Space-Copter. Ein Flug nicht von dieser Welt.

RealitĂ€t oder Fiktion? Machen Sie sich auf eine Überraschung gefasst!
Ihre Kinder oder Enkelkinder werden vielleicht in gar nicht allzu ferner Zukunft als Mars-Touristen folgendes Angebot von uns nutzen können:

MarsRundflug Produktscreenshot Heliflieger.com

Alles nur Fiktion und schöner Traum? Eines zumindest wird tatsĂ€chlich bald zur RealitĂ€t: Der erste Hubschrauber soll bereits 2021 auf dem Mars fliegen. Dann zwar noch ohne Mars-Touristen, dafĂŒr mit zahlreichen Messinstrumenten und Kameras ausgestattet. 

Wenn mich jemand fragt: “Warum muss die Menschheit ĂŒberhaupt zum Mars?”, antworte ich gerne: “Aus dem gleichen Grund, aus dem Christoph Kolumbus Amerika entdecken und erkunden musste”. Als Heliflieger aus Leidenschaft und Ingenieur fĂŒr Luft- und Raumfahrt begeistert mich der Mars-Heli mit dem Namen “Ingenuity”  – zu deutsch: “Einfallsreichtum“ – besonders. Er vereint meine Leidenschaft fĂŒr die Raumfahrt mit der fĂŒr Hubschrauber. Und so möchte ich Sie gerne in diese schöne neue Welt der Space-Copter mitnehmen.

FĂŒhren Sie sich mal kurz vor Augen, in welch besonderer Zeit wir leben:

Mehrere hunderttausend Jahre war die Menschheit in ihrer Geschichte an den Erdboden gebunden und blickte sehnsĂŒchtig zu den Vögeln und Sternen auf. Gerade mal vor ca. 130 Jahren fand der erste kontrollierte Gleitflug eines Menschen statt. Der Deutsche Luftfahrtpionier Otto Lilienthal ging mit dieser Leistung in die Geschichte ein. Inzwischen sind Flugreisen fĂŒr uns Teil des Alltags geworden. Vor ungefĂ€hr 70 Jahren begann der berĂŒhmte “Wettlauf ins All”. So wurde Juri Gagarin im Jahr 1961 der erste Mensch, der im Weltraum die Erde umkreiste. Der Wettlauf fĂŒhrte schließlich vor gut 50 Jahren mit Neil Armstrong, Buzz Aldrin und den folgenden Apollo-Astronauten auf den Mond. Erst Ende Mai 2020 hat SpaceX als erstes privates Raumfahrtunternehmen zwei Astronauten wohlbehalten zur Internationalen Raumstation ISS befördert. Zum ersten mal sind dabei Astronauten mit Hilfe eines wiederverwendbaren Boosters gestartet und lĂ€uten damit ein nachhaltigeres und kostengĂŒnstigeres Zeitalter der Raumfahrt ein. Damit hat SpaceX Geschichte geschrieben und den Weg fĂŒr eine neue Ära der bemannten Raumfahrt eröffnet, in der sowohl Raumfahrzeuge als auch TrĂ€gersysteme wiederverwendet anstatt wie EinmalhandtĂŒcher weggeworfen werden. Wir gehören nun zu den ersten Generationen in der Menschheitsgeschichte, die ihren Heimatplanet verlassen und den Raum um uns erkunden können. WĂ€hrend wir niemals vergessen sollten, wo unsere wahre Heimat ist, haben wir die Möglichkeit, die Menschheit auf andere Himmelskörper auszuweiten und zugleich unseren Heimatplaneten zu schĂŒtzen, indem wir ihn mit Satelliten beobachten, um Daten ĂŒber den Klimawandel, Ausbeutung von Ressourcen, Zerstörung von RegenwĂ€ldern und vieles mehr zu gewinnen. Die Raumfahrt ist zugleich eine der grĂ¶ĂŸten Chancen aber auch Herausforderungen unserer Generation und wir dĂŒrfen stolz sein, Teil dieses evolutionĂ€ren Schrittes der Menschheit zu sein.

Was wird mit dem Mars-Heli auf dem Mars gemacht?

Doch nun zum Mars-Heli mit dem Namen “Ingenuity”. Welche EinsĂ€tze wird er auf dem Mars fliegen? Der Mars-Heli soll den Rover mit dem Namen “Perseverance” (zu deutsch: “Ausdauer”) unterstĂŒtzen. Als autonom fliegender Begleiter kann der Space-Copter Ingenuity dem Mars-Rover helfen, interessante Ziele und die beste Route dorthin auszuwĂ€hlen. Stellen Sie sich vor, sie wandern querfeldein durch unwegsames GelĂ€nde und haben eine Drohne dabei, mit der Sie aus der Luft mögliche Ziele und den besten Weg ausfindig machen können. So wie das Ihnen die Wanderung erleichtern wĂŒrde, erleichtert Ingenuity dem Mars-Rover die Arbeit und sorgt fĂŒr eine effizientere MissionsdurchfĂŒhrung. 

