Ende November 2018 erreicht ein hochsensibles Seismometer den Mars, um die Frage zu klären, ob es auf unserem Nachbarplaneten seismische Wellen, also Marsbeben gibt. Mit an Bord des so genannten SEIS sind sechs kleine Schrittmotoren, die gleich zwei wichtige Aufgaben erfüllen.

Erdbeben sind ein sicheres Zeichen für Massebewegungen im Inneren eines Planeten. Diese naturwissenschaftliche Erkenntnis ist noch gar nicht so alt. Erst vor gut 100 Jahren hat der deutsche Geowissenschaftler Alfred Wegener die anfangs von Kollegen belächelte Theorie der Kontinentalverschiebung aufgestellt, die zu einer wesentlichen Grundlage für das heutige Modell der Plattentektonik geworden ist. Das Wissen über Kontinentalplatten, die sich auf dem Erdmantel verschieben, gehört heute zum Schulunterricht. Auf der Erde sind die Folgen der Plattentektonik bekannt. Sie verändert auf unserem Planeten die geologischen Formen. Es entstehen tiefe Grabenbrüche und hohe Bergrücken. Doch wie sieht die Situation auf dem Mars aus?

Abgeschirmtes Seismometer

Ein typisches Beispiel dafür, wie die Bewegung der Kontinentalplatten die Landschaft auf der Erde formt, liefert der knapp 400 km lange Oberrheingraben. Ähnlich könnte auf dem Mars der Canyon Valles Marineris entstanden sein, der bei bis zu 7 km Tiefe allerdings zehnmal so lang wie der Oberrheingraben ist. Gibt es auf unserem Nachbarplaneten also auch eine Plattentektonik? Ist dieser Prozess abgeschlossen oder dauert er an? Bebt der Mars? Seismischen Messungen sollen diese Fragen beantworten. Die am 5. Mai 2018 von der Nasa gestartete Mission «Insight» wird dazu beitragen. Der Mars-Lander hat zahlreiche wissenschaftliche Instrumente zur Erforschung des Planeteninneren dabei, unter anderem das SEIS (Seismic Experiment für Interior Structure). Sein Roboterarm wird es nach der Landung auf der Marsoberfläche absetzen. Das Seismometer ist durch eine Vakuumkammer und eine Isolierhülle vor Umwelteinflüssen abgeschirmt.

Das sensibelste Seismometer, das je gebaut wurde

Konstruktiv besteht SEIS aus mehreren seismologischen Sensoren, die Bodenbewegungen in verschiedener Intensität und Frequenz registrieren. Unterstützt wird die Messung von Geräten, die Windstärke, Luftdruck, Temperatur und das Magnetfeld aufzeichnen. So lassen sich Informationen gewinnen, ob detektierte Schwingungen wirklich seismischen Ursprungs sind oder nur das Resultat von Störfaktoren auf der Marsoberfläche. In Summe kann das Instrument Erschütterungen detektieren, die den Boden des roten Planeten um weniger als die Dicke eines Wasserstoffatoms auslenken. Die Nasa spricht deshalb «vom sensibelsten Seismometer, das je gebaut wurde». Die hohe Präzision ist nur deshalb möglich, weil das von drei Faulhaber Schrittmotoren elektrisch angetriebene Positioniersystem eine ausgeklügelte Nivellierung vornimmt. Entwickelt wurde das System übrigens in Deutschland am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen.

