11.05.2021

Roboterkooperation für Mondstation

Ziel ist die Konstruktion einer extraterrestrischen Behausung mit den Ressourcen vor Ort.

Für das Überleben auf dem Mond benötigt der Mensch jede Menge Ressourcen. Diese per Raumschiff auf den Erdtrabanten zu transportieren, wäre extrem teuer. Eine deutlich günstigere und nachhaltige Lösung: Spezielle Anlagen, mit denen die Rohstoffe direkt vor Ort gewonnen und verarbeitet werden können. Dafür entwickelte ein europäisches Konsortium unter Beteiligung des Deutschen Forschungs­zentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) im Projekt „Pro-Act“ Technologien, die mehrere Roboter beim Bau dieser Anlagen kooperieren und komplexe Aufgaben zur Vorbereitung menschlicher Missionen erfüllen lassen. Das erfolgreich beendete Vorhaben wurde von der Europäischen Kommission gefördert.

 

Abb.: Animiertes Missions­szenario, bei dem Mantis und Veles gemeinsam...
Abb.: Animiertes Missions­szenario, bei dem Mantis und Veles gemeinsam Komponenten von einem Lande­modul entladen (Bild: DFKI ; Animation: M. Fischer)

2025 soll es so weit sein: Dann will die Europäische Weltraum­organisation ESA die erste Demonstrations­mission für In-Situ Resource Utilization (ISRU) zum Mond starten. Mit Hilfe von ISRU-Technologien können auf fremden Planeten vorhandene Rohstoffe genutzt werden, um daraus für Raumfahrt­missionen benötigte Ressourcen wie Trinkwasser, Sauerstoff oder Baumaterialien für menschliche Habitate herzustellen, die sonst aufwendig von der Erde mitgebracht werden müssten. Dadurch lassen sich nicht nur immense Kosten einsparen. Die Technologien sind zudem von großer Bedeutung, wenn es um eine nachhaltige Erforschung des Weltraums geht. Bei deren Aufbau und Montage werden robotische Systeme eine entscheidende Rolle spielen.

Zur Vorbereitung zukünftiger Einsätze von Menschen auf fremden Planeten müssen Roboter in der Lage sein, autonom im Team zu operieren, um komplexe Aufgaben wie die Durchführung wissenschaftlicher Untersuchungen oder den Aufbau von Infrastruktur zu bewältigen. Ziel des im Februar 2019 gestarteten Projekts Pro-Act war es, dafür notwendige Basis­technologien zu entwickeln und deren Funktions­fähigkeit in einem lunaren Missions­szenario zu demonstrieren. Die Europäische Kommission förderte das Vorhaben in der zweiten Phase des Strategic Research Clusters (SRC) „Space Robotics Technologies“ als Teil der Peraspera-Aktivität im Rahmen des Horizon-2020-Programms. Mit seiner langjährigen Expertise auf dem Gebiet der Weltraum­robotik gehörte das Robotics Innovation Center des DFKI zu dem von der belgischen Firma Space Applications Services geleiteten Projektkonsortium, das sich aus insgesamt neun europäischen Unternehmen und Institutionen aus sechs verschiedenen Ländern zusammensetzte.

Im Mittelpunkt des Vorhabens stand die Zusammenarbeit drei verschiedenartiger Roboter­systeme – dem sechsbeinigen Laufroboter „Mantis“ des DFKI, dem Rover „Veles“ von der polnischen Firma Piap Space und dem mobilen Portal der spanischen Firma AVS – deren gemeinsames Ziel es ist, eine ISRU-Anlage mit unterstützender Infrastruktur aufzubauen. Dafür kombinierte das ungleiche Team seine Stärken: Der Laufroboter Mantis zeichnet sich dank seiner sechs Extremitäten, von denen er die zwei vorderen auch zur Manipulation einsetzen kann, durch einen hohen Grad an Flexibilität aus und meistert selbst schwieriges Terrain. Der Rover Veles ist in der Lage, größere Wegstrecken zu überwinden und mithilfe seines Greifarms besonders schwere Nutzlasten zu transportieren. Das mobile Portal, das sich mit der Unterstützung von Mantis und Veles auseinanderziehen lässt, verfügt über einen integrierten 3D-Drucker, den es mithilfe einer Seilsteuerung bewegen kann. In Pro-Act wurde das Ausdrucken von Bauteilen für die Montage der ISRU-Anlage unter Verwendung des auf dem Mond vorhandenen Regoliths simuliert. Um die autonome Kooperation der drei Roboter zu ermöglichen, entwickelten die Projekt­partner die aus den Vorgänger­projekten des SRC hervorgegangen Software- und Hardware­technologien weiter und passten diese missions­spezifisch an. Durch kooperative Zielzerlegung, kollaborative Missionsplanung und Manipulation gelang es den Systemen, gemeinsam verschiedene Aufgaben zu bewältigen.

Neben der software- und hardwareseitigen Weiterentwicklung und Anpassung von Mantis an das Missions­szenario gehörte die Bereitstellung einer Simulations­umgebung zu den Aufgaben des Robotics Innovation Center. Diese erlaubte es den Partnern, ihre Software zunächst auf Robotersimulationen zu testen, bevor diese auf realen Systemen implementiert wurde. So konnten Programmfehler schon frühzeitig erkannt und behoben werden. Zudem entwickelten die Bremer Forscher Schnittstellen, die den Einsatz der Partnersoftware auf Mantis ermöglichten. In der Weltraum­explorationshalle des DFKI sollte die Zusammen­arbeit der Roboter schließlich erprobt werden.

Diese Pläne wurden jedoch von der Corona-Pandemie durchkreuzt: Bereits zu den ersten gemeinsamen Tests im September 2020 konnten nicht alle Partner anreisen, und auch das Roboter-Team blieb unvollständig. Die Abschlusstest im März 2021 mussten dann komplett virtuell via Remote­verbindung realisiert werden, was vor allem im Hinblick auf die Roboter­kooperation weitere Herausforderungen wie instabile Internetverbindungen und zeitliche Delays mit sich brachte. Trotz alldem gelang es den Partnern, erfolgreich zu demonstrieren, wie Mantis und Veles bei der Erstellung von Umgebungs­karten und dem Transport von Bauelementen zusammenarbeiten. Darüber hinaus sammelten sie umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der Teleoperation, die für künftige planetare Weltraum­missionen von großem Nutzen sind.

DFKI / DE

 

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