Bild: NASA

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Bild 1: Im Erdorbit in über 400 Kilometern Höhe setzt die ISS verschiedene drahtlose Kommunikationsnetzwerke ein.

Netzwerkgeräte im Kommunikationssystem der ISS

Drahtlos im Weltraum Nach einer erfolgreichen Reihe von funktionalen Tests wurde entschieden, dass auf der internationalen Raumstation ISS Wireless Access Points für ein neues, drahtloses Kommunikationssystem zum Einsatz kommen. Die Geräte müssen allerdings der extremen Hitze und Kälte im All widerstehen.

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ie international Raumstation ISS ist das größte und komplexeste internationale Weltallprojekt der Geschichte. Sie wurde 2011 mit Boeing als Hauptauftragsnehmer fertiggestellt und ist heute einschließlich ihrer Endzonen größer als ein amerikanisches Football-Feld. Die Station wird von fünf Raumfahrtbehörden in den USA, der EU, Kanada, Russland und Japan betrieben. Sie dient unter anderem als Testumgebung für den Bau und Unterhalt großer Strukturen im Weltall, für die Durchführung wissenschaftlicher und technologischer Forschung und für Entwicklungen der zukünftigen menschlichen Weltraumerforschung. Tausende von Komponenten umfassen das Kernsystem für die Steuerung und Überwachung der Temperatur, von Umgebungsbedingungen, Leit- und Navigationssystemen, Kommunikation und Nachführung, Stromverteilung, Regelsystemen, Strukturen und Mechanismen sowie der Robotik.

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Wireless-Kommunikation im All Das drahtlose Kommunikationssystem der ISS wird eingesetzt, um Daten von externen Geräten und Komponenten sowie internen, mobilen Plattformen in das Netz der Raumstation zu übertragen. Das Netzwerk ist mit dem Hauptkommunikationssystem der ISS verbunden, welches über TRDS-Satelliten mit der Erde kommuniziert. Diese Kursverfolgungs- und Datenrelais-Satelliten (Tracking and Data Relay, kurz TRDS) bilden ein Netz, das von der NASA und anderen US-Regierungsbehörden für die Kommunikation zu Satelliten und zur Raumstation genutzt wird. Das neue System ersetzt das existierende Netzwerk aus Bodenstationen , das bis dahin alle bemannten Missionen der Nasa unterstützt hatte. Das Funk- und Satellitenkommunikationsnetz dient den ISS-Crews, um mit der Bodenstation und den Raumgleitern zu kommunizieren. Es ermöglicht der Bodensta-

tion überdies die Steuerung und Überwachung der ISS-Bordsysteme sowie den Betrieb der Container für die Forschungsprojekte. Über das Netzwerk werden die verschiedenen Daten an die unterschiedlichen Bodenstationen rund um die Welt übertragen.

Das Kommunikationssystem Das Kommunikationssystem der ISS, wie es zum Zeitpunkt der Fertigstellung aussah, bietet Zwei-Wege-Audio- und Videokommunikation zwischen den Crew-Mitgliedern an Bord der Station sowie den Mitgliedern, die sich für Aktivitäten außerhalb der verschiedenen Vehikel befinden. Darüber hinaus umfasst es die Kommunikation zwischen der ISS und den Flugsteuerungs-Teams der Kontrollzentren und Wissenschaftlern, die sich am Boden mit den ISSForschungsexperimenten befassen. Außerdem überträgt es System- und Container-Telemetrie von der ISS zum

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Der industrielle Wireless Access Point/Bridge/Client AWK-4131 erfüllt den wachsenden Bedarf an höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten und breiterer Abdeckung durch Unterstützung von IEEE802n mit einer Nettodatenrate von bis zu 300Mbit/s. Das Gerät bündelt zwei benachbarte 20MHz-Kanäle zu einem 40MHz-Kanal und schafft so eine leistungsstarke Kombination aus größerer Zuverlässigkeit und mehr Bandbreite. Mit seinem weiten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +75°C und seinem staubdichten und wetterbeständigen Aufbau nach Schutzklasse IP68 bietet der AWK-4131 die Möglichkeit, vorhandene kabelgestützte Netzwerke bis in den Außenbereich zu erweitern. Das Gerät kann im 2,5oder 5GHz-Band betrieben werden und ist rückwärtskompatibel mit bestehenden 802.11a/b/g-Installationen, um bestehende Investitionen zukunftssicher zu machen.