Grosses Bild: Die SEIS-Sensoren so sensibel, dass sie noch Verschiebungen des Untergrunds um weniger als den Durchmesser eines einzigen Wasserstoffatoms registrieren. Faulhaber-Schrittmotoren tragen zu dieser Genauigkeit entscheidend bei. (Quelle: Sodern Ariane Group 2018)

Materialausdehnungen kompensieren

Zur hohen Messgenauigkeit trägt zudem ein thermischer Ausgleich des Federmechanismus des Seismometers bei. Das ist notwendig, weil die Temperaturen auf dem Mars im Wechsel der Jahreszeiten stark variieren. Die unterschiedlichen Temperaturen lassen Werkstoffe schrumpfen, sich ausdehnen und ihre Festigkeit verändern. Das hat auch auf den Federmechanismus Auswirkungen. Drei weitere Schrittmotoren von Faulhaber (Serie AM0820) haben deshalb die Aufgabe, diese Veränderungen auszugleichen. Sie messen im Durchmesser lediglich 8 Millimeter, sind knapp 14 mm lang und liefern ein Drehmoment von 0,65 mNm. Sie arbeiten mit einer Auflösung von 20 Schritten pro Umdrehung und sind mit Planetengetrieben gleichen Durchmessers kombiniert. Die Edelstahlgetriebe sind für den Einsatz auf dem Mars mit einem speziellen Schaft versehen und haben ein besonders beschichtetes Kugellager.

Weltraumtaugliche Schmierung der Kugellager

Der Bau des Seismometers lang vornehmlich in der Hand von Sodern, einer Tochtergesellschaft der Ariane-Gruppe aus Frankreich. Bei der Evaluation der Antriebstechnik war Sodern auf der Suche nach der besten technischen Ausstattung. «Das war schon eine aufwändige Recherche», blickt Pressesprecher Rémy Lambertin zurück. «Wir waren schliesslich in Begriff, eines der kleinsten Instrumente zu bauen, die wir jemals auf den Mars geschickt haben.» Und kleiner bedeutet, dass die Konstruktion auch zerbrechlicher ist. Folglich lag die Messlatte hoch bei Aspekten wie Robustheit, Langlebigkeit und Betriebssicherheit.

Eine besondere Herausforderung beim Einsatz innerhalb des Seismometers bestand nach Auskunft von Rémy Lambertin darin, die Antriebstechnik wirksam zu schmieren. Ein spezielles Schmiermittel ist deshalb notwendig, weil auf der Marsoberfläche ein durchschnittlicher Druck von lediglich 6,36 hPa herrscht. Das entspricht in etwa dem Luftdruck auf der Erde in 35 Kilometern Höhe. Die verlässliche Schmierung der Kugellager der Motoren sowie der Gleitteile der Getriebe mit einem Produkt aus dem Hause Dicronite gehört zu den entscheidenden Faktoren, um auf der Marsoberfläche spielfrei und mit langer Lebensdauer zu arbeiten.

Bild: Der Precistep-Schrittmotor mit 8 mm Durchmesser und 13,8 mm Länge liefert ein Drehmoment von 0,65 mNm. (Quelle: Faulhaber)

Positioniergenauigkeit mit Toleranz unter 0,1 Grad

Mindestens 160 Korrekturzyklen soll die gemeinsam mit der französischen Faulhaber Tochtergesellschaft konzipierte Schrittmotor-Antriebslösung auf dem Mars über einen Zeitraum von zwei Jahren durchhalten. Die auf der Erde unternommenen Lebensdauertests waren sogar auf sechs Jahre ausgelegt – und dieses in einem thermischen Arbeitsbereich von -120 °C bis +70 °C.

Kein Wunder eigentlich, dass die Motoren die Tests mit Bravour bestanden haben, Schrittmotoren von Faulhaber haben sich schliesslich in solch anspruchsvollen Umgebungsbedingungen bereits in anderen Mars-Missionen der Nasa und ESA bewährt. Die insgesamt sechs Antriebsachsen arbeiten im SEIS mit einer Positioniergenauigkeit, deren Toleranz unter 0,1 Grad liegt. Ihre Spielfreiheit gewährleistet eine dauerhafte hohe Wiederholgenauigkeit der Verfahrwege. Mit ihrer Präzision und Zuverlässigkeit werden die kleinen Schrittmotoren jetzt vielleicht entscheidend dazu beitragen, die Frage zu klären, ob der Mars bebt.