Alltagstauglich

Kleinstmotoren eignen sich aufgrund ihrer hohen Leistung aus kleinem Volumen für viele Anwendungen. Ihr geringes Gewicht und ihre Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb machen sie u.a. auch für Anwendungen in der Weltraumforschung interessant.

Jedes kg Gewicht das in den Orbit geht, kostet ein hundertfaches an Treibstoffgewicht. Hier punkten Kleinstantriebe ganz besonders. Zudem sind sie immer einsatzbereit, erlauben kurzzeitige Überlast und vertragen sowohl Kälte als auch Hitze, wenn man kleinere Modifikationen hinsichtlich der Werkstoffe und Schmierung der Standardbauteile vornimmt. So entsteht ein für Raumfahrttechnik enorm preis­günstiger Antrieb, ohne auf Zuverlässigkeit oder Lebensdauer verzichten zu müssen.     
Unsere moderne Welt gründet auf dem Einsatz von Elektrizität, elektromagnetischen Wellen und elektronischen Geräten. All diese essentielle Technik ist aber von außen leicht beeinflussbar. Sonnenwind und Erdmagnetfeld erzeugen in Wechselwirkung nicht nur das imposante Naturspektakel der Polarlichter, sondern haben auch schon in nördlichen Ländern ganze Strom- und Telefonnetze lahmgelegt. Um die Einflüsse der Magnetos­phäre der Erde auf unsere moderne Welt zu erforschen, sendet die NASA im August 2014 vier Messsonden mit einer Rakete ins All. In den Satelliten arbeiten jeweils vier Schrittmotor-Getriebeeinheiten der FAULHABER-Schwester MICROMO aus den USA. Sie sind für das Auf- und Abspulen der eigentlichen Messkabel verantwortlich.

Kein zweiter Versuch

Weltraumfahrt ist eine teure Sache. Es gibt für viele Missionen nur eine einzige Chance, wird sie vertan, fehlen die Mittel für einen neuen Anlauf. Es kommt daher im Wesentlichen auf zwei Aspekte an: die Mission möglichst zuverlässig und zugleich preiswert auszustatten. Hier überschneiden sich die Forderungen der Raumfahrt mit denen der eher „bodenständigen“ Industrie. So können bewährte Massenprodukte wie Kleinantriebe durchaus auch zu „Höherem berufen“ sein. Moderne Kleinantriebstechnik ist heute so weit entwickelt, dass es für extreme Einsatz­bedingungen oft keiner Spezialausführungen mehr bedarf. Es reichen meist kleinere Optimierungen völlig aus, um den Anforderungen gerecht zu werden.
Als die NASA für ihre Magnetospheric Multiscale Mission (MMS) einen Antrieb suchte, der klein und leicht, dabei kräftig ist und langjährig zuverlässig arbeitet, wurden sie bei der US-FAULHABER-Schwester fündig. Kleine Schrittmotoren sind das Mittel der Wahl, um je Sonde jeweils vier rund 60 m lange Magnetfeldmesskabel auf- und abzuspulen. Da die Mission die Einflüsse des Sonnenwindes auf das Erdmagnetfeld beobachten soll, ist sie mehrjährig ausgelegt. Im ersten Jahr liegt der Beobachtungsfokus auf der Region zwischen Erde und Sonne, im zweiten Jahr werden die Sonden umprogrammiert und der Bereich auf der sonnenabgewandten Seite betrachtet, also dort, wo in Lee das Magnetfeld im Sonnenwind als Fahne ausweht. Bei vier Satelliten mit je vier Messkabeln plus den Entwicklungs- und Prüfsätzen auf der Erde wurden 40 weltraumtauglich abgeänderte Antriebseinheiten benötigt. 

Das Erdmagnetfeld wird durch den Sonnen- wind verzerrt. Exakte Messdaten dazu erlauben Vorhersagen zu eventuellen Störungen auf der Erde.
Kompakte, leicht ansteuerbare Schrittmotoren sind für vielfältige Einsatzanforderungen.

Hart im Nehmen

Kleine Schrittmoto­ren bieten neben den Gewichts- und Volu­menvorteilen noch weitere Vorteile für einen zuverlässigen Betrieb. Sie sind nicht auf eine besonders anspruchsvolle Ansteuerung angewiesen. Eine einfache Schrittmotorsteuerung, die sehr robust ausgelegt werden kann, reicht für den Betrieb völlig aus. Je höher integriert die Elektronik ist, um so gefährdeter ist deren Betrieb im Weltall unter dem dortigen kosmischen Strahlenbombardement. Das bedingt zusätzliche Abschirmung und damit Massezunahme bei der Antriebssteuerung. Die Motoren sind direkt mit einem Präzisionsgetriebe verbunden.
Die Gesamtlänge der Kompakteinheit beträgt nur knapp über 56 mm. Trotzdem leistet die Einheit bis zu 0,5 Nm an der Abtriebswelle.
Die wesentlichen Änderungen an Motor und Getriebe betrafen vor allem die Schmierung und eine für den Start nötige Entlastungsbohrung für die Schnellent­lüftung. Letztere ist besonders wichtig, da eine Rakete bekanntlich sehr schnell die Lufthülle verlässt. Den Effekt kennt ja jeder, der schnell mit dem Auto bergauf oder bergab fährt; die Ohren knacken oder fallen zu. Die Entlastungsbohrungen erlauben der Luft ein schnelles Entweichen und vermeiden so Schäden durch inneren Überdruck. Bei der Schmierung ist es wichtig, einen Stoff zu finden, der sowohl den extremen Temperaturen widersteht und im Vakuum nicht verdampft. Die Standardbauteile, sprich Kugellager der Motoren und Zahnräder der Getriebe, wurden daher mit einem solchen Spezialmittel geschmiert. Alle Antriebe mussten zudem individuell markiert und mit einem jeweiligen Abnahmezeugnis versehen werden. Danach waren sie für den Weltraumeinsatz bereit.

Anordnung der „Seilwindenantriebe“ im Satelliten.