Bild: Moxa Europe GmbH

Multitalent AWK-4131

Höhere Datenraten und größere Bandbreite • Hochgeschwindigkeits-Anschlussfähigkeit mit bis zu 150Mbps Datendurchsatz • MIMO-Technologie für verbesserte Kapazitäten bei der Übertragung und dem Empfang multipler Datenströme • Breitere Kanalabdeckung durch Channel Bonding-Technologie Für schwierige Betriebsbedingungen im Industrie- und Außenbereich • Industrietaugliche QoS- und VLAN für effizientes Datenverkehrsmanagement • IP68-Metallgehäuse und erweiterter Betriebstemperaturbereich von -40° bis 75°C • PoE- und Zweifach-DC-Spannungseingänge

Control Center und zum Container-Betriebszentrum und verteilt Daten der ISS-Experimente an die einzelnen Wissenschaftler. Zudem steuert die ISS mittels der Befehle von Fluglotsen, die über das Mission Control Center gesendet werden. Die ISS nutzte für die Kommunikation bereits seit einigen Jahren ein drahtloses Netzwerksystem. Jetzt nutzen aktuell die ersten Container ein neues Drahtlosnetzwerk, um von den externen Paletten, die an das Trägergerüst der ISS angeschlossen sind, in den Innenbereich der ISS zu kommunizieren. Die Paletten sind Trägerelemente für externe Experimente und Ersatzteile, die außerhalb der ISS aufbewahrt werden.

Access Points für Experimente Im neuen drahtlosen System werden einige von Moxas Wireless Access Points mit den Containern, so genannten Payloads integriert, eine Art Transportcontainer, um Gegenstände zur ISS zu transportieren. Die Payloads werden von privaten oder Lehrinstitutionen sowie von der NASA selbst genutzt, um z. B. Test- und Forschungsausrüstung oder Werkzeuge zu transportieren. Des Weiteren sorgen die Access

Points für die Kommunikation mit anderen Anwendern außerhalb der Raumstation, wo die Temperaturen stark schwanken, in einigen Bereichen zwischen -100 und +100°C. Handelsübliche Drahtlosgeräte können dieser Umgebung nicht widerstehen, allerdings lassen sich die Temperaturen mittels Sonnenschutzsystemen, Heizkörpern und elektrischen Heizungen auf ein akzeptables Niveau regeln. Auch mit zusätzlicher thermischer Steuerung schwanken die Temperaturen der Boards im Orbit alle 90 Minuten zwischen dem Minimum und Maximum. Die Geräte müssen in der Lage sein, diesen konstanten Schwankungen zu widerstehen. Im Gegensatz zum bisherigen Kommunikationssystem bietet das Drahtlosnetzwerk mit den Wireless Access Points von Moxa höhere Datenraten bis 300Mbit/s. Dies ist besonders wichtig, da insbesondere die Kommunikation zwischen der ISS und den externen Paletten höhere Datenraten erfordert, als dies ursprünglich bei der Konstruktion der Raumstation vorgesehen war. Die Access Points werden jedoch auch im bisherigen, weiter bestehenden Drahtlossystem eingesetzt, um die Betriebssicherheit zu erhöhen. Im Verlauf der Betrachtungen zur Neuin-

