Der Ingenuity Mars-Hubschrauber sollte nie so lange halten. NASA-Ingenieure bauten und testeten das erste selbstangetriebene Flugzeug, das auf einem anderen Planeten flog, um eine einfache Frage zu beantworten: Könnte der Hubschrauber überhaupt fliegen? Das Ziel war es, in 30 Marstagen fünf Flüge zu absolvieren oder das Flugzeug beim Versuch zu zerbrechen.
Aber acht Erdmonate nach diesem Experiment fliegt Ingenuity immer noch und tut Dinge, die niemand erwartet hätte. Der Helikopter, der am 19. April seinen Erstflug absolvierte, bricht seine eigenen Rekorde in Bezug auf Distanz und Geschwindigkeit (SN: 19.04.21). Es hilft dem Perseverance-Rover, den Jezero-Krater in der Nähe eines alten Flussdeltas zu erkunden, das Spuren des vergangenen Marslebens enthalten könnte (SN: 17.02.21). Und Ingenuity kommt mit dem Wechsel der Jahreszeiten zurecht und navigiert über unwegsames Gelände, zwei Dinge, für die der Flieger nicht entwickelt wurde.
„Es ist in einen guten Groove geraten“, sagt Bob Balaram, der ursprüngliche Chefingenieur von Ingenuity, das Jet Propulsion Lab der NASA in Pasadena, Kalifornien. „Es ist in seinem Element und hat Spaß.“
Folgendes hat Ingenuity auf dem Mars vorgehabt.
Grenzen testen
Ingenuity fliegt weiter, schneller und höher als bei seinen ersten Flügen. Der Helikopter hat sich maximal 12 Meter über die Marsoberfläche gehoben, ist mit bis zu fünf Metern pro Sekunde (etwa halb so schnell wie die Rekordsprinterin Florence Griffith-Joyner) dahingeflogen und hat 625 Meter zurückgelegt (etwa ein Drittel der Länge von das Kentucky Derby) in einem einzigen Flug. Diese Extreme geben Ingenieuren wertvolle Informationen über die Grenzen des Fliegens auf dem Mars.
„Wir versuchen immer noch, Lehren daraus zu ziehen“, sagt Teddy Tzanetos, ein Teamleiter für die Ingenuity-Mission, der Robotik-Ingenieur von JPL. „Flug für Flug lernen wir die Grenzen der Leistung kennen.“
Schon früh testete Ingenuity seine Grenzen auf eine Weise, die das Flugteam wirklich nicht geplant hatte. Bei seinem sechsten Flug am 22. Mai erlitt das Navigationssystem des Hubschraubers einen Fehler, der ihn beängstigend rollen und schwanken ließ.
Die Navigationssoftware des Helikopters verfolgt die Position des Fahrzeugs, indem sie ein Bild aufnimmt, den Zeitstempel auf diesem Bild liest und anhand von Orientierungspunkten früherer Fotos, die Ingenuity aufgenommen hat, vorhersagt, was die Kamera als nächstes sehen sollte. Wenn das nächste Bild nicht mit dieser Vorhersage übereinstimmt, korrigiert die Software die Position und Geschwindigkeit des Helikopters, damit sie besser übereinstimmen.
Weniger als eine Minute nach dem Flug vom 22. Mai ging ein einzelnes Bild auf dem Weg von den Kameras von Ingenuity zu seinem Bordcomputer verloren. Das bedeutete, dass die Zeitstempel auf allen nachfolgenden Bildern etwas daneben waren. Bei dem Versuch, die als Fehler empfundenen Fehler zu korrigieren, ging Ingenuity „auf eine wilde Spritztour“, sagt Balaram.
Glücklicherweise landete der Helikopter sicher innerhalb von fünf Metern von seinem beabsichtigten Landeplatz. Die Anomalie war ein versteckter Segen, sagt Balaram. Es hat den Helikopter extremen Bewegungen ausgesetzt – „wie aggressiv Sie den Joystick bewegen können, wenn Sie so wollen“ –, die die Ingenieure nicht absichtlich von ihm verlangt hätten, und es sei perfekt gelaufen, sagt er.
