Scheitern kommt nicht in Frage Timken Ingenieure entwickeln Wälzlager für den nächsten Mars-Rover

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Scheitern kommt nicht in Frage Timken Ingenieure entwickeln Wälzlager für den nächsten Mars-Rover

Für 2021 ist die Landung eines neuen Rovers auf dem Mars geplant, der nach Lebenszeichen archaischer Mikroorganismen suchen soll. An jenem Tag wird John Renaud, leitender Anwendungsingenieur bei Timken, wahrscheinlich seinen Arm in die Luft recken und einen Freudenschrei  ausstoßen. Immerhin hat er die Wälzlager für die Landebremse, die den Rover während der Sinkflugphase auf die Marsoberfläche ablässt, entwickelt.

Aber laut Renaud war die Entwicklung dieser Wälzlager vor zwei Jahren lediglich Teil seiner alltäglichen Arbeit. Sein Vorgesetzter, John Lowry, Chefingenieur für Luft- und Raumfahrt, erklärt das ein wenig näher: „John ist schon in gewisser Weise ein Experte für Raumfahrt.“ Die Entwicklung von Präzisionslagern für Anwendungen wie die Mars-Rover ist Teil des Jobs.

Der derzeit aktive Curiosity-Rover verwendete während des Sinkflugs auf den Planeten ebenfalls Wälzlager von Timken, genauso wie zuvor die Rover Spirit und Opportunity. Curiosity ist außerdem mit Timken Wälzlagern in der Nabe seines Karussellsystems ausgestattet. Dieses dreht sich, um Probenbecher zur Aufnahme und Analyse von Gesteins-, Boden- und Atmosphärenproben zu positionieren. Zwei 1/4-Zoll (6,35 mm)-Wälzlager von Timken befinden sich außerdem in einer winzigen Vakuumpumpe, die die Analysegeräte der Rovers unterstützt.

Der Wert eines 1/4-Zoll-Wälzlagers

Wenn man darüber nachdenkt, hat Renaud nicht ganz Unrecht – diese ganze Mars-Rover-Angelegenheit ist nicht sonderlich überraschend. Jede sich drehende Maschine benötigt Wälzlager, egal ob sie im Weltraum oder auf der Erde arbeitet. Timken fertigt seit fast 120 Jahren Wälzlager – es sollte also nicht verwunderlich sein, dass wir auch ein paar auf dem Mars haben.

Was vielleicht überraschen könnte, ist wie wichtig diese Wälzlager sind. „Nicht alle Wälzlager sind gleich“, sagt Renaud. „Winzige Abweichungen wie 2,5 Mikron (2,5 Tausendstel Millimeter) in die eine oder andere Richtung können zwischen Funktionieren und Ausfall der Komponente entscheiden“, sagt er.

Und Scheitern kommt nicht in Frage. Wenn eine Komponente im Weltraum ausfällt, ist niemand da, der sie reparieren kann, was die gesamte Mission gefährden könnte. Für den Rover Curiosity hätte das kurz nach der Landung auf dem Roten Planeten das Ende bedeuten können – nach Investitionen in Höhe von 2,5 Mrd. USD und acht  Jahren Planung und Entwicklung.

Stattdessen landete Curiosity am 6. August 2012 sanft auf der Aeolis-Palus-Ebene und erkundet seitdem die Marsoberfläche. Seit sechs Jahren schickt er Fotos und Analysen zur Erde zurück – wesentlich länger als die erwartete Lebensdauer von 23 Monaten – und schreibt mit seinen Entdeckungen Geschichte.

Herausforderungen für Anwendungen im Weltraum

Als Anwendungsingenieur löst Renaud eine Vielzahl von Problemen. Projekte zur Landesverteidigung, Satelliten, Sensoren und Gyroskope von Yachten sind nur einige Beispiele seiner Arbeit. Oft sieht er nur die Umweltfaktoren und die Belastungszustände – d. h. die externen Anforderungen, die das Wälzlager bewältigen muss. „Wir bekommen Kurzbezeichnungen oder einen Programmnamen, aber manchmal sind die Projekte auch geheim“, sagt er. „Und wo wird das Wälzlager eingebaut? Das können wir Ihnen nicht sagen.“

Bei Weltraumanwendungen kommen mehrere Faktoren ins Spiel, die bei erdgebundenen Projekten weniger wichtig sind. Zuallererst, so Renaud, sind die extremen Temperaturen, Vibrationen und Beschleunigungskräfte beim Start zu berücksichtigen.

Normalerweise lassen Timken Ingenieure die vom Kunden bereitgestellten Belastungsbedingungen unter Syber laufen, der firmeneigenen Modelliersoftware Timkens, die „simuliert, wie das Wälzlager auf die angewandten Lasten reagiert, und die Kontaktspannungen und Wellendurchbiegungen untersucht, um zukünftige Probleme zu vermeiden“, sagt er.

Wälzlager in Weltraumanwendungen arbeiten häufig unter Vakuumbedingungen, die dazu neigen, alles auszutrocknen.  Daher wurde für die Wälzlager des Curiosity-Rovers ein spezielles Fett-Öl-Gemisch zur Schmierung entwickelt. Ausgasen kann im Weltraum ebenfalls problematisch sein. „Wenn wir mit einem unbeständigen Material arbeiten, könnte es alle Komponenten in einem Satelliten einschließlich der Instrumente kontaminieren“, sagt Lowry.

Wälzlager im Weltraum müssen außerdem unglaublich präzise sein, besonders wenn es um die Positionierung und Fokussierung von Objekten aus einer Umlaufbahn heraus geht. Wenn ein Wälzlager nicht sauber läuft, kann das die präzise Positionierung eines Satelliten beeinträchtigen, und Vibrationen könnten an den restlichen Satelliten übertragen werden. Das könnte zum Beispiel den Empfang eines scharfen Bildes unmöglich machen.

„Wenn Sie jemals versucht haben, Ihre Kamera bei einem Konzert auf die Bühne zu fokussieren, wissen Sie, wie schwer es ist, Ihre Hand ruhig zu halten, um bei dieser Entfernung ein scharfes Bild zu erhalten“, sagt Lowry. „Jetzt stellen Sie sich das bei einer Entfernung im Weltraum vor. Wenn Sie versuchen, einen Satelliten auszurichten oder ein Instrument zur Datenerfassung zu fokussieren, ist die Übertragung von Vibrationen ein wesentlicher Faktor. Unter diesem Gesichtspunkt können die Anforderungen eine extreme Herausforderung darstellen.“

Eine Firmenkultur, die Zusammenarbeit schätzt

Renaud ist seit 11 Jahren bei Timken beschäftigt. Er begann seine Karriere als Produktingenieur, nachdem er sein Studium an der University of Massachusetts Lowell mit einem Diplom in Maschinenbau abgeschlossen hatte.  Lowry feiert demnächst sein 20-jähriges Jubiläum bei Timken. Nach einer Karriere in Forschung und Entwicklung und im Programmmanagement übernahm er 2011 den Posten als Chefingenieur für den Bereich Luft- und Raumfahrt.

„Unmittelbar vor meiner Versetzung in den Bereich Luft- und Raumfahrt habe ich an Wälzlagern für Windkraftanlagen mit einem Durchmesser von 3 bis 3,7 m gearbeitet“, sagt Lowry. „Hier in meinem neuen Bereich gibt es Wälzlager, die nur 1/4 Zoll oder 6,35 mm groß sind.“

Sowohl Renaud als auch Lowry arbeiten gerne an einer Vielzahl unterschiedlicher Projekte. „Jeder Tag bringt etwas Neues“, sagt Renaud.

Bei Arbeiten an Weltraumprogrammen, die Milliarden US-Dollar kosten, stehen Genauigkeit und Präzision jedoch zweifellos im Mittelpunkt. Detailgenauigkeit ist äußerst wichtig, ebenso wie eine Teamkultur, die größten Wert auf offene Kommunikation legt.

„Unsere Mitarbeiter sind hier, um Probleme zu lösen“, sagt Lowry. „Sie zeichnen sich durch offene, ehrliche und zugängliche Zusammenarbeit aus. Das ist eine der Eigenschaften, die mir an meiner Arbeit bei Timken am besten gefällt.“

Timken engineers, John Renaud (left) and John Lowry (right)

Welchen Rat können sie jungen Ingenieuren geben, die ihr nächstes Weltraumprojekt planen? „Stellen Sie viele Fragen“, sagt Lowry. „Bleiben Sie neugierig.“

„Die ursprünglichen Experten auf diesem Gebiet erreichen allmählich das Ende ihrer Karriere und eine jüngere Generation übernimmt diese Rollen. Kunden werden sich vielleicht in verstärktem Maße für Unterstützung an uns wenden.“

Renaud stimmt dem zu. „Lernen Sie von Ihren Mitarbeitern“, meint er. „Diejenigen, die den Job seit vielen Jahren verrichten, sind Ihre beste Wissensquelle.“

Gleichzeitig findet in der Weltraumindustrie eine rasche Weiterentwicklung statt. „Satelliten werden zunehmend kleiner und kostengünstiger“, sagt Renaud. „Wenn ein Unternehmen eine Flotte relativ preiswerter, kleiner Satelliten in eine Umlaufbahn bringt, ist es manchmal akzeptabel, wenn ein paar davon ausfallen.“ Das ist eine Realität, an die sich Renaud und das Timken Team erst noch gewöhnen müssen.

„Verglichen mit der Raumfahrt früherer Zeiten ist das eine ganz andere Welt“, sagt Lowry. Aber er freut sich auf die neue Herausforderung. Timkens Expertise und das Modell der Zusammenarbeit – in Verbindung mit den neuen Ideen und Denkweisen der nächsten Generation – wird auch in Zukunft zweifellos eine wichtige Rolle spielen, um die Anforderungen kleinerer, agilerer Raumfahrtfirmen zu erfüllen.