Mars in 3d
Naast de aarde is Mars de best onderzochte planeet in ons universum. In 1965 maakte een ruimtesonde de eerste beelden van het ruige woestijnlandschap. Het onderzoek van onze rode buurplaneet heeft wetenschappers sindsdien naar veel spectaculaire nieuwe ontdekkingen geleid. In 2020 start er een Rover-expeditie op Mars. Na de landing helpen aandrijfsystemen van Faulhaber om een beter beeld te krijgen van de geologische structuren van het oppervlak.
2020 is het jaar van de volgende Rover-missie naar Mars. De belangrijkste lading van de Russische Proton-raket is de Exomars Rover, ontwikkeld door de Europese en Russische ruimteagentschappen Esa en Roskosmos. Als de missie volgens plan verloopt, zal het wagentje zodra het is geland het oppervlak van Mars gaan onderzoeken op sporen van biologische activiteit. Hiervoor neemt het niet alleen grondmonsters met een kernboor, maar maakt het ook analyses met behulp van een uitgebreid wetenschappelijk pakket. Intussen blijft de Exomars Trace Gas Orbiter in een baan om de planeet cirkelen, zodat de Rover zijn verzamelde gegevens en meetresultaten naar de aarde kan sturen.
Het voertuig zal worden uitgerust met negen meetinstrumenten. Een daarvan komt op een twee meter hoge mast op de Rover. Mullard Space Science Laboratory (MSSL) ontwikkelde deze Panoramic Camera in samenwerking met partners in Duitsland en Zwitserland. Het apparaat zal stereobeelden maken van de rode planeet. De Pancam beschikt over twee roterende filterwielen die zijn gemonteerd op de voorkant van de groothoekcamera’s (wide angle camera’s, wac’s). Ze zijn vervaardigd door Thales Alenia (Zürich) en kunnen driedimensionale beelden van panoramische landschappen maken. Een camera met hoge resolutie van OHB (München) en DLR (Berlijn) levert gedetailleerde afbeeldingen van landschappen, geologische structuren en grondmonsters. Drie stappenmotoren van Faulhaber zorgen voor de aandrijving van de roterende as voor het filterwisselsysteem en het focussen van de hogeresolutiecamera.
Bij de omstandigheden op Mars moet elk apparaat ongeëvenaarde prestaties kunnen leveren. Om te beginnen, werkt de Rover onder een atmosferische druk van 0,00636 bar, wat overeenkomt met een druk op aarde op een hoogte van 35 kilometer. Verder wordt deze planeet gekenmerkt door extreme temperatuurschommelingen van -120 tot +20 graden Celsius. Daarbij verwachten wetenschappers dat het stof dat de Rover opwerpt een negatieve invloed heeft op de operationele betrouwbaarheid van de uiterst nauwkeurige meet- en analyseapparatuur. Dit is een van de redenen waarom de Panoramic Camera twee meter boven de grond op een mast wordt opgesteld. ‘Hiermee worden natuurlijk de lenzen beschermd, maar een ander voordeel is dat bij een dergelijke verhoogde positie ook nog aanzienlijk betere panoramische opnames kunnen worden gemaakt’, verklaart Jonathan Jones, mechanisch en thermisch ingenieur aan het Mullard Space Science Laboratory ten zuiden van Londen.
Met de filters voor de groothoekcamera’s heeft MSSL een systeem gecreëerd dat voor de geplande missie van 2020 op verschillende golflengtes opnames zal kunnen maken, voor afbeeldingen met variërende inhoud. ‘Het plan is om elke dag tien afbeeldingen naar de aarde te sturen’, vertelt Jones. Op het eerste gezicht klinkt dit misschien heel weinig, maar bij nadere beschouwing is die doelstelling behoorlijk ambitieus. Ten eerste moet de camera voor een enkele afbeelding drie foto’s maken. Vervolgens worden deze naar de aarde gestuurd en op elkaar gepositioneerd om het feitelijke beeld te creëren. En dat bij de beperkingen van de lage databandbreedte voor radiocommunicatie tussen de twee planeten. Het is simpelweg onmogelijk om meer dan tien beelden per dag te verzenden.