stallation des Kommunikationssystems wurden verschiedene Lieferanten angefragt. Moxas AWK-4131 wurde nach einem strengen Auswahlprozess für die Installation ausgewählt. Das Gerät kann gleichermaßen als Access Point, Bridge und Client fungieren und ermöglicht so einen flexiblen Einsatz rund um die verschiedenen Standorte innerhalb des ISS-Komplexes. „Das ist eines der spannendsten und wichtigsten Projekte, die Moxa jemals umgesetzt hat”, resümiert Moxa-Präsident Ben Chen. „Wir sind sehr stolz, Moxas über 25-jährige Entwicklungskompetenz im Bereich rauer Betriebsumgebungen in dieses Projekt von wirklich globalem Umfang einzubringen.” ■

www.moxa.com

Autor: Chih-Hong Lin, Business Development Manager Industrial Ethernet, Moxa Europe GmbH

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Bild: TeDo Verlag

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„Im All sind wir schon bei Industrie 5.0“ Neben seinem Industriegeschäft hat sich Maxon Motor in den vergangenen Jahren auch als Antriebsausrüster für Weltraum-Expeditionen einen Namen gemacht. Egal ob im Sojourner 1997, Spirit und Opportunity 2004 oder Curiosity 2012 – in allen Mars-Rovern kam Technik von Maxon zum Einsatz. Eugen Elmiger, CEO des Unternehmens, spricht im SPS-MAGAZIN über besondere Erfahrungen, heutige Aktivitäten und künftige Pläne. Herr Elmiger, es gibt ja nicht so viele Wer braucht denn einen Motor für bis -120°C Kompaktantriebe, die es ins Weltall ge- auf der Erde? Nähere Informationen waren nicht schafft haben. Wie ist es zu diesem Enga- zu bekommen. Wir haben uns dann auch aus gement gekommen und welche Vorarbeit der Neugier heraus an das Projekt gemacht. hat es gekostet? Eugen Elmiger: Wir sind schon seit Ende der 1980er-Jahre dabei. Damals haben wir einen kleinen 12mm-Antrieb an die Firma Spacelabs geliefert, um den Herzpuls der Astronauten auf der Raumfähre Atlantis aufzuzeichnen. Als es dann 1997 um den Sojourner ging, waren wir auch dabei. Damals Bild: NASA/JPL wurde ein Motor benötigt, Bild 2: Die drei Mars-Rover im Vergleich: vorne der Pathfinder (1997), der bis -120°C standhält. links einer der Zwillingsrover Spirit resp. Opportunity (2004) und rechts Das war doch etwas kurios: der Curiosity (2012).

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Der Einsatz der beiden Zwillingsroboter auf dem Mars war eigentlich für wenige Monate vorgesehen, jetzt sind sie bereits seit zehn Jahren unterwegs. Welcher Anteil an diesem Rekord geht auf die Maxon Motoren zurück? Elmiger: Egal ob Vibration, Temperatur, Schock oder Strahlung – unsere Motoren haben diese zehn Jahre in

Schmierung der Lagerung oder die Kommutierung der damals eingesetzten bürstenbehafteten Motoren. Man findet heraus, dass die strahlungsresistente Elektronik, die ja auch in der Medizin Anwendung findet, auch bei 120°C noch funktioniert. Oder man beschäftigt sich mit neuen Materialien: Wo kann man Keramik einsetzen und wo Titan? Und wie kann man solche

Bild: NASA/JPL

„Egal ob Vibration, Temperatur, Schock oder Strahlung – unsere Motoren haben zehn Jahre in einer extremen Umgebung ausgehalten.” einer extremen Umgebung ausgehalten. Wir haben unseren Teil dazu beigetragen, der Rest kam natürlich von der NASA und vielen anderen Leuten. Aber ohne unseren Teil läuft der Rover nicht, das ist es. Welche Erfahrungen haben Sie aus der Industrie für die Weltraummission mitnehmen können? Oder sollte man die Frage besser andersherum stellen? Elmiger: Das gilt sowohl als auch. Wenn man ins Extreme mit den speziellen atmosphärischen Bedingungen bis -120°C geht, dann lernt man natürlich viel: von Toleranzen, über die

Materialien verbinden? Solche Fragen haben uns angetrieben, wirklich das Extreme auszuprobieren. Wie geht denn die Reise im Weltraum für Maxon Motor weiter? Elmiger: Wir bleiben vorerst auf dem Mars. Wir haben weitere Projekte mit der NASA. Mit der ESA gibt es das ExoMars-Projekt, das mit Hochdruck zum Abschluss gebracht werden soll. Dann schauen wir weiter.