„Es ist ein Glücksfall, dass wir diese Flugerfahrung auf dem Buckel haben“, sagt Balaram. „Wir haben viel mehr Vertrauen in das Fahrzeug.“
Wissenschaft machen
Ursprünglich wollte das Helikopter-Team das Fahrzeug bis zum Bruch schieben. Doch jetzt fliegen die Forscher vorsichtiger und seltener. Denn der Helikopter unterstützt derzeit den Perseverance-Rover bei der Wissenschaft (SN: 30.04.21).
„Wir befinden uns nicht mehr im Monat des Einfallsreichtums“, sagt Tzanetos. „Wir sind ein kleiner Teil eines viel größeren Teams.“
Der Helikopter hat sich bereits bewährt, indem er dem Rover sagt, wo er nicht hin soll. Der neunte Flug von Ingenuity am 5. Juli führte den Hubschrauber über ein Dünenfeld namens South Séítah, das für den Rover nur schwer sicher zu durchfahren wäre. Dann fotografierte Ingenuity einige Felsvorsprünge und erhöhte Grate in South Séítah, die auf Bildern einer Raumsonde im Orbit interessant aussahen. Wissenschaftler dachten, diese Kämme könnten einige der tiefsten Wasserumgebungen in dem See aufzeichnen, der den Krater vor langer Zeit füllte.
In 3D-Bildern des Helikopters stellte sich heraus, dass diese Grate nicht die Schichten zeigten, die darauf hindeuteten, dass sich die Gesteine in tiefem Wasser gebildet haben. Das Rover-Team beschloss, weiterzuziehen, was Perseverance eine lange, beschwerliche und potenziell gefährliche Fahrt erspart.
„Sie mussten den Rover nicht den ganzen Weg zu diesem speziellen Ziel schicken und dann erkennen, hey, das hat vielleicht nicht die höchste Priorität“, sagt Balaram.
Die Suche nach dem Rover hat Ingenuity auch über Gelände geführt, das der Hubschrauber nicht verstehen konnte. Die Navigationssoftware von Ingenuity wurde so programmiert, dass sie davon ausgeht, dass der Boden darunter immer flach ist, da dies die Art von Gelände war, die für diesen experimentellen ersten Monat der Flugdemonstrationen ausgewählt wurde.
„Für eine Technologiedemonstration war das eine durchaus vernünftige Vereinfachung“, sagt Balaram. “Aber es war eingebrannt. Und jetzt stecken Sie bei einem System mit einer flachen Grundannahme fest.”
Wenn der Helikopter über eine geneigte Oberfläche fliegt, scheinen sich einige Merkmale in seiner Sicht schneller zu bewegen, als wenn der Boden flach wäre, was dem Helikopter ein falsches Gefühl seiner Bewegung vermittelt. „Die Bordnavigation kann es nicht erklären, außer dass ich denke, dass ich vielleicht ein bisschen drehe oder drehe“, sagt Balaram. Am Ende dreht der Helikopter zur Seite.
Das Team hat sich einige Workarounds einfallen lassen, wie zum Beispiel die Wahl großer Landezonen, die eine Punktlandung nicht erforderlich machen, und das Verlangsamen beim Fliegen über unwegsames Gelände.
Jahreszeiten meistern
Die Luft auf dem Mars ist notorisch dünn (SN: 14.07.20). Doch seit Mitte September wird die Atmosphäre im Jezero-Krater noch dünner. Da sich dieser Teil des Mars vom Frühling zum Sommer verschiebt, ist die Luftdichte von etwa 1,5 Prozent der Erde auf Meereshöhe auf etwa 1 Prozent gestiegen.
Das klingt nicht nach einem großen Unterschied, aber es reicht aus, dass Ingenuity seine Rotorblätter schneller drehen musste, um in der Luft zu bleiben. Im Oktober steigerte der Helikopter seine Rotordrehzahl auf 2.700 Umdrehungen pro Minute, nach zuvor maximal 2.537 U/min.
