maxon Story
Standaardmotoren worden voor ruimtetoepassingen aangepast
Standaard industriële motoren, creatieve samenwerking en technologische aanpassingen: dat zijn de ingrediënten die je nodig hebt als je motoren (met hoge precisie en lange levensduur) wilt maken die ruimtevoertuigen naar Mars en nog verder kunnen brengen.
Het valt niet te ontkennen dat de Martiaanse omgeving ruw en onaangepast kan zijn voor systemen die eigenlijk voor gebruik op de aarde bedoeld zijn. Mars heeft een atmosfeer die ongeveer 100 keer dunner is dan die op aarde, maar dik genoeg voor wolken en wind. Gigantische stofhozen oftwel wervelwinden van geoxideerd ijzerstof (dat permanent in de Marsatmosfeer te vinden is) kan de planeet in bepaalde seizoenen maandenlang bedekken. De temperaturen op Mars schommelen tussen -125 °C (in de winter, nabij de polen) en 20 °C (in de middag, nabij de evenaar). Dit klinkt allemaal als een lastige omgeving, maar systeemontwerpers laten zich hier niet door afschrikken. Als ze naar de juiste componenten zoeken, concentreren ze zich eerst op industriële productontwerpen.
Geschiedenis
Sinds de 17e eeuw, de eeuw waarin de telescoop werd uitgevonden, was Mars een curiosum. Zelfs met toenemend betere telescopen was Mars nog altijd niet veel groter of duidelijker te zien. De nieuwsgierigheid naar Mars nam toe en het was duidelijk dat, om de rode planeet beter te kunnen begrijpen, het nodig zou zijn om er uiteindelijk heen te gaan. In 1964 vloog NASA voor het eerst langs Mars met de Mariner 4, die foto’s maakte van het krateroppervlak van de planeet. Het oppervlak deed de wetenschappers meer aan de maan denken dan aan een andere planeet. Het oppervlak vertoonde ook tekenen van vulkanische activiteit, die op een bepaald moment in de geschiedenis had plaatsgevonden en reusachtige canyons had achtergelaten.
Zelfs met de grote spiegel van 4,5 m op de telescoop van het Palomar-observatorium op Mount Palomar is het moeilijk om details van het oppervlak van Mars te zien. (Foto’s met dank aan NASA)
Deze informatie maakte Mars alleen maar interessanter en spoorde wetenschappers aan om op de rode planeet te landen om het oppervlak en de omgeving beter te kunnen bestuderen. In de jaren zeventig stuurde NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) het eerste ruimtevaartuig dat met succes op Mars landde. De Viking 1 Lander werd gebruikt om enkelpunts oppervlakanalyses uit te voeren in de zoektocht naar leven.De Viking 1 Lander had als doel te onderzoeken of er leven op Mars voorkwam. Hiervoor moesten gegevens over de oppervlakte verzameld worden. Viking 1 maakte gedurende meer dan zes jaar foto’s met een hoge resolutie. Ook voerde de Viking 1 een bodemmonsternames uit met een robotarm en een speciaal ontworpen laboratorium. Ontdekt werd dat de koude planeet een vulkanische bodem had, een droge stikstofatmosfeer en men von bewijzen van oude rivierbedden en grote overstromingen.
Na een pauze van twee decennia was NASA halverwege de jaren negentig klaar voor de volgende stap in de verkenning van Mars met Marsrovers. Voor deze reizen zocht NASA naar standaard industriële motoren die robuust genoeg waren dat ze een reis naar Mars zouden overleven. Dit is het punt waarop maxons Marsgeschiedenis officieel begon. NASA/JPL zocht niet zomaar een motor. De motoren moesten bestand zijn tegen de lage druk van de atmosfeer alsook tegen schokken en trillingen - niet alleen tijdens de lancering maar ook bij de harde landing. Een ander probleem waren de extreme temperatuurschommelingen waaraan de motoren zouden worden blootgesteld.
Pas in 1997 landde de eerste rover op Mars. De Sojourner Pathfinder had tien RE 16 gelijkstroommotoren als test om te kijken hoe de engineering achter de semi-aangepaste motoren werkte. maxon leverde de industriële motoren van hoge kwaliteit en lange levensduur met zeer weinig aanpassingen voor de reis. In januari 2004 landden twee robotgeologen, Spirit en Opportunity genaamd, aan weerszijden van Mars. Deze waren veel mobieler dan de Pathfinder-rover. Het hoofddoel van de missie was wetenschappelijk onderzoek. Elk van deze rovers was uitgerust met 35 maxon gelijkstroommotoren – RE 20 en RE 25 motoren plus MR-encoders.