Der Mars-Rover Perseverance sammelt, analysiert und lagert unter anderem Proben von Marsgestein, wie in dieser Simulation der NASA verdeutlicht:

04 Mars2020 rover Heliflieger.comIn einer zukĂŒnftigen Mission sollen diese Proben zur Erde gebracht werden. Damit soll die Bewohnbarkeit des Mars fĂŒr Menschen analysiert werden. Können mit Marsstein oder Marssand MarshĂ€user gebaut werden? Je mehr Ressourcen wir fĂŒr unsere ersten Siedlungen direkt vom Mars verwenden können, desto weniger mĂŒssen wir von der Erde mitbringen. Der Marsrover sucht außerdem nach Zeichen von einstigem Leben auf dem Mars und versucht, aus der CO2-AtmosphĂ€re Sauerstoff zu gewinnen. Dabei hat der neue Perseverance Rover viele Teile von seinem kleinen Bruder, dem Rover Curiosity,  kopiert. Durch die Verwendung von Komponenten, die sich auf dem Mars bereits bewĂ€hrt haben, kann die Missionssicherheit weiter erhöht werden.

Wie kommt der erste Mars-Heli ĂŒberhaupt auf den Mars?

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06 PIA14839 full2 Heliflieger.comDer Mars-Hubi Ingenuity wird zusammengefaltet auf dem RĂŒcken des Perseverance Marsrover zum Mars gelangen. Er hebt mit der Mission “Mars 2020” in einer Atlas V-541 Rakete der ULA ab. Start ist im “Launch Window” zwischen dem 30. Juli und 15. August 2020. Die Konstellation von Erde und Mars ist dann so gĂŒnstig, dass der Mars in einem guten halben Jahr erreicht werden kann.

Die spektakulĂ€re Landung auf dem Mars ist fĂŒr den 18. Februar 2021 um ca 21:00 mitteleuropĂ€ischer Zeit geplant. Eine raketengetriebene Plattform geht in den Schwebeflug und lĂ€sst den Rover Perseverance mit dem Mars Heli Ingenuity auf dem RĂŒcken zur MarsoberflĂ€che im Jezero Crater hinab. Die Landung des Rovers zeigt diese Animation:

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Zahlen, Daten, Fakten! Wie groß ist Ingenuity, der erste Hubschrauber auf dem Mars? Wie weit kann Ingenuity fliegen?

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Der Mars-Heli Ingenuity im ausgeklappten Zustand im GrĂ¶ĂŸenvergleich mit einem Menschen

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Der Mars-Heli Ingenuity im eingeklappten Zustand auf dem RĂŒcken des Perseverance Rovers

Der Mars-Copter Ingenuity fliegt in nur 3 bis 10 Metern Höhe und legt in dieser MarsmĂ€nnchen-Kniehöhe eine Strecke von bis zu 300 Metern zurĂŒck. Sein Hauptrotor ist als “Koaxialrotor” angeordnet. Dabei drehen sich zwei Rotoren gegenlĂ€ufig, sodass auf einen Heckrotor verzichtet werden kann – das gibt es auch hier auf der Erde. Lesen Sie hierzu unseren Blogartikel zu den Rotor-Konzepten von Hubschraubern.

Der Mars Heli Ingenuity ist ganz schön klein. Sein Rumpf ist nur ca. 10cm breit, der Rotordurchmesser betrÀgt aber immerhin 1,2m. Der ganze Mars Heli wiegt weniger als 2kg.

“Wiegt” ist dabei ein Begriff, mit dem wir hier sehr vorsichtig umgehen sollten. Der Mars Heli hat eine Masse von 1,8 kg – egal ob auf der Erde oder auf dem Mars. Sein Gewicht ist aber auf dem Mars viel niedriger als auf der Erde. Das liegt an der geringeren Anziehungskraft des roten Planeten. Sie betrĂ€gt nur rund 38% der Anziehungskraft, die wir auf unserem Planeten Erde gewohnt sind und die uns hier auf dem Boden der Tatsachen festhĂ€lt. Die gleiche Masse fĂŒhlt sich auf dem Mars also “leichter” an, als auf der Erde. Statt 1,8kg kĂ€me es einem auf dem Mars so vor, als wĂŒrde man nur 680g heben. Sie denken sich jetzt bestimmt: “Ist doch super! Ein leichterer Heli kann sicher auch leichter fliegen als ein schwerer Brocken”. Das stimmt, aber auf dem Mars ist nicht nur die Gravitation anders, auch die AtmosphĂ€re. Und das hat große Auswirkungen…

DĂŒnnes Eis fĂŒr den Flug in dĂŒnner AtmosphĂ€re?