Elmiger: Im All sind wir schon bei Industrie 5.0, aber auch an Industrie 4.0 arbeiten wir natürlich. Das beste Beispiel ist die DCX-Produkteplattform mit allen zugehörigen Prozessen. Bei uns in der Firma haben wir verschiedene Projekte in der Mache, was das Thema Antriebstechnik angeht: Wir verknüpfen Systeme mehr und mehr und rüsten diese auch wireless oder mit mehr Intelligenz aus. Auch alternative Materialien sind hier ein Thema.

Das Stichwort Industrie 4.0 ist momentan in aller Munde. Wie stehen diese Trends im Vergleich zu den Anforderungen des Weltalls?

Kommen wir auf Ihr heutiges Geschäft zu sprechen. Welche Märkte sind denn für Maxon Motor besonders interessant?

Bild 3: Der Mars-Rover Sojourner konnte einen Röntgenspektrometer auf einen Stein drücken und so chemisch analysieren. Der Rover war mit elf maxon Motoren im Durchmesser 16mm ausgerüstet.

Sojourner Der erste Roboter, Sojourner, ein Rover mit sechs Rädern, der am 4. Juli 1997 landete. Sojourner war klein und nur 10,5 Kilogramm schwer. Fast drei Monate durchquerte er die sandige Landschaft und sendete Daten und Bilder zurück . Angetrieben wurde das Gefährt von elektrischen maxon DC-Motoren. Die hochstehenden Antriebe mit ihren eisenlosen Wicklungen waren an den Rädern angebracht und wurden für die Lenkung sowie die Bedienung der wissenschaftlichen Apparate benötigt. Spirit und Opportunity Nachfolger waren die Fahrzeuge Spirit und Opportunity, sie sollten den Nachweis liefern, dass es früher Wasser auf dem Mars gegeben hat. Drei Monate sollten sie ihren Dienst erfüllen, aber erst nach sechs Jahren sendete Spirit die letzten Signale zur Erde. Opportunity ist noch heute, zehn Jahre nach der Landung, unterwegs. Pro Rover sind 35 Stück der DC-Motoren von maxon eingesetzt worden und dabei für den Antrieb der sechs Räder, den Steuerungsmechanismus, den Gesteinsbohrer, den Roboterarm und die Kameras zuständig. Zusätzlich wurden je acht maxon Motoren in den Landeeinheiten verwendet. Phoenix Phoenix landete 2008 auf dem Mars und war eine fest stationierte Raumsonde. Er lieferte schon nach kurzer Zeit den Beweis dafür, dass es nicht nur an den beiden Polkappen Eis gibt, sondern auch in anderen Regionen unter der Oberfläche. Hier lieferte maxon motor neun Präzisionsantriebe der RE-Reihe. Diese bürstenbehafteten Motoren mit speziellen Kugellagern wurden bei Phoenix für die Ausrichtung der Solarpanels verwendet. Curiosity Curiosity, der nächste Rover, war 900 Kilogramm schwer und landete im August 2012 auf dem Mars, ausgestattet mit einem Roboterarm sowie einem Chromatografen und einem Spektrometer zur Analyse der Gesteins- und Erdproben. Radionuklidbatterien sorgen dabei für die Energieversorgung und in den elektromechanischen Gelenken kommen maxon MR-Encoder zum Einsatz. Sie sind für die Steuerung der Motoren verantwortlich. Inzwischen hat Curiosity viele wertvolle Daten gesammelt, die den Wissenschaftlern neue Erkenntnisse über den Mars liefern. Er entdeckte z.B. so genannte Bausteine des Lebens unter der Marsoberfläche, also Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Das Projekt ExoMars Die Europäische Weltraumorganisation ESA plant gemeinsam mit der russischen Roskosmos eine eigene Marsmission. 2016 soll unter dem Namen ExoMars eine Sonde auf die Reise zum Nachbarplaneten geschickt werden, zwei Jahre später folgt ein Mars-Rover. Dieser wird wohl etwas kleiner als Curiosity sein aber über eine Bohreinheit verfügen, mit der er Gesteinsproben aus zwei Metern Tiefe hochholen kann. Die Proben werden dann sofort im Rover analysiert. maxon motor wird Präzisionsantriebe der DCX-Reihe für den ExoMars-Rover liefern.