Op elke rover werden de motoren voor allerlei toepassingen gebruikt, waaronder de opening van de zonnepanelen, de uitvouwing van de masten en nog veel meer. Na 15 jaar en een weg van 45 km eindigde de missie van Opportunity. De focus was op de wetenschap. De rover moest uitzoeken of in de planetaire geschiedenis van Mars ooit oppervlaktewater is voorgekomen. Een veelzeggende foto van sedimentlagen leverde het bewijs. Eind november 2018 landde de InSight op Mars. Voor maxon een primeur. Want aan boord van de Marslander bevond zich een maxon DCX motor van de nieuwe generatie en een transmissie, de eerste transmissie van maxon die naar Mars vloog.
Samenwerking en technologische vooruitgang
De samenwerking met andere industriële partners en met ruimtevaartcentra zoals NASA/JPL maakt het mogelijk dat alle partijen ervaringen en deskundigheid uitwisselen, hetgeen resulteert in vooruitgang op technologisch gebied in ruime zin. De nieuw verkregen gegevens en opgedane kennis bevordert niet alleen de technologische verbetering van semi-aangepaste componenten voor bijvoorbeeld ruimteverkenningsmissies, maar stelt fabrikanten ook in staat technologieën voor standaard industriële producten verder te ontwikkelen. Omdat elke Marsrovermissie meer flexibiliteit en meer mogelijkheden vereist, is samenwerking cruciaal.
De eerste maxon DCX motor en planetaire overbrenging werden in een mechanisme gebruikt dat een soortgelijke methode toepaste als een heimachine op een bouwplaats, waarbij een temperatuursensor diep in de grond wordt gebracht. (Foto met dank aan NASA)
Dankzij doeltreffende partnerschappen hebben alle betrokken teams toegang tot wat werkte en wat niet werkte, wat precies voor betere prestaties aangepast moet worden en hoe nieuwe mogelijkheden kunnen worden gevonden voor uitgebreider onderzoek. Bijvoorbeeld, MDA is gespecialiseerd in het ontwerpen van aangepaste actuatoren. Het bedrijf gebruikt overbrengingen, remmen en encoders van maxon in de ExoMars actuator. Omdat tijdens het totale fabricageproces uiterste precisie vereist was, werkten MDA en maxon samen om speciale assemblagetechnieken te ontwikkelen, zoals een log voor elke bout (4000 stuks) en de bijbehorende koppelwaarde in de eenheid. Van de 70 gebouwde eenheden zullen er 12 vliegen wanneer de ExoMars-missie in 2022 van start gaat.
Een ander effectief partnerschap dat de mogelijkheden en kansen voor nieuwe systemen hielp bevorderen, was dat met Flight Works, een bedrijf dat de voortstuwing van ruimtevaartuigen revolutioneerde met behulp van licht aangepaste industriële elektrische motoren, waardoor nieuwe missies naar de maan, Mars en verder mogelijk werden. Flight Works is een marktleider op gebied van micropompen met hoge vermogensdichtheid voor commerciële en lucht- en ruimtevaartmarkten (UAV’s en andere voortstuwing in de ruimte). De eenheden zijn elektrisch aangedreven micropompen die heel hoge dichtheden produceren, dankzij borstelloze industriële motoren van maxon die zijn aangepast aan de trillingen en schokken die tijdens de lancering optreden alsook in de omgevingen in de ruimte. De producten van het bedrijf hebben de drastische toename van CubeSat-lanceringen, zoals de Lunar Flashlight-missie van NASA/JPL, mogelijk gemaakt.
Aandrijfbrandstofpompen maken nieuwe ruimtevaartactiviteiten mogelijk. Flight Works heeft voor haar aandrijfbrandstofpompen 32mm, hydrazine pompen 22mm en cryogene LOX/methaanpompen motoren van maxon gebruikt: maxon EC Flat motoren en EC 4-polige industriële motoren. Deze micropompen maken voortstuwingssystemen mogelijk voor een grote verscheidenheid aan ruimtevaartmissies, waaronder kleine ruimtevaartuigen die de pompen gebruiken voor verschillende taken, waaronder voortstuwing, vloeistofbeheer en koeling van het ruimtevaartuig, alsmede bijtanken en onderhoud in de omloopbaan - gepland voor toekomstig gebruik bij terugkeer naar Mars.
