Die NASA ist wieder dabei, an der Zukunft des Fliegens auf dem Mars herumzubasteln – weil es offenbar nicht genug war, einmal einen Hubschrauber auf einem anderen Planeten zu fliegen. Forscher entwickeln Rotorblätter, die zukünftigen Mars-Hubschraubern ermöglichen könnten, höher, weiter und generell mehