Winzige Drohnen: Fliegende „Nano-Pappen“ könnten den Mars aus der Luft erforschen

Im Sommer 2020 plant die NASA den Start ihres nächsten wichtigen Marsrovers. Dabei wird „Perseverance“ erstmals ein Flugzeug mit sich führen. Der „Mars Helicopter“ soll als erster seiner Art über einen fremden Planeten fliegen, jedoch ohne Instrumente. Die NASA beschreibt das bloße Fliegen als „Forschung mit hohem Risiko und hoher Belohnung“.

„Der Mars-Hubschrauber ist sehr aufregend, aber es ist immer noch eine einzige, komplizierte Maschine“, sagte Professor Igor Bargatin von der Pennsylvania University. „Wenn etwas schiefgeht, ist das Experiment beendet, da es keine Möglichkeit gibt, es zu beheben. Wir schlagen einen völlig anderen Ansatz vor.“

Angesichts der Risiken eines „außerirdischen“ Fluges schlagen er und Studien Co-Autor John Cortes eine Flotte winziger Flugzeuge – Drohnen – vor, die jeweils etwa so viel wie eine Fruchtfliege wiegen und keine beweglichen Teile haben. Diesen völlig anderen Ansatz um den Himmel anderer Welten zu erkunden, veröffentlichten die Forscher in der Zeitschrift „Advanced Materials“.

Hochmoderne, flugfähige Nano-Drohnen aus Aluminium

Die vorgeschlagenen Flugobjekte sind Platten aus „Nano-Pappen“, diese beginnen zu schweben, wenn helles Licht auf sie fällt. Wenn sich eine Seite der Platte erwärmt, zirkuliert die Luft durch ihre namens-gebende, hohle Struktur und schießt aus den Kanälen an der Unterseite. Damit stößt sie sich vom Boden ab.

Eine kürzlich veröffentlichte Studie demonstriert die Flug- und Nutzlasttragfähigkeit besagter Nano-Pappen in einer Umgebung ähnlich der des Mars. Die dünnere Atmosphäre würde den Flugobjekten einen Schub geben und es ihnen ermöglichen, Nutzlasten zu tragen, welche zehnmal so groß sind wie die Fluggeräte selbst. Die schwächere Marsgravitation würde ihre Fähigkeiten weiter verbessern.

Wissenschaftler um Bargatin experimentierten und verbessern seit 2017 das Design der Nano-Pappen. Inspiriert von dem üblichen Verpackungsmaterial arbeiteten sie mit Forschern des Singh-Zentrums für Nanotechnologie zusammen, um ein rekordverdächtiges Verhältnis von Gewicht und Steifheit zu erreichen.

Wie Papierkarton und andere „Sandwich-strukturierte Verbundwerkstoffe“, die in der Architektur und in der Luftfahrt verwendet werden, beruhen die Materialeigenschaften von Nanokarten auf Wellen. Diese Riffelung besteht aus einer hohlen Platte aus Aluminiumoxidwänden, die nur wenige Nanometer dick sind. Durch regelmäßige Muster von Kanälen, die die Platte überspannen, wird ihre Biegesteifigkeit verbessert und die Ausbreitung von Rissen verhindert.

Nutzlast von wenigen Milligramm

„Der Luftstrom durch diese Mikrokanäle wird durch ein klassisches Phänomen verursacht, das als ‚thermisches Kriechen‘ bezeichnet wird“, sagt einer der leitenden Wissenschaftler. Die kürzlich durchgeführte Studie ermöglichte es den Forschern, die Fähigkeiten der Flugobjekte zu messen und Scheinnutzlasten anzuheben.

Aber selbst in der idealen Umgebung der Marsatmosphäre wären die winzigen „Flugblätter“ immer noch auf Sensoren und Nutzlasten beschränkt, die höchstens einige Milligramm betragen. Aus diesem Grund arbeitet Bargatin jetzt mit anderen Forschern zusammen, um chemische Sensoren zu miniaturisieren.

„Zusätzlich zum Tragen von Sensoren“, sagt Bargatin, „könnten unsere Flugobjekte einfach landen und Staub- oder Sandkörner passiv an ihnen haften lassen und sie dann zurück zum Rover transportieren, damit er nicht so weit fahren muss.“

„Für Satelliten zu niedrig, für Flugzeuge zu hoch“

Der Rover könnte auch eine Möglichkeit bieten, die Nano-Drohnen zu steuern. Obwohl sie keine beweglichen Teile haben, können sie über einen Punktlaser gesteuert werden – da die Richtung der aus ihren Kanälen strömenden Luft davon abhängt, welche Teile der Platte erwärmt werden.

„Die Mesosphäre der Erde ist in Bezug auf die Dichte der Marsatmosphäre ziemlich ähnlich, und wir haben derzeit nichts, was dort fliegt, da sie für Weltraumsatelliten zu niedrig, für Flugzeuge und Ballons zu hoch ist“, sagt Bargatin. „Idealerweise möchten Sie dort oben auch einige Sensoren haben. Je mehr Wissen Sie über die Bewegung der Atmosphäre auf dieser Ebene haben, desto bessere Vorhersagen können Sie über das [Mars-]Klima und sogar das Wetter treffen.“ (cs)