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Elmiger: Wenn wir die Absatzmärkte anschauen, sehe ich die USA als größten Absatzmarkt, gefolgt von Deutschland, der Schweiz und Frankreich. In Asien gibt es sehr viel Wachstum, hier sind es Län-

Elmiger: Unsere Motoren sind klein, leicht, leistungsfähig und haben einen hohen Wirkungsgrad. Das können andere aber auch – vielleicht noch nicht so gut. Ob sie jetzt Por-

„Wir verknüpfen Systeme mehr und mehr und rüsten diese auch wireless oder mit mehr Intelligenz aus.” der wie China, Japan und Korea, die wir zukünftig beachten müssen.

Bild: NASA/JPL

Und auf welche Anwendungsgebiete zielen Sie dort ab? Elmiger: Das ist sehr divers. In den USA beträgt der Anteil der Medizintechnik mehr als 50%, in der Schweiz sind es eher 30 bis 40%. Dann gibt es wieder andere Länder, die eher Industrie-, Automotive- oder halbleiterlastig sind. Jeder Markt ist anders, es sind andere Kulturen, Kunden sowie Anforderungen und da müssen wir flexibel mit speziellem Service aufwarten. In Zukunft werden wir unsere Kompetenz in der Luft- und Raumfahrt noch weiter ausbauen. Bild 4: Encoder-Technologie von maxon motor an Bord von Curiosity. Der MarsRover Curiosity landete nach einer sechsmonatigen Reise am 6. August 2012 auf dem Mars.

Wie unterscheiden Sie sich im Wettbewerb? Sind es die technischen Features oder ist es mehr der Service?

sche, Audi oder Benz fahren – Sie geben in erster Linie viel Geld aus. Dann erwarten Sie aber auch einen unschlagbaren professionellen Service und einen Ansprechpartner, der 24 Stunden am Tag erreichbar ist. Das ist unser eigener Anspruch in punkto Service. Inwieweit ist Ihre globale Aufstellung auch ein Alleinstellungsmerkmal? Elmiger: Das ist ein zentraler Punkt. Wir haben viele eigene Gesellschaften weltweit und sind schon früh in Märkte wie etwa Asien eingetreten, während die Wettbewerber erst zehn bis 15 Jahre später gekommen sind. ■

