Angepasst an extreme Bedingungen In den Weltraum – IoT in der Praxis

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Im NASA-Programm Artemis sollen Gesteinsproben vom Mond gesammelt werden. Dafür wurde ein Roboterarm mit zwei Stereokameras entwickelt. Mit dabei war Krakul, ein estnisches Unternehmen für die Entwicklung von IoT und autonomen Systemen.

Estland ist bekannt als Vorreiter in der digitalen Transformation und hat in den letzten Jahrzehnten auch grosse Fortschritte in der Raumfahrtindustrie gemacht. Estnische Unternehmen gelten im Sektor als Experten für Informationstechnologie und Cybersicherheit. Obwohl Estland nicht über eine eigene bemannte Raumfahrtmissionen verfügt, haben estnische Unternehmen nun ebenfalls innovative Ansätze entwickelt, um Technologien wie Satelliten und andere Weltraumgeräte zu entwickeln und einzusetzen. Eine der jüngsten Erfolgsgeschichten stammt von CrystalSpace. Das Unternehmen ist zwar klein, aber es ist in einem speziellen Bereich tätig: der Entwicklung und Herstellung von Nanosatellitenbauteilen. Als Teil des NASA-­Programms Artemis wurde CrystalSpace ausgewählt, zwei Stereokameras zu entwickeln, die den Betrieb eines Roboterarms überwachen sollen. Dieser Roboterarm wird Regolithproben vom Mond sammeln. Durch diese wollen NASA-Wissenschaftler wichtige Informationen über die Mondentstehung, planetare Evolution und die Zusammensetzung unseres Sonnensystems gewinnen. «Wir hatten bereits von Anfang an Erfahrungen in der Raumfahrttechnologie. Neben der Entwicklung und dem Verkauf von Kamerasystemen hat CrystalSpace an verschiedenen Projekten teilgenommen, zum Beispiel waren wir 2017 Teil des ESA BIC Estonia Business Incubator, was sich positiv auf unsere Glaubwürdigkeit auswirkte. Wir haben unser Kontaktnetzwerk im Laufe der Zeit aufgebaut und haben auch an verschiedenen Konferenzen und Raumfahrtveranstaltungen teilgenommen, um unsere Sichtbarkeit zu erhöhen», so Pätris Halapuu, CEO von CrystalSpace. «Im Bereich der Raumfahrttechnik-Hardware muss man schon länger dabei sein, aber auch Qualität, Fähigkeit und Beständigkeit zeigen, um als ein anerkannter und vertrauenswürdiger Akteur wahrgenommen zu werden. ESA, NASA und andere Raumfahrtorganisationen haben ihre eigenen Datenbanken mit vertrauenswürdigen Zulieferern, und wir haben es 2016 geschafft, in die Zuliefererdatenbank der NASA aufgenommen zu werden», fügt Halapuu hinzu.

Kameralösung: Gemeinsame Entwicklung mit Krakul

Der Hersteller des Roboterarms Maxar setzte sich mit CrystalSpace in Verbindung. Sie interessierten sich für die Kameramodelle, die sie im Portfolio des Unternehmens fanden und die für ihre Zwecke gut geeignet schienen. CrystalSpace entwickelte die Kameralösung gemeinsam mit dem Tartu Observatorium der Universität Tartu und dem Entwickler von IoT und autonomen Systemen, Krakul. «Wir hatten einen engen Zeitplan. Aber da wir mit unseren Partnern bereits bei verschiedenen Projekten zusammengearbeitet hatten, wussten wir, dass wir uns darauf verlassen konnten, dass alle die Fristen einhalten würden», so Kristjan Tozen, CEO von Krakul. CrystalSpace lieferte die Systemintegration sowie das Design und die Optik der Kamera in Zusammenarbeit mit dem Observatorium von Tartu. Da CrystalSpace bereits über ein funktionierendes Kameramodell verfügte, bestand der Hauptteil der Produktentwicklung darin, festzustellen, was angepasst werden muss, um die spezifischen Anforderungen von Maxar zu erfüllen. Die Produktentwicklung umfasste Industriedesign, Firmware-­Entwicklung, Elektronikentwicklung, Softwareentwicklung, mechanisches Design, Tests und Verifizierung. Tozen merkt an, dass man sich glücklich schätzen könne, in Estland hervorragende Partner zu haben, von denen einige auch über Erfahrungen in der Raumfahrttechnik verfügten. Krakul übernahm das Industriedesign, die Firmware- und Elektronik­entwicklung und arbeitete mit Insero für das mechanische Design und mit Tauria für die Softwareentwicklung zusammen.

