Vierbeiniger Laufroboter soll Gestein auf dem Mars in Rekordzeit scannen

Mars-Missionen arbeiten bisher langsam und vorsichtig. Zwischen Erde und Rover liegen meist vier bis 22 Minuten Funkverzögerung, dazu kommen enge Grenzen beim Datenaustausch. Viele Schritte werden deshalb im Voraus geplant. Rover fahren aus Sicherheitsgründen und wegen des Energieverbrauchs langsam und schaffen oft nur wenige hundert Meter pro Tag. Ein Laufroboter soll das ändern: Er könnte mehrere Ziele auf dem Mars nacheinander selbstständig ansteuern und so in derselben Zeit deutlich mehr Gesteine und Flächen untersuchen.

Die Autoren beschreiben den Ansatz als praxistauglich. In der Studie heißt es: Auch mit vergleichsweise einfacher Technik lässt sich relevantes Gestein zuverlässig erkennen.

Roboter arbeitet Aufträge selbstständig ab

Statt ein Ziel nach dem anderen eng von der Erde aus zu begleiten, soll ein vierbeiniger Roboter auf dem Mars mehrere Messpunkte in festgelegter Reihenfolge selbstständig abarbeiten. Die Ziele werden vorher markiert. Danach läuft das System von Punkt zu Punkt, setzt seine Instrumente an und sendet die Daten zurück.

In den Versuchen war der Zeitunterschied deutlich. Halbautonome Abläufe dauerten 12 bis 23 Minuten. Eine vergleichbare, menschlich begleitete Mission brauchte 41 Minuten. Das schafft mehr Spielraum, um in derselben Einsatzzeit größere Flächen zu erfassen.

„Selbst relativ kompakte Instrumente können das volle wissenschaftliche Ziel erreichen: Gesteine zu identifizieren, die für Astrobiologie und Rohstoffsuche relevant sind“, schreibt Gabriela Ligeza in einem begleitenden Beitrag bei Frontiers.

Mehr Ziele liefern schneller einen geologischen Überblick

Der Vorteil liegt vor allem in der Reihenfolge der Arbeit. Bisherige Systeme prüfen meist einen Stein, dann den nächsten. Der Laufroboter kann mehrere Ziele hintereinander untersuchen. So entsteht schneller ein erster Überblick über ein Gelände.

Im besten Durchlauf wurden alle ausgewählten Ziele korrekt identifiziert. In anderen Testläufen lag die Erfolgsquote bei etwa zwei Dritteln. Wichtig ist vor allem: Das höhere Tempo ging nicht zulasten des Nutzens. Die Messungen blieben wissenschaftlich brauchbar.

Für künftige Missionen ist das ein echter Vorteil. Große Flächen lassen sich schneller vorsondieren. Auffällige Stellen fallen früher auf. Aufwendigere Analysen können dann gezielter an den interessantesten Punkten folgen.

Zwei Instrumente prüfen Gesteine genauer

Der Roboter arbeitete mit zwei Messgeräten. Das erste war eine mikroskopische Kamera namens MICRO. Sie zeigt Nahaufnahmen der Oberfläche und macht Strukturen wie Kristalle, Körner oder Risse sichtbar. Das zweite war ein tragbares Raman-Spektrometer, das die chemische Zusammensetzung untersucht.

Beide Verfahren ergänzten sich gut. Wenn ein Bild allein keine klare Einordnung erlaubte, half oft die chemische Analyse weiter. In den Tests erkannte das System unter anderem:

• Gips und Karbonate
• schwefelhaltige Ablagerungen
• basaltische Proben
• Dunit und Anorthosit als Mond-Analoga

Solche Gesteine sind nicht beliebig gewählt. Sie liefern Hinweise auf die Entstehung einer Landschaft, auf frühere Umweltbedingungen und auf Stoffe, die für spätere Missionen nützlich sein könnten.

Laborversuche bilden Mars und Mond realistisch nach

Die Erprobung fand nicht auf einem echten Himmelskörper statt, sondern im Marslabor der Universität Basel. Dort wurden Gelände, Staub, Licht und Gesteine so vorbereitet, dass sie Bedingungen auf Mars und Mond möglichst realistisch nachbilden.

Der eingesetzte Roboter ANYmal wiegt mit Arm rund 60 Kilogramm und kommt auf eine Betriebszeit von etwa 90 Minuten. Eine Bildaufnahme dauerte im Schnitt rund eine Minute pro Probe. Für eine Raman-Messung brauchte das System etwa 1,5 Minuten.

Auffällig war auch: Nicht das Laufen kostete die meiste Zeit, sondern die Analyse selbst. Deshalb fällt ein schnellerer Arbeitsablauf so stark ins Gewicht.

Mars-Roboter hat noch klare Schwächen

Ganz reibungslos lief das System allerdings nicht. In mehreren Durchgängen verfehlte der Arm einzelne Ziele. Besonders ein Zielbereich bereitete Probleme und wurde nur selten sauber getroffen. Wenn die Auswahl aus größerer Entfernung erfolgt, steigt das Risiko von Abweichungen.

Hinzu kamen schwankende Bildqualitäten. Kleine Bewegungen des Arms konnten Aufnahmen verwackeln. Staub auf den Oberflächen störte die Messungen zusätzlich. Gerade feinkörnige oder mineralogisch gemischte Proben ließen sich dadurch schwerer sicher bestimmen.

Auch die eingesetzte Messtechnik hat Grenzen. Das Raman-Spektrometer erfasste nicht alle Stoffe, die für spätere Missionen wichtig wären. Wasser-Eis lag zum Beispiel außerhalb des genutzten Messbereichs. Für Einsätze in eisreichen Regionen müsste die Technik daher angepasst werden.

Kurz zusammengefasst:

• Auf dem Mars kosten schon einfache Fahrten viel Zeit, weil Befehle wegen der Funkverzögerung erst von der Erde kommen; ein vierbeiniger Laufroboter soll deshalb mehrere Gesteine selbstständig nacheinander prüfen.
• Im Test war der Zeitvorteil klar: Der halbautonome Ablauf dauerte 12 bis 23 Minuten, die vergleichbare menschlich geführte Mission 41 Minuten – bei wissenschaftlich brauchbaren Ergebnissen und im besten Fall mit voller Trefferquote.
• Der Roboter kombiniert Mikrobilder und chemische Messungen, erkannte so unter anderem Gips, Karbonate und Basalt und könnte künftige Missionen bei der Rohstoffsuche und der Suche nach früherem Leben beschleunigen, auch wenn Zielgenauigkeit und Messtechnik noch verbessert werden müssen.

Übrigens: Während Laufroboter auf dem Mars künftig Felsen prüfen könnten, arbeiten Forscher schon am nächsten Problem – wie sich dort ohne Erde und ohne Dünger überhaupt Nahrung erzeugen lässt. Ein Mikroben-System aus CO₂ und Marsstaub bringt nun essbare Biomasse hervor. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Dr. Tomaso Bontognali