Eine Drohne der NASA hat zum ersten Mal ihren kompletten Erstflug über die Dünen des Saturnmonds Titan absolviert, allerdings noch auf der Erde in einer Simulation. Auf flugähnlicher Bordelektronik trennte sich der Rotorflieger Dragonfly virtuell von seinem Hitzeschild, suchte selbstständig einen sicheren Landeplatz und setzte auf. Der Test gilt als wichtigster Meilenstein vor dem Start, denn auf Titan muss die Drohne jeden Flug ohne Hilfe von der Erde bewältigen. Ab 2034 soll Dragonfly auf dem Saturnmond nach chemischen Vorstufen des Lebens suchen.
Noch nie hat die Menschheit ein Fluggerät mit wissenschaftlichen Instrumenten auf einen anderen Himmelskörper geschickt, das dort von Ort zu Ort fliegt. Genau das soll Dragonfly leisten. Die rund 1,4 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernte Welt Titan ist der größte Mond des Saturn und nach dem Jupitermond Ganymed der zweitgrößte Mond im Sonnensystem. Er ist größer als der Planet Merkur und der einzige Mond mit einer dichten Atmosphäre. Bisher hat nur die europäische Sonde Huygens im Jahr 2005 auf seiner Oberfläche aufgesetzt und von dort Daten zur Erde geschickt. Dragonfly soll dagegen über drei Jahre lang immer wieder abheben und Hunderte Kilometer zurücklegen.
Gebaut wird die Drohne am Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Laurel im US-Bundesstaat Maryland, das die Mission im Auftrag der NASA leitet. Dort durchläuft Dragonfly derzeit die Phase, in der die einzelnen Bauteile zusammengesetzt und getestet werden. Wie die NASA in ihrem Missionsblog berichtet, hat das Team nun den bislang umfassendsten Test des sogenannten Erstflugs in Echtzeit durchgeführt. Dabei liefen fast alle Systeme und Flugmanöver zusammen, die der Rotorflieger bei seiner Ankunft auf Titan einsetzen wird.
Der simulierte Ablauf beginnt hoch über der Oberfläche des Saturnmonds. Dragonfly trennt sich von der schützenden Rückschale der Eintrittskapsel, rast autonom über die Sanddünen von Titan und tastet dabei das Gelände unter sich ab. Sobald die Drohne einen sicheren Landeplatz gefunden hat, wendet sie, sinkt ab und setzt zum ersten Mal auf der Oberfläche auf. Auf einer Aufzeichnung der Simulation ist zu sehen, wie der Rotorflieger zunächst über die ausgewählte Stelle hinwegfliegt, im Bogen zurückkehrt und dann den Endanflug beginnt.
Ausgerechnet der allererste Flug ist für die Ingenieure die größte Herausforderung. „Das Spannende am Erstflug ist, dass er unser anspruchsvollster Flug ist“, sagt Zach Putnam, der am Applied Physics Laboratory die Entwicklung der Flugsysteme leitet. „Er nutzt jedes einzelne Stück Sensorhardware an Bord des Landers.“ Bei späteren Flügen kann sich Dragonfly auf Gelände stützen, das es zuvor schon aus der Luft erkundet hat. Beim ersten Anflug dagegen kennt die Drohne die Umgebung nur aus groben Karten und muss alle Entscheidungen selbst treffen.
Für den Test verbanden die Ingenieure die Flugsoftware und die Bordelektronik mit künstlich erzeugten Daten der Sensoren, die Dragonfly auf Titan nutzen wird. Dazu gehören die neu eingebauten Navigationskameras, die Trägheitsmesseinheiten, die Beschleunigungen und Drehungen erfassen, sowie ein Lidar. Dieses Lasermessgerät bestimmt die Höhe über dem Boden und die Neigung des Geländes und soll Hindernisse erkennen. Für das Lidar erzeugte das Team ein simuliertes Gelände, für die Kameras berechnete es in Echtzeit die Bilder, die Dragonfly im Flug sehen würde.
Ein eigens entwickelter Kamera-Emulator nutzte Grafikprozessoren, um jede simulierte Titan-Szene in etwa derselben Zeit zu erzeugen, die auch die echten Kameras für eine Aufnahme brauchen werden: 20 bis 70 Millisekunden. So konnte das Team prüfen, wie alle Teile zusammenspielen, bis hinunter zu Abläufen, die nur Millisekunden dauern, während Informationen zwischen verschiedenen Prozessen an Bord hin- und herlaufen. „Diese Tests sind eine wichtige Bestätigung dafür, dass alles zusammen funktioniert“, sagt Putnam.
Der Erfolg ist das Ergebnis eines schrittweisen Aufbaus über mehrere Jahre. Zunächst simulierte das Team einfache Vorgänge wie das Drehen eines einzelnen Rotors. Später folgten ein kurzer Flug zum Umsetzen der Drohne und ein teilweiser Erkundungsflug, bei denen jeweils weitere Sensoren und Fähigkeiten hinzukamen. Erst das Lidar lieferte das letzte fehlende Teil, um den Anflug auf Titan vollständig nachzubilden. „Nur weil wir schrittweise vorgegangen sind, konnten wir diese Tests überhaupt aufbauen“, so Putnam.