10 1920px PIA23882 MarsHelicopterIngenuity 20200429 trsp red Heliflieger.comAlle Helis und auch Flugzeuge hĂ€tten ohne die Gase einer AtmosphĂ€re nichts, woran sie sich nach oben “abstoßen” können. Das haben wir im Detail in unserem Blogbeitrag und E-Book “Warum kann ein Hubschrauber ĂŒberhaupt fliegen und wie steuert man ihn” erklĂ€rt.

Hier auf der Erde haben wir eine relativ dichte AtmosphĂ€re, die sich vor allem aus den Gasen Stickstoff und Sauerstoff zusammensetzt, die wir atmen. Die MarsatmosphĂ€re besteht dagegen fast vollstĂ€ndig aus CO2, auch bekannt als Kohlenstoffdioxid. Lebensfeindliche Bedingungen fĂŒr Menschen. Ob Sauerstoff, Stickstoff oder CO2 wĂ€re unserem Mars-Heli noch relativ egal. Eines aber macht ihm zu schaffen: Seine Rotoren haben fast nichts zu “greifen”, woran sie sich hochschrauben könnten. Die AtmosphĂ€re des Mars ist nĂ€mlich dĂŒnner als 1% der ErdatmosphĂ€re. Das liegt am fehlenden Magnetfeld. Moment – was hat denn das Magnetfeld mit unserer AtmosphĂ€re zu tun?

Auf der Erde umspannt ein starkes Magnetfeld unseren ganzen Planeten. Dieses Magnetfeld richtet nicht nur unsere Kompassnadeln nach Norden aus, sondern schĂŒtzt uns auch vor gefĂ€hrlichen Sonnenwinden und kosmischer Strahlung, indem es diese an unserem Planeten vorbeilenkt. Nur in den Polarregionen kommen die geladenen Partikel des Sonnenwindes der Erde nahe – es entstehen die bekannten Polarlichter. Jedoch schĂŒtzt das Magnetfeld nicht nur uns, sondern auch die ganze ErdatmosphĂ€re. Ohne das starke Magnetfeld der Erde wĂŒrden uns die Sonnenwinde unsere AtmosphĂ€re StĂŒck fĂŒr StĂŒck entreißen. Genau so geschieht es auf dem Mars, der kein eigenes Magnetfeld mehr hat. Die MarsatmosphĂ€re ist daher inzwischen dĂŒnner als 1% der ErdatmosphĂ€re.

Aber immerhin gibt es ĂŒberhaupt eine AtmosphĂ€re! Ohne sie wĂ€re ein Mars-Heli-Flug nĂ€mlich gar nicht möglich! Die dĂŒnne Luft macht dem Mars-Heli zwar zu schaffen, aber sie reicht gerade noch aus.

Wie muss nun ein Heli konstruiert sein, der auf dem fremden Planeten zwar “leichter” ist, aber kaum AtmosphĂ€re zur VerfĂŒgung hat, in der er sich empor schrauben kann? Es hilft ein einfacher Zusammenhang aus der Aerodynamik, mit dem der Auftrieb beschrieben wird:

Der Auftrieb wird am grĂ¶ĂŸten, wenn

  • die Dichte der AtmosphĂ€re groß ist, 
  • die Strömungs-Geschwindigkeit groß ist und 
  • die FlĂ€che der RotorblĂ€tter groß und deren Form gĂŒnstig ist.
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Der Heliflieger.com-Heli und der Mars-Heli: Die Proportionen von RotorblÀttern und Rumpf unterscheiden sich wegen der unterschiedlichen AtmosphÀre deutlich. [Quelle: Eigene Darstellung mit Bildmaterial der NASA]

Die Dichte der MarsatmosphĂ€re ist aber, wie wir schon festgestellt haben, sehr klein, daher muss also die FlĂ€che der RotorblĂ€tter grĂ¶ĂŸer werden und sie mĂŒssen sich zudem schneller drehen. Und genau so wurde der Mars-Heli auch gebaut! VergleichenSie sich doch mal unseren Heli fĂŒr den Flug in der dichten ErdatmosphĂ€re mit dem Mars-Heli: Bei unserem gelben Planet-Erde-Heli können schmale RotorblĂ€tter eine große Masse tragen. Bei dem Mars-Heli tragen große RotorblĂ€tter nur eine kleine Masse. WĂ€hrend bei unserem irdischen Heli die Rotordrehzahl bei ungefĂ€hr 400 Umdrehungen pro Minute liegt, dreht sich der Rotor des Mars-Helis mit 2400 Umdrehungen pro Minute sechsmal so schnell. Nur mit diesen großen, schnellen Rotoren und der kleinen Masse kann der Mars-Heli ĂŒberhaupt abheben.

