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Die Schweizer Maschinenindustrie hat international einen hervorragenden Ruf \u2013 nach wie vor. Wenn es um Pr\u00e4zision und Nischenanwendungen geht, kommen immer wieder Erzeugnisse von Schweizer Herstellern zum Einsatz. Einen weltweiten Bekanntheitsgrad erworben hat sich diesbez\u00fcglich z.B. die Firma maxon in Sachseln OW. Dieses Unternehmen stellt kleine Elektromotoren her, mit denen immer wieder auch die NASA beliefert werden konnte. DC-Motoren aus dem Hause maxon wurden in nahezu allen Robotermissionen auf dem Mars eingesetzt \u2013 nach Angaben des Unternehmens sind es bis heute \u00fcber 100 Antriebe. Und nun kommen weitere hinzu: Ein neuer Rover mit dem Namen \u00abPerseverance\u00bb wird \u2013 sobald er im Februar 2021 auf dem Roten Planeten ankommt \u2013 Bodenproben sammeln, die sp\u00e4ter auf der Erde n\u00e4her untersucht werden. Eine Premiere ist dabei auch eine Helikopterdrohne namens \u00abIngenuity\u00bb. Sie wird das erste \u00abrichtige\u00bb Flugobjekt auf dem Mars sein.<\/p>\n
Der weite Weg zu \u00abmarstauglichen\u00bb Motoren <\/strong><\/p>\n F\u00fcr die erfolgreiche Mission auf dem Mars spielen die Motoren von maxon eine Schl\u00fcsselrolle. Zum einen sind sie f\u00fcr die Bewegung des Roboterarms des Rovers zust\u00e4ndig. Von b\u00fcrstenlosen DC-Motoren dieses Herstellers angetrieben sind auch die Versiegelungsmechanismen f\u00fcr die Probenbeh\u00e4lter. F\u00fcr deren Entwicklung und Modifikation arbeitete ein Team von maxon mit Spezialisten des Jet Propulsion Laboratory (JPL) zusammen. Auch beim Helikopter kommen Motoren von maxon zum Einsatz; diese mussten aber weniger modifiziert werden.<\/p>\n Bei den im Rover verwendeten Motoren handelt es sich um die Typen EC 20 flat und EC 32 flat aus der Produktfamilie der \u00abFlachmotoren \u00bb, wie sie in vielen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen. Sie verf\u00fcgen \u00fcber ein kosteng\u00fcnstiges Gesamtdesign, das ein hohes Drehmoment liefert und \u2013 dank aussen liegendem Rotor \u2013 unter den Bedingungen auf der Erde eine ausgezeichnete Konvektionsk\u00fchlung und damit hohe Dauerleistung erlaubt. Die Bedingungen auf dem Mars sind allerdings ganz anders. Welche Anforderungen m\u00fcssen nun die verwendeten Motoren erf\u00fcllen und was wurde unternommen, damit ihre Funktionalit\u00e4t auch dort, in der lebensfeindlichen Umgebung auf dem Roten Planeten mit seinen hohen Temperaturschwankungen und gewaltigen Sandst\u00fcrmen, gew\u00e4hrleistet bleibt? Dieser Artikel zeigt einen kleinen Einblick in die umfangreiche Entwicklungs- und Testarbeit, bei der auf viele Einzelheiten R\u00fccksicht genommen werden musste.<\/p>\n Modifikationen am Serienmodell <\/strong><\/p>\n Gl\u00fccklicherweise konnte maxon auf einige Erfahrungen von fr\u00fcheren Marsmissionen zur\u00fcckgreifen. Dennoch mussten einmal mehr verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, zumal man sich beim Rover in neue Anwendungsbereiche vorwagte. Diese Modifikationen umfassten sowohl konstruktive Anpassungen als auch die Verwendung alternativer Werkstoffe. So wurde als Leiterplattenmaterial im Unterschied zu den Serienmodellen FR4 verwendet, ein Material, das auch bei anderen Weltraummissionen \u00fcblicherweise benutzt wird. Es gast weniger aus und ist dabei robust genug, um die f\u00fcr die Steuerung ben\u00f6tigten Hallsensoren in einer stark vibrierenden Umgebung zu tragen. Es erf\u00fcllt ferner die Anforderungen der technischen Richtlinie f\u00fcr Leiterplatten nach IPC-A-600 Klasse 3 und die von JPL geforderten Tests. Die gesamte Architektur des Motors wurde so modifiziert, dass sich das ganze System auch bei einem harten Aufschlag nicht ver\u00e4ndert, d.h. sich einzelne Teile bei St\u00f6ssen oder Vibration nicht verschieben. Eine robustere Feder mit Unterlagsscheibenenden sorgt dabei daf\u00fcr, dass sich die Kr\u00e4fte besser verteilen.