Een andere toepassing waar semi-aangepaste industriële motoren in de ruimte worden gebruikt zijn bijvoorbeeld het International Berthing and Docking Mechanism (IBDM), dat wordt gebruikt voor het aandokken van twee bemande ruimtevaartuigen, zoals de Dream Chaser aandokt bij het internationale ruimtestation ISS.Een andere toepassing waarbij semi-industriële motoren hun weg naar de ruimte hebben gevonden, is het International Berthing and Docking Mechanism (IBDM) dat wordt gebruikt om twee bemande ruimtevaartuigen aan elkaar te koppelen. Een voorbeeld hiervan is de Dream Chaser die aan het internationale ruimtestation ISS aangedokt wordt. Commerciële bedrijven integreren maxon’s motoren ook in hun ruimtevaartuigen, zoals de SpaceX Cargo Dragon, die tien EC 40 borstelloze DC-motoren gebruikt om de zonnepanelen te draaien, de navigatieruimte te openen en om de bevestiging te vergrendelen.
Draaistel elektro-mechanische actuator met een maxon DCX 22L met een overbrenging GP 32HD en geïntegreerde encoder voor de ExoMars-wielaandrijving
Technologie voor hedendaagse missies
Technologie is van belang wanneer voor bepaalde ontwerpen grenzen moeten worden verlegd om een grotere precisie te bieden. Dit geldt vooral wanneer de producten in zware omstandigheden moeten werken - met een no-fail eis. Semi-aangepaste en aangepaste ontwerpen kunnen maar kleine veranderingen bevatten, maar grote mogelijkheden bieden.
De NASA/JPL Mission Mars 2020 (Sample Handling and Caching System), nu op weg naar Mars, zet een rover in die is te vergelijken met de Curiosity, maar deze rover beschikt over een groter en robuuster instrumentenpakket. Het doel is monsters te verzamelen en te analyseren, de beste monsters te selecteren en ze op het Marsoppervlak te deponeren. Een andere rover zal daarna worden gestuurd om de monsters op te halen en ze terug naar aarde te brengen. borstelloze gelijkstroommotoren van maxon zijn voor deze taak aangepast en worden gebruikt voor de opslag van de kostbare Marsmonsters. De motoren zitten ook in de boorkop die het bodemmonster neemt. Het monster wordt daarna naar een carrousel op de rover gebracht, waar het monster wordt opgeslagen. Een maxon motor wordt ook gebruikt in de kleine robotarm die het monster naar de stations beweegt waar ze aan een visuele inspectie worden onderworpen, waar ze geseald en gedeponeerd worden.
Net als eerdere experimentele missies, bevat de lading van Mission Mars 2020 iets wat nog nooit eerder is geprobeerd - de eerste helikopter, Ingenuity. Als goedkope test om te controleren of de helikopter in de atmosfeer van Mars kan werken, is dit een van de meest revolutionaire missies tot nu toe. Ingenuity is uitgerust met zes gelijkstroommotoren met borstels (DCX 10S als swashplate-actuatoren om de rotoren af te stellen), waarmee Ingenuity wordt bestuurd. Omdat er twee rotors in de helikopter zijn ingebouwd, worden er voor elke rotor drie motoren gebruikt - in totaal dus zes motoren. DDe motoren lijken sterk op standaard industriële motoren, maar hebben interne aanpassingen om de schokken en trillingen van de reis en de werking in de lagedrukatmosfeer van Mars aan te kunnen.
Indien we in de komende jaren ons zonnestelsel gaan verkennen, is het een voordeel te weten dat standaardonderdelen uit de industrie kunnen worden gebruikt in de ruimtevaartuigen, verkenningsvoertuigen oftewel rovers en analyseapparatuur. Nadat ze kleine aanpassingen hebben ondergaan, dragen cruciale onderdelen zoals motoren en overbrengingen bij aan de toekomstige verkenning van andere manen en planeten. Door de lessen die zijn geleerd bij elke missie en het toepassen van vergelijkbare concepten in de industrie in het algemeen, is het motorontwerp de afgelopen decennia steeds verder verbeterd.De lessen die uit elke missie zijn getrokken en de toepassing van vergelijkbare concepten in de industrie in het algemeen, hebben de afgelopen decennia ertoe bijgedragen dat het motorontwerp steeds beter is geworden. Technologisch vooruitdenken is een denkproces waarbij ontwerpers zich steeds afvragen: “Wat kunnen we verder bereiken?” Wanneer bedrijven zich aanpassen aan nieuwe omgevingen die hogere capaciteitsniveaus vereisen, kunnen bedrijven er van op aan dat ze niet alleen toonaangevend blijven, maar ook dat hun standaardproducten steeds beter zullen worden.