Auf dem Mond, der gar keine AtmosphĂ€re hat, wĂ€re ein Mond-Heli-Flug deswegen ĂŒberhaupt nicht möglich! Es gĂ€be nichts, woran sich die Rotoren empor schrauben könnten. Weil es keine AtmosphĂ€re gibt, wĂŒrde ein Mond-Heli nie abheben. Egal, wie groß man den Rotor auch bauen wĂŒrde und egal, wie schnell sie sich auch drehen wĂŒrden.

Mit dem Mars-Heli ĂŒber den roten Planeten. Und wer steuert?

Ein ausgebildeter Mars-Heli-Pilot sitzt in einem Kontrollzentrum auf der Erde und steuert? Nein! Der Mars ist so weit weg, dass Funksignale je nach Konstellation der Planeten Erde-Mars zwischen 3 und 22 Minuten von der Erde zum Mars brauchen. Und genauso lange wieder zurĂŒck. Bis das Signal eines Erdpiloten zum Mars-Hubi gelangt ist und ein Videobild zum Piloten zurĂŒck kommt, dauert es also im schlimmsten Fall fast eine Ÿ Stunde. So kann man keinen Heli steuern. Stellen Sie sich vor, Sie fahren eine Ÿ Stunde mit geschlossenen Augen Auto und sehen danach das Video, wo Sie ĂŒberhaupt hingefahren sind. Sicher keine gute Idee.

Der Mars-Heli ist also auf sich alleine gestellt. Er fliegt autonom! Von der Erde aus kann zwar vorgegeben werden, wo der Mars Heli hinfliegen soll, die Flugbewegungen fĂŒhrt der Mars Heli aber vom Start bis zur Landung aber ganz alleine aus. FĂŒr uns als Hubschrauberpiloten ist der Gedanke,  von einem Computer ersetzt zu werden fast ein bisschen gruselig – aus Ingenieurssicht aber doch auch faszinierend.

Wie oft wird der Mars Hubschrauber eingesetzt?

Mit dem ersten Mars-Heli wird primĂ€r getestet, ob ein autonomer Flug in der Mars-AtmosphĂ€re ĂŒberhaupt möglich ist. Geplant sind zunĂ€chst fĂŒnf FlĂŒge innerhalb der ersten 30 Missionstage. Schon viele Marsmissionen haben in der Vergangenheit ihren ursprĂŒnglich geplanten Missionszeitraum aber deutlich ĂŒberschreiten können. Wir dĂŒrfen also auf mehr FlĂŒge hoffen. 

Sie wollen noch mehr ĂŒber den Mars-Hubschrauber wissen? Dieses Video eines Youtubers gibt gute Einblicke.

WĂ€re ein Hubschrauber denkbar, der auf dem Mars Menschen transportieren kann?

DafĂŒr werden wir einen eigenen Blogeintrag schreiben. Ich kann Ihnen schon jetzt versprechen: Ohne ein paar Formeln geht da nichts. Aber lassen Sie sich drauf ein! Mathe und Physik sind richtig erklĂ€rt faszinierend – vergessen Sie, was manche Leute sagen. Es sind die wichtigsten Disziplinen, um nicht nur unsere Welt, sondern auch fremde Welten das ganze Universum zu verstehen. Ich werde versuchen, von Schallgeschwindigkeit ĂŒber Isentropenexponent bis zum Auftrieb alles fĂŒr Laien verstĂ€ndlich zu erklĂ€ren. Ich bin selbst schon auf die Ergebnisse gespannt und hoffe, dass sich meine Begeisterung etwas auf Sie ĂŒbertragen hat.

Bis wir zum ersten gemeinsamen Mars-Heli Rundflug aufbrechen wĂŒnsche ich Ihnen visionĂ€re TrĂ€ume von einer neuen Welt. Lassen Sie uns dabei aber nie unsere wahre Heimat vergessen. Und lassen Sie uns unsere Heimat, den Planeten Erde gemeinsam bewahren!

Freitag, 24.7.2020, MĂŒnchen, Deutschland, Europa, Planet Erde