www.maxonmotor.de

Orion-Testflug mit deterministischer Ethernet-Lösung Bild: NASA

Das Orion-Programm ist ein US-amerikanisches Konzept für ein bemanntes Raumfahrzeug, das Personen auf Forschungsmissionen nicht nur zur ISS, sondern auch zum Mond oder zum Mars bringen soll. Kürzlich haben die Teams von NASA, Lockheed Martin und Honeywell den ersten Testflug des Raumschiffs erfolgreich absolviert. Orion startete an Bord einer Delta IV Heavy-Rakete zum ersten Testflug. Mit an Bord: das auf Ethernet basierende Orion Onboard Data Network, für den die NASA mit dem Unternehmen TTTech und weiteren Industriepartnern zusammengearbeitet hatte. Dieser deterministische Ethernet-Ansatz integriert kommerziell verfügbare Standard-Ethernet-Infrastruktur mit deterministischen Erweiterungen hinsichtlich QoS (Quality of Service) Layer 2 und Services, wie Time- Das Raumschiff Orion der NASA hat seinen ersten Testflug absolviert. Triggered Ethernet. Diese Services sind entwickelt worden, um die Entwicklung von synchronem, hoch zuverlässigem Embedded Computing und fehlertoleranter Vernetzung zu ermöglichen. Damit können robust partitionierte kritische Kontrolldaten, graphische Datenströme und Standard-LAN-Nachrichten auf einem Netzwerk ohne Beeinträchtigung ablaufen. Dies ermöglicht es, Funktionen mit gemischter Kritikalität in komplexe Ethernet-basierte Netzwerke einzubinden und dabei die Limitierungen von Ethernet bei der Erstellung von hochentwickelten integrierten Systemen zu umgehen. TTTech Computertechnik AG • www.tttech.com

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Bild: DLR, CC-BY 3.0

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Bild 1: Philae hat im November auf dem Kometen aufgesetzt.

Antriebstechnik für Weltraumanwendungen

Landung mit Tücken Am 12. November 2014 war es soweit. Nach dem Ausklinken von der Raumsonde Rosetta ist der Lander Philae als erster von Menschen gebaute Apparat auf einem Kometen weich gelandet. Auch wenn nicht alles wie geplant lief, ist es eine Premiere in der Geschichte der Raumfahrt. mit zwei seiner drei Beine den Grund und erhält momentan nicht genug Licht. Nach zwei Tagen schaltete der Lander die Instrumente ab und ging in den Standby-Betrieb. Die exakte Position von Philae auf dem Kometen ist bislang nicht bekannt.

Bild: DLR

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ie Landung auf einem Kometen, ein bisher dato nie durchgeführtes Manöver, war in vielerlei Hinsicht heikel. Eine der größten Herausforderungen ist die geringe Schwerkraft auf dem Kometen. Um auf der Oberfläche Halt zu finden, wurde ein spezielles Ankersystem entwickelt. Unmittelbar nach Bodenkontakt bei der Landung sollten zwei Harpunen per Treibladung abgeschossen werden. Jede Harpune hätte dann aus einem Magazin ein Seil hinter sich hergezogen, das nach dem Abfeuern durch einen bürstenlosen FaulhaberServomotor der Serie 1628 mit einem Planetengetriebe 16/7 auf eine Trommel aufgewickelt und gestrafft werden sollte. Primär galt es also zu verhindern, dass Philae nicht wieder vom Kometen abprallt. Doch genau dies scheint nun geschehen: Da die Harpunen jedoch nicht ausgelöst und abgefeuert wurden, kam der Rückspulmechanismus nicht zum Einsatz. Philae federte dadurch zweimal wieder vom Kometen ins All zurück. Nach der enfgültigen Landung abseits der berechneten Position berührt Philae nun nur

14 Antriebssysteme von Faulhaber Abseits der Seilwinden, sind auch weitere Systeme des Landers von Faulhaber ausgerüstet – insgesamt sind es 14 Antriebssysteme – so z.B. bei der Landung. Um die kinetische Energie der Landung in Wärme umzusetzen, wurde ein Glockenankermotor der Serie 3557 über einen externen Widerstand kurzgeschlossen und als Generator betrieben. Weitere Antriebe aus der Serie 1224 sind am dreibeinigen Landegestell des Landers im Einsatz. Auch an der erfolgreichen Probenentnahme waren Kleinstantriebe von Faulhaber beteiligt. Obwohl Philae nicht mehr aktiv ist, ist die Landeeinheit noch nicht aufgegeben. Die Forscher sehen gute Chancen, für ein

Bild 2: Harpuneneinheit für die sichere Verankerung auf der Kometenoberfläche.

Comeback: Je näher der Komet der Sonne kommt, umso mehr Licht bekommen die Solarzellen. Vielleicht kann das Minilabor im Laufe des Jahres noch einmal aktiviert werden. ■

www.faulhaber.com

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