Wieso ist das Fliegen mit einer Drohne am Mars so schwierig?

Die Welt wartet gebannt auf den Moment, in dem der NASA-Hubschrauber „Ingenuity“ seinen Jungfernflug auf dem Mars antritt. Eigentlich hätte dieses historische Ereignis am 11. April stattfinden sollen, wurde aber aufgrund eines Software-Fehlers verschoben. Ein neuer Starttermin wurde noch nicht bekannt gegeben. 

Dünne Atmosphäre

Abgesehen von dem nun notwendigen Software-Update ist das Fliegen auf dem Mars generell ein schwieriges Unterfangen. Zwar ist die Gravitation auf dem Roten Planeten etwa zwei Drittel geringer als jene der Erde, die extrem dünne Mars-Atmosphäre ist jedoch eine große Herausforderung: Ihre Dichte beträgt lediglich ein Prozent jener der Erdatmosphäre. Mit Ingenuity will die NASA daher herausfinden, ob motorisiertes, gesteuertes Fliegen einer Helikopterdrohne in dieser Atmosphäre  überhaupt möglich ist. 

Dementsprechend wurde sie gebaut: Ihr Gewicht beträgt gerade einmal 1,8 Kilogramm. Die Rotorblätter aus Karbonfasern haben einen Durchmesser von 1,20 Meter und rotieren mit einer Drehzahl von 2.400 Mal pro Minute in zwei übereinanderliegenden Rotoren in gegenläufiger Richtung. Im Rahmen seines ersten Flugs soll Ingenuity 3 Meter senkrecht aufsteigen und 30 Sekunden schweben.

Bittere Kälte

Neben der kaum vorhandenen Atmosphäre können auch die Nächte mit minus 90 Grad Celsius die Flugmission beeinträchtigen. Laut Stephan Weiss, einer der Entwickler der Ingenuity-Systeme und Leiter des Instituts für Intelligente Systemtechnologien der Universität Klagenfurt, muss der Helikopter über Nacht gewärmt werden.

„Dafür muss entsprechend Energie aufgewendet werden – die wird über Solarzellen tagsüber getankt. Somit muss nach einem Flug sichergestellt werden, dass entweder noch genügend Energie für die Nacht vorhanden ist oder bis zum Sonnenuntergang die Batterie wieder genügend aufgeladen werden kann“, sagt er der futurezone. Die ersten Nächte hat die Drohne gut überstanden. Ob ihre Elektronik der Kälte dauerhaft standhalten kann, wird sich zeigen. 

Wind und Staub

Auch Wind und Stürme könnten die Mission beeinflussen. „Nur wenn günstige Bedingungen vorherrschen, kann man starten“, sagt der Forscher. Windverhältnisse werden daher vor dem Start gemessen. „Zwar ist kein Windmesser per se mit auf dem Helikopter, man nutzt aber Mikrofone des Rovers und detaillierte Wind- und Wettervorhersagen von Satellitendaten.“ Schwer zu prognostizieren seien  Windhosen, da sie sehr kurzlebig sind. Doch auch hier helfen die Rover-Mikrofone, die Lage zu eruieren. 

Zusätzlich könnten feine Gesteinspartikel zu Störungen führen. Weiss zufolge sei der Helikopter aber so ausgelegt, dass Sand und Staub wenig Einfluss auf die Elektronik haben sollten. „Ob das tatsächlich der Fall ist, werden die Tests zeigen“, sagt er.

Orientierung per Kamera

Für einen erfolgreichen Flug relevant ist zusätzlich die Orientierung des Helikopters, die kamerabasiert  erfolgt. Das System nutzt dafür  die aufgenommenen Bilddaten. Das Stabilisieren spielt eine wichtige Rolle: „Die nach unten blickende Kamera bestimmt, ob der Helikopter vom Soll-Punkt abweicht“, erzählt er. Diese Abweichungen und die Ausrichtung müssen auch beim Jungfernflug für erfolgreiches Schweben korrigiert werden, was einer komplexen Regelstruktur bedürfe.

„Eine komplette Vernachlässigung der Orientierung würde zu unbestimmten Kreisbewegungen führen“, sagt der Fachmann. Die Drohne müsse konstant die Umgebung abgleichen, um zu ermitteln, wo sie ist. „Diese Frage ,wo bin ich?' muss einige Male in der Sekunde im Flug selbstständig beantwortet werden, um einen stabilen Flug gewährleisten zu können“, ergänzt er.

Planetare Erkundungen

Ist der erste Flug erfolgreich, beginnt Weiss zufolge eine neue Ära der planetaren Erkundungen. „Da beginnen auch Zukunftsfantasien, die dann aber gar nicht mehr so unrealistisch sind. Es gibt bereits Ideen für künftige Einsätze – wie genau die aussehen, bleibt aber noch zu detaillieren“. Eine der Visionen ist, mit mehreren und größeren Drohnen Gebiete zu erkunden, die ein Rover nicht erreichen kann, wie etwa Schluchten oder Gebiete, die man durch Bodenberührung zerstören könnte.