Diese Caltech-Studentenprojekte könnten beim Bau einer Mondbasis helfen

Für diejenigen, die davon träumen, eine Basis auf dem Mond zu errichten, besteht eine große technische Herausforderung darin, herauszufinden, wie man Rover, Eis und andere Fracht über tückisches Gelände und aus steilen, zerklüfteten Mondkratern bewegt.

„Die meisten Mondbasisszenarien, die die NASA in Betracht zieht, beinhalten den Versuch, entweder in einem Krater zu leben oder Dinge in und aus Kratern zu befördern“, sagt Lucas Pabarcius, Student am Caltech im dritten Jahr, der die Abteilung „Lunar Architecture for Tree Traversal“ leitet. des Cable Exploration (LATTICE)-Teams. „Und das ist eine extreme Fortbewegungsherausforderung, denn diese Kraterwände sind kilometerlang und weisen eine Neigung von 30 bis 40 Grad auf.“

Das LATTICE-Team entwirft derzeit ein selbstentfaltendes modulares Robotersystem für den Transport von Eis und anderen Gütern in und aus diesen Kratern. Das System, das wie eine Seilrutsche auf dem Mond funktionieren würde, treibt Pfähle in den Boden, befestigt Kabel an den Pfählen und transportiert Fracht in Roboter-Shuttles über die Kabel. LATTICE gehörte zu den sieben Finalisten der 2022 Breakthrough, Innovative, and Game-changing (BIG) Idea Challenge der NASA und sein 60-köpfiges Team war das einzige, das ausschließlich aus Studenten bestand.

Der am weitesten entwickelte Teil von LATTICE seien die Shuttles, die auf den Kabeln fahren, erklärte Pabarcius. Sie sind in der Lage, im Verhältnis zu ihrer Masse deutlich größere Nutzlasten zu transportieren und schnellere Geschwindigkeiten zu erreichen als vergleichbare Mondrover, während sie gleichzeitig steile Hänge hinauf- und hinunterfahren. Die Shuttles erzeugen auch die Spannung, die erforderlich ist, um sich vom Boden abzuheben und die Traktion während ihrer Fahrt aufrechtzuerhalten, indem sie kompakte Aktuatoren verwenden, die so viel Drehmoment wie Formel-1-Rennwagen abgeben können. Der Antriebsmechanismus für das Shuttle wurde vom Team von Grund auf entwickelt und wird derzeit patentiert.

LATTICE folgt Caltechs BIG Idea-Finalistenprojekt 2021, dem Habitat Orientable & Modular Electrodynamic Shield (HOMES), das sich auf das Problem des Mondstaubs konzentrierte. „Mondstaub ist unglaublich abrasiv“, sagt HOMES-Teamleiter Malcolm Tisdale, der ebenfalls im dritten Jahr an der Caltech studiert. „Seine Eigenschaften machen es zu einem großen Problem für jedes technische System auf dem Mond.“

HOMES verwendet modulare quadratische Fliesen, die zusammengesteckt werden können, um einen elektrodynamischen Staubschutz zu bilden. Drähte im Inneren der Fliesen erzeugen ein elektrisches Feld, das sich über die Oberfläche der Fliesen erstreckt und Staubpartikel abstößt. Durch Variieren oder Wechseln des Stroms in den Drähten oder durch Ändern der Ausrichtung der Fliesen kann HOMES die Staubentfernung steuern. „Es sieht aus wie Magie“, sagt Tisdale. „Der Staub schwebt einfach zur Seite.“

Im vergangenen November testete das LATTICE-Team einen kleinen Prototyp seines Systems in einer Wüste im kalifornischen Lucerne Valley. Das Team interessierte sich insbesondere für die Leistung des Systems zum Eintreiben von Pfählen in den Boden. Die Pfähle fungieren als Ankerpunkte für die Seile, auf denen die Ladung transportierenden Shuttles fahren.

„LATTICE hat besser abgeschnitten, als wir erwartet hatten“, sagt Pabarcius. „Wir mussten ein System entwickeln, das leicht ist und diese Stäbe auch bei geringer Leistung in den Boden treiben kann, sodass es aus diesem Grund tatsächlich ziemlich langsam ist. Das Bemerkenswerte ist, dass es so aussieht, als würde nichts passieren, aber dann geht man weg und kommt 15, 20 Minuten später zurück, und der Pflock steckt im Boden. Das ist ziemlich toll."

Tisdale und Pabarcius lobten ihre Mentoren am Caltech und JPL, die ihrer Meinung nach immer bereit seien, Probleme mit den Studenten anzugehen und technische Ratschläge zu geben. Einer dieser Mentoren war Soon-Jo Chung, Bren-Professor für Steuerung und dynamische Systeme am Caltech und leitender Forschungswissenschaftler am JPL.

„Es war eine große Freude, mit unseren Studenten zusammenzuarbeiten“, sagt Chung. „Caltech-Studenten sind sehr damit beschäftigt, Kurse zu belegen, und für die Teilnahme an diesen Projekten erhalten sie keine zusätzliche Anerkennung. Sie erfordern viel Zeit, daher müssen die Studierenden wirklich engagiert sein.“

Auch Chungs eigenes Labor hat den Mond im Visier. Sein Team entwickelt einen „Multi-Agenten-Koordinationsalgorithmus“, der es mehreren Rovern und Drohnen auf dem Mond oder dem Mars ermöglichen könnte, ihre Bewegungen zu synchronisieren und sensorische Daten auszutauschen. „Es ist wirklich Schwarmtechnologie“, sagt Chung. „Unser Ziel ist es, diese neuen Autonomiealgorithmen für die Monderkundung einzusetzen.“

LATTICE gewann den Preis „Most Visionary Concept“ der BIG Idea Challenge 2022 und wird am Caltech weiterentwickelt. Pabarcius und Tisdale sind optimistisch, dass eine Version des Systems eines Tages auf dem Mond – oder darüber hinaus – eingesetzt werden könnte. „Das wirklich Spannende an LATTICE ist, dass es eine allgemeine Architektur ist“, sagt Pabarcius. „Wir sind nicht an eine bestimmte Implementierung gebunden, denn je nach Ihren Zielen ist die Anpassung super einfach.“

Da Staub ein häufiges Problem bei der Erforschung von Planeten ist, könnten HOMES auch für verschiedene Zwecke modifiziert werden. Beispielsweise musste der InSight-Marslander der NASA letztes Jahr seine Mission beenden, weil übermäßiger Staub auf seinen Solarpaneelen das Aufladen verhinderte. Tisdale glaubt, dass HOMES dazu beitragen könnte, ähnliche Situationen zu verhindern. „Die exakt gleiche Technologie würde mit ein paar Änderungen an der Geometrie auf dem Mars funktionieren“, sagt er.

Chung sagt, dass LATTICE und HOMES „wirklich, wirklich fortschrittliche Konzepte darstellen, die die Zukunft der Monderkundung prägen können“. Die Projekte veranschaulichen, fügt er hinzu, welch großen Einfluss Caltech auf die Erforschung des Planeten hat, was zum Teil auf die geringe Größe des Instituts zurückzuführen ist. „Was jedes Fakultätsmitglied und jeder Student tatsächlich tut, hat hier eine große Bedeutung“, sagt Chung.

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