Die Autonomie ist der Kern der Mission. Funksignale brauchen von der Erde bis zum Saturnsystem je nach Stellung der Planeten mehr als eine Stunde. Eine Steuerung per Joystick wie bei einer Drohne auf der Erde ist damit unmöglich. „Diese Autonomie ist auf Titan unverzichtbar, wo Dragonfly ohne Hilfe von der Erde in Echtzeit fliegen muss“, sagt Putnam. „Alles, was wir auf Titan tun, muss autonom geschehen.“
Als Nächstes will das Team den Erstflug nicht mehr nur auf einem Prüfstand, sondern auf dem echten Flugsystem der Drohne durchspielen. Außerdem sollen weitere Flugprofile getestet werden. Die Ingenieure wollen dabei absichtlich Fehler einbauen, um sicherzustellen, dass Dragonfly selbstständig reagiert, wenn etwas schiefgeht. Parallel testet der Raumfahrtkonzern Lockheed Martin in Colorado den Mechanismus, der die Drohne während des Abstiegs an einem Fallschirm aus der Rückschale herabsenkt. Erst danach kann Dragonfly seine Rotoren starten und sich lösen. Die Tests berücksichtigen auch, wie stark die Rückschale unter dem Fallschirm pendeln kann.
Dass auf Titan überhaupt geflogen werden kann, liegt an seiner besonderen Atmosphäre. Sie besteht zu etwa 95 Prozent aus Stickstoff und zu rund fünf Prozent aus Methan. Am Boden ist der Luftdruck nach Angaben der NASA etwa 60 Prozent höher als auf der Erde, was ungefähr dem Druck in 15 Metern Wassertiefe entspricht. Zusammen mit der geringen Schwerkraft machen die dichte, ruhige Luft das Fliegen dort nach Einschätzung der Missionsplaner zur idealen Art, sich fortzubewegen. Das Fluggerät ist als doppelter Quadrokopter mit acht Rotoren ausgelegt.
Gleichzeitig ist Titan eine der lebensfeindlichsten Umgebungen, die je ein Fluggerät erreichen sollte. An der Oberfläche herrschen etwa minus 179 Grad Celsius. Wassereis ist dort so hart wie Gestein. Methan und Ethan regnen aus Wolken, fließen in Flüssen und füllen ganze Seen und Meere, ähnlich wie Wasser auf der Erde. Forschende konnten bereits die Tiefe von Titans größtem See bestimmen. Weite Dünenfelder aus dunklen Kohlenwasserstoff-Körnern ziehen sich um den Äquator. Laut NASA erinnern sie an die Dünen der Wüste Namib in Afrika.
Weil das Sonnenlicht auf Titan rund 100-mal schwächer ist als auf der Erde und die Atmosphäre zudem von einem orangefarbenen Dunst verhangen ist, kommen Solarzellen nicht infrage. Dragonfly bezieht seine Energie deshalb wie der Marsrover Curiosity aus einer Radionuklidbatterie, die Wärme aus dem Zerfall von Plutonium in Strom umwandelt. Geflogen wird nur während des Titan-Tages, der rund acht Erdtage dauert. In der ebenso langen Nacht lädt die Drohne ihre Akkus wieder auf.
Wissenschaftlich soll Dragonfly klären, wie weit die Chemie auf Titan in Richtung Leben fortgeschritten ist. „Dragonfly ist keine Mission, um Leben nachzuweisen. Es ist eine Mission, um die Chemie zu erforschen, die auf der Erde der Biologie vorausging“, sagt die wissenschaftliche Leiterin der Mission, die Planetenforscherin Elizabeth Turtle vom Applied Physics Laboratory. Die Drohne soll Bodenproben nehmen und sie an Bord mit einem Massenspektrometer analysieren. Weitere Instrumente messen die Zusammensetzung der Oberfläche, das Wetter und mögliche Beben im Untergrund. Unter der Eiskruste des Mondes vermuten Forschende zudem einen Ozean aus flüssigem Wasser in 55 bis 80 Kilometern Tiefe.
Die Idee einer fliegenden Titan-Sonde ist nicht neu. Bereits 2019 hatte die NASA Dragonfly als vierte Mission ihres New-Frontiers-Programms ausgewählt. Schon damals berichteten wir, dass eine fliegende Drohne den Mond Titan erkunden soll. Inzwischen ist der Start frühestens für Juli 2028 geplant, die Ankunft für Ende 2034. Dass Fliegen auf fremden Welten grundsätzlich möglich ist, bewies der kleine Marshubschrauber Ingenuity, dessen erster Flug auf dem Mars im Jahr 2021 Geschichte schrieb. Ingenuity war jedoch ein Technologieexperiment ohne eigene Forschungsinstrumente.
Dragonfly geht deutlich weiter. Auf Titan soll die Drohne etwa alle ein bis zwei Titan-Tage, also alle 16 bis 32 Erdtage, zu einem neuen Ziel aufbrechen und dabei pro Flug mehrere Kilometer zurücklegen. Zu den Zielen gehören Dünenfelder und der Einschlagkrater Selk. An der Mission ist auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt. Bis Dragonfly tatsächlich über Titan fliegt, vergehen noch rund acht Jahre, doch der erste Flug ist nun zumindest im Computer gelungen.
NASA, NASA’s Dragonfly Completes First Simulated Flight
Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, What Is Dragonfly?
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