Stappenmotoren
Met elf filters per wiel kunnen de Pancam-wac’s bij verschillende lichtomstandigheden een brede variëteit aan foto’s maken. De filterwielen roteren voor de beide wac’s langs en dienen precies op de juiste plaats te worden gebracht voor het maken van scherpe afbeeldingen. Voor het aandrijven van het roterende filtersysteem maakt MSSL gebruik van twee stappenmotoren uit het Faulhaber Precistep-programma. Deze twee units hebben een reeks duurzaamheidstests met vlag en wimpel doorstaan.
Tijdens het ontwikkelproces van de Panoramic Camera zijn de ingenieurs van MSSL op zoek geweest naar motoren die betrouwbaar zijn en bovendien nauwkeurig kunnen positioneren en extreem compact zijn. Voor deze hoge eisen waren stappenmotoren de natuurlijke keuze, omdat ze objecten met een resolutie van 1280 stappen per omwenteling kunnen positioneren zonder dat er een apart feedbacksysteem nodig is. Verder zijn ze veel robuuster en eenvoudiger in gebruik dan conventionele servomotoren. Ook het focusmechanisme van de hogeresolutiecamera wordt aangedreven door een Faulhaber Precistep-stappenmotor. Deze aandrijving kan nauwkeurig een extern aangegeven veld volgen zonder dat tijdrovende en complexe aanpassingen nodig zijn.
‘Het is de perfecte oplossing voor optische toepassingen’, stelt Sébastien Vaneberg, salesmanager bij Faulhaber Precistep. Dit Zwitserse bedrijf maakt deel uit van de Faulhaber-groep en is gespecialiseerd in miniatuur-stappenmotoren. ‘Door gebruik te maken van hun restkoppel zijn de motoren namelijk in staat de lenspositie te handhaven zonder stroomverbruik. Bovendien zorgt de openlusregeling ervoor dat trileffecten worden voorkomen zodat scherpe en heldere beelden mogelijk zijn. Kortom: het is een eenvoudige en robuuste aandrijving met uitstekende capaciteiten, ideaal voor de zware omstandigheden die in de ruimte heersen.’
Goedkeuring voor Mars
De aandrijvingen in beide camera’s van de Pancam hebben een diameter van slechts tien millimeter. De stappenmotor telt twintig stappen per omwenteling en wordt gecombineerd met een precisietandwielkast van dezelfde diameter met een overbrenging van 64:1. Bovendien heeft Faulhaber nauw samengewerkt met MSSL om de techniek van de beide aandrijvingen verder aan te passen, zodat ze kunnen voldoen aan de vereiste specificaties voor gebruik op de oppervlakte van Mars. De veranderingen omvatten bijvoorbeeld een droog smeermiddel en aangepaste gesinterde lagers.
‘Eenvoudig gezegd, moeten de motoren op Mars kunnen overleven’, geeft Jones een korte samenvatting van de eisen waaraan de Faulhaber-aandrijvingen moeten voldoen. Om niets aan het toeval over te laten na de landing test MSSL op dit moment de onderdelen van de Panoramic Camera in een speciale testomgeving. De omstandigheden hiervan zijn nog zwaarder dan die op Mars zelf. De aandrijvingen voor positionering moeten vijfduizend positioneringscycli afmaken – natuurlijk bij temperaturen die wisselen tussen -130 en +50 graden Celsius. ‘De test is nog steeds aan de gang, maar de motoren laten goed zien wat ze in huis hebben’, verklaart Jones opgetogen.
Waarom koos de Esa voor Faulhaber? Tijdens de ontwikkeling van de aandrijvingen was er niets op de markt dat ook maar enigszins in de buurt kwam van de kwaliteit van de Faulhaber-units. Bovendien is het bedrijf sowieso al een go-to-partner voor de Europese ruimtevaartorganisatie, die samen met het Russische Roskosmos verantwoordelijk is voor het realiseren van het lanceringsplatform van het Exomars-project.
