufe zu versehen. Gleichzeitig sollen Elemente entwickelt werden, die später in der Nachfolgerin Ariane 6 zum Einsatz kommen. Rund 620 Millionen Euro hat die ESA für dieses Projekt vorgesehen. Dafür soll die zukünftige Ariane 5 ME (Midlife Evolution) 20 Prozent mehr Leistung bringen und damit die Startkosten senken.

Forderung: Absolut sicher!

Die entscheidende Neuerung ist eine Oberstufe, die sich im Weltraum mehrmals zünden lässt. „Das ist eine Schlüsseltechnologie im Wettkampf um den internationalen Markt”, sagt Jens Gerstmann, der das Projekt in Bremen leitet. Mehrmaliges Zünden funktioniert nur mit flüssigem Treibstoff, sprich kaltem Wasser- und Sauerstoff. Das Problem dabei ist, dass die Treibstoffzufuhr trotz häufiger Wechsel zwischen Beschleunigung und Schwerelosigkeit absolut sicher funktionieren muss. Die Flüssigkeit schwappt im Tank hin und her. Und ein Triebwerk reagiert ähnlich wie der menschliche Körper bei einer Spritzeninjektion: „Wenn es eine Luftblase ansaugt, kann das das Ende der Mission bedeuten”, sagt Jens Gerstmann. Außerdem verhält sich der Treibstoff wie Wasser, das unter hohem Druck steht und sich nahe am Siedepunkt befindet. Deswegen darf sich keine Stelle des Tanks durch die Sonneinstrahlung erwärmen, weil sonst der Treibstoff verdampfen und der Behälter explodieren könnte.

Um das im Weltraum zu verhindern, werden alle Komponenten im Bremer Kryolabor getestet, zum Beispiel auf einem „Schwapptisch”. Er steht auf sechs beweglichen Beinen, die ein Computer in beliebigem Rhythmus verkürzen und verlängern kann, wodurch der Tisch gehörig ins Schaukeln gerät.

Gebaut wird die neue Oberstufe, deren Erstflug 2017 erfolgen soll, bei EADS Astrium in Bremen. Das Verbundprojekt Oberstufe ist so komplex, dass neben den beteiligten Raumfahrtunternehmen und dem ZARM weitere DLR-Institute in Lampoldshausen, Göttingen und Braunschweig beteiligt sind. Eine große Verantwortung – denn Europas Raumfahrt kann es sich nicht leisten zu scheitern. ■

THOMAS BÜHRKE, Wissenschaftsjournalist aus Schwetzingen, fühlte sich bei seinem Besuch in Bremen wie auf einem anderen Planeten. Der Fotograf THOMAS ernsting aus Bonn lieferte die beeindruckenden Bilder zu der Geschichte.

von Thomas Bührke (Text) und Thomas Ernsting (Fotos)