<\/p>\n Pyroschocktests zeigen Grenzen der Belastbarkeit <\/strong><\/p>\n Die Motoren m\u00fcssen auch h\u00f6chsten mechanischen Anforderungen gen\u00fcgen und wurden entsprechend getestet. Ein in der Raumfahrttechnik gebr\u00e4uchlicher Test ist der sog. Pyroschocktest. Dabei geht es darum, Komponenten zu testen, ob sie den Belastungen, die z.B. bei pyrotechnischen Z\u00fcndungen (etwa dem Abtrennen einer Raketenstufe; \u00e4hnliche pyrotechnische Z\u00fcndungen erfolgen z.B. auch beim Ausl\u00f6sen von Airbags) auftreten, standhalten. Dabei wird das Testobjekt durch einen kurzen und sehr starken Impuls zum Schwingen angeregt. Diese Impulse werden durch Bolzensetzger\u00e4te oder Fall- bzw. Pendelh\u00e4mmer erzeugt. Selbstverst\u00e4ndlich sind diese Pyroschocktests validiert und umfassen die Normen ECSS-EST-10-03C Space Engineering \u2013 Testing, MIL- STD-810 G Environmental Test Methods sowie NASA-STD-7003 Pyroshock Test Criteria.<\/p>\n Nach diesen Kriterien wurde vom JPL also auch der EC 32 flat-Motor von maxon getestet. Er wurde einer Kraft von 3000 g (das 3000-Fache der Erdbeschleunigung) ausgesetzt bei einer Schwingungsfrequenz von 1600 Hz. Nach dem Test wurde der Motor untersucht. Im Betrieb war ein kaffeem\u00fchlen\u00e4hnliches Ger\u00e4usch h\u00f6rbar. Rein \u00e4usserlich schien der Motor aber unversehrt, auch eine computer-tomografische Untersuchung zeigte keine erkennbaren Sch\u00e4den in der Konstruktion. Weitere Tests, u.a. eine Frequenzanalyse des Motorger\u00e4uschs und eine Pr\u00fcfung der rotierenden Welle, ergaben, dass die Motorlager leichte Sch\u00e4den aufwiesen. Was also tun? Ein erneutes Redesign des Motors h\u00e4tte zu viel Zeit gekostet. Man entschloss sich deshalb trotzdem f\u00fcr einen Einbau, und zwar an einer Stelle, wo zwar die Belastung durch Pyroschock gegeben war, sich aber der \u00abKaffeem\u00fchleneffekt \u00bb nicht als nachteilig erwies.<\/p>\n Die Frage der Temperatur\u00fcberwachung <\/strong><\/p>\n Eine weitere Herausforderung bei Elektromotoren ist die W\u00e4rmeentwicklung, ausgel\u00f6st durch den elektrischen Widerstand in den Wicklungen. Im Gegensatz zu fr\u00fcher bei Marsmissionen verwendeten Motoren konnte dieses Mal auf den Einbau eines Platinwiderstandsthermometers verzichtet werden, das bei drohender \u00dcberhitzung eine Notabschaltung ausgel\u00f6st h\u00e4tte. Dank des Designs mit aussen liegendem Rotor konnte die Gefahr einer \u00dcberhitzung des Geh\u00e4uses minimiert werden. F\u00fcr sp\u00e4ter in Erw\u00e4gung gezogen werden k\u00f6nnte allenfalls der Einbau eines Thermoelements direkt in die Wicklungen. Gekoppelt an die Steuerungsplatine, w\u00e4re damit ebenfalls die Ausl\u00f6sung eines Temperaturalarms und eine Notabschaltung m\u00f6glich.<\/p>\n Die Sprache der Forschung \u2013 und der Industrie <\/strong><\/p>\n maxon konnte schliesslich 99 EC 32 flat-Motoren und 40 EC 20 flat-Motoren an JPL ausliefern \u2013 jeweils mehr, als eigentlich f\u00fcr den Einbau in den Rover ben\u00f6tigt wurden. JPL konnte somit eine Auswahl der leistungsf\u00e4higsten Motoren treffen und die \u00fcberz\u00e4hligen f\u00fcr sp\u00e4tere Missionen einlagern. Die Entwicklung der Motoren f\u00fcr die neue Marsmission war wiederum ein Beispiel daf\u00fcr, wie privatwirtschaftliche Industrieunternehmen mit staatlich gef\u00f6rderten, rein wissenschaftlich arbeitenden Organisationen wie JPL zusammenarbeiten k\u00f6nnen. Denn Fragestellungen zu technischen Feinheiten, die zwar f\u00fcr die Forschung von Interesse sind, weil sie \u00fcber Erfolg oder Misserfolg einer kostspieligen Weltraummission entscheiden k\u00f6nnen, sind in einem kommerziellen Umfeld h\u00e4ufig kaum relevant. Wie JPL und maxon gleichermassen konstatieren, hat man auch bei diesem Prestigeprojekt aber wieder viel voneinander lernen und profitieren k\u00f6nnen. Bleibt nun zu hoffen, dass sich die gemeinsame Arbeit auch im Erfolg der Marsmission ausbezahlen wird.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Die Schweizer Maschinenindustrie hat international einen hervorragenden Ruf \u2013 nach wie vor. Wenn es um Pr\u00e4zision und Nischenanwendungen geht, kommen immer wieder Erzeugnisse von Schweizer Herstellern zum Einsatz. Einen weltweiten Bekanntheitsgrad erworben hat sich diesbez\u00fcglich z.B. die Firma maxon in Sachseln OW. 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