Bei dieser höheren Schleudergeschwindigkeit kann der Helikopter nur noch 130 Sekunden fliegen, anstatt der 170 Sekunden zuvor, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung der Motoren besteht.
Das wäre in Ordnung, wenn der Hubschrauber nur in einem Bereich um den Rover herumhängen würde, sagt Tzanetos. Doch die nächste Aufgabe des Mars-Duos ist ein Wettlauf zum langgetrockneten Flussdelta an der Mündung des Jezero-Kraters. Das Perseverance-Team hofft, jeden Tag auf dem Mars Hunderte von Metern zurücklegen zu können. Die weiteste Distanz, die Ingenuity an einem Tag zurückgelegt hat, sind 625 Meter, und das mit der niedrigeren Schleuderdrehzahl.
„Es wird schwierig, mitzuhalten“, sagt Tzanetos.
Es gibt jedoch keinen technischen Grund, warum Ingenuity es nicht schaffen könnte, sagt Balaram. „Es ist durchaus möglich, dass es eines Tages einfach nicht mehr aufwacht. Oder eine Landung scheitert und wir werden nie wieder davon hören, weil sie umgekippt ist“, gibt er zu. „Das sind Würfelwürfe, daran ist nichts unvermeidlich. Ansonsten sollte es noch viele Monate funktionieren.“
Inspirierende zukünftige Flyer
Währenddessen träumen Ingenieure bereits vom nächsten Marsflugzeug.
„Einfallsreichtum ist sehr aufregend, wir betreten viel“, sagt Tzanetos. „Der springende Punkt ist, diese Grundlage zu sein. Wichtig ist, was als nächstes kommt.“
Zu den aktuellen Blaupausen gehören eine vergrößerte Version von Ingenuity, die mehr Ausrüstung tragen und alleine oder mit einem Rover arbeiten könnte, und einen großen Hexacopter mit sechs Rotoren, die um einen zentralen Ring angeordnet sind. Ein solches Fahrzeug könnte schneller mehr Boden zurücklegen als ein Rover und Entfernungen zurücklegen, für die Beharrlichkeit in nur wenigen Monaten mehrere Jahre benötigen könnte.
Ein Whitepaper, das der dekadischen Umfrage 2023–2032 für Planetenwissenschaft und Astrobiologie vorgelegt wurde – eine einmal im Jahrzehnt durchgeführte Überprüfung der Ziele und Prioritäten der Felder – schlägt mehrere mögliche Missionen für einen Mars-Forschungshubschrauber vor. In einem Fall könnte das Schiff an einem Ort wie Mawrth Vallis Proben von Tonmineralien entnehmen, einem Kanal, von dem angenommen wird, dass er von einer vor langer Zeit stehenden Flut gegraben wurde.
Mawrth war Finalist für die letzten beiden Mars-Rover-Landeplätze und ist ein Anwärter auf den Rosalind-Franklin-Rover der Europäischen Weltraumorganisation, der 2022 starten soll. Ton kann organisches Material auf der Erde bewahren, sodass eine Mission nach Mawrth nach Lebenszeichen suchen könnte .
Ein Helikopter könnte auch Krater mit Wassereisablagerungen erkunden, deren Gefälle zu steil für Roverräder sind. Und durch Messungen in verschiedenen Höhen könnte der Hubschrauber helfen herauszufinden, wie die Atmosphäre Gase mit dem Boden austauscht, was dazu beitragen könnte, das Rätsel zu lösen, wann und wie der Mars sein flüssiges Wasser verloren hat (SN: 12.11.20). Oder ein Hubschrauber könnte das Magnetfeld großer Teile der Marsoberfläche kartieren und aufdecken, wann und wie der Rote Planet seinen geschmolzenen Kern verloren hat (SN: 24.02.20).
Und wann immer Astronauten den Mars besuchen, „könnte es nützlich sein, Flotten von Drohnen über den Himmel fliegen zu lassen, Lasten zu tragen oder voraus zu erkunden“, sagt Tzanetos. „Das ist die aufregende Zukunft, auf die ich mich freue.“