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Anpassungen an extreme Bedingungen auf dem Mond

Im ersten Schritt galt es, die Beschränkungen und Herausforderungen bei der Produktentwicklung, die sich durch die Bedingungen im Weltraum ergeben, und die Einschränkungen bei der Konstruktion des Kameragehäuses zu verstehen. Eine der wichtigsten Erkenntnisse war, dass die beiden für die Mondmission gebauten Stereokameras extremen Bedingungen standhalten müssen. «Während des Starts und der gesamten Mission werden die Kameras auf dem Mond extremen Bedingungen und Temperaturen von –173 bis +100 Grad Celsius ausgesetzt sein. In Anbetracht der anspruchsvollen Umweltgegebenheiten mussten die Ingenieure geeignete Oberflächenbehandlungen für die verschiedenen Komponenten finden, um die Leistung der Elektronik und den Schutz des Kameragehäuses selbst vor Umwelteinflüssen zu gewährleisten. Die Konstrukteure druckten das genaue Modell des Kameragehäuses mit einem 3D-Drucker aus, um sicherzustellen, dass die Elektronik, die Optik und die Teile zusammenpassen und zuverlässig funktionieren. Die Kameras sind aus hochwertigem Aluminium gefertigt, das auch in der Luftfahrtindustrie verwendet wird», erklärt Tozen. Während des Designprozesses wurden mögliche Auswirkungen von Vibrationen und Temperaturänderungen auf die Lösung mit entsprechenden Simulationen getestet. Die Konstrukteure mussten geeignete Oberflächenbehandlungen für die verschiedenen Komponenten finden, um die Leistung der Elektronik und den Schutz des Gehäuses selbst zu garantieren. Nachdem die notwendigen Änderungen vorgenommen wurden, wurden 3D-Modelle ausgedruckt, um zu wissen, dass die Elektronik, die Optik und andere Teile zusammenpassen und zuverlässig funktionieren.

Produktion und Tests der Prototypen

Tests waren ein entscheidender Teil des Prozesses. Bevor die eigentlichen Kameras hergestellt wurden, wurden mehrere Prototypen produziert und getestet. «Die Produktion der Kameraprototypen verlief trotz des engen Zeitplans nach Plan. Die technischen Modelle haben die ersten Überprüfungen am Tartu-­Observatorium der Universität Tartu erfolgreich bestanden», so Tozen. «Wenn man ein Produkt in den Weltraum schickt, gibt es keinen Spielraum für Fehlfunktionen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Qualität des Produkts für die Dauer der Mission sicherzustellen. Die Entwickler haben die Kameras in allen Phasen des Entwicklungsprozesses und schliesslich in der Sternwarte von Tartu gründlich getestet», fügt Tozen hinzu. Die Kameras wurden in einer thermischen Vakuumkammer und auf einem Vibrationsprüfstand getestet und auf ihre mechanische Stossfestigkeit geprüft. Die grösste Herausforderung bestand darin, eine Komplettlösung zu gewährleisten, das heisst den gleichzeitigen Betrieb von zwei Kameras mit allen Funktionen.

Weitere Kooperationen zur Fertigung

Für die Herstellung der Kameras kooperierte Krakul mit Incap Electronics Estonia, um die Elektronik zu produzieren, und mit Radius Machining, um die Mechanik herzustellen. Radius produzierte spezielle mechanische Komponenten aus einer Aluminiumlegierung für die Kameras, die mit Hilfe von CNC-Schneidemaschinen hergestellt wurden. Da jedes Gramm zählt, wenn man ein Produkt in den Weltraum schickt, wurden die Teile so kon­struiert, dass sie sehr leicht und dünn sind. Es wurden grosse Anstrengungen unternommen, um die erforderlichen Toleranzen zu erreichen.

Stereokameras – Bilder, die dem menschlichen Sehen ähneln

Die beiden ins All geschickten Stereokameras erzeugen ein 3D-Bild der Umgebung. «Mit anderen Worten: Stereokameras verwenden zwei Bilder, die sie zu einem räumlichen Bild zusammensetzen, das dem menschlichen Sehen ähnelt. Um die Stereokameras effektiv einsetzen zu können, mussten die Kameras sehr genau kalibriert und charakterisiert werden, da es sonst zu erheblichen Verzerrungen des räumlichen Bildes kommt. Um solche zu vermeiden, werden die Kameras so entwickelt, dass sich ihr Layout und ihre Parameter so wenig wie möglich ändern», erklärt Halapuu. Nachdem CrystalSpace und Krakul die Kameras an Maxar Technologies geschickt hatten, begannen sie damit, die Integration der Stereokameras mit dem Roboterarm zu testen, der auf dem Mond Regolithproben entnehmen wird. Dieser Schritt sollte sicherstellen, dass alle Systeme einwandfrei zusammenarbeiten. Tozen fügt hinzu: «Für unser Unternehmen ist es ein wahr gewordener Traum, an diesem Projekt teilzunehmen. Die Lösungen von Krakul sind auf der Erde, im Weltraum und in den Tiefen der Meere zu finden – und nun bald auch auf der Oberfläche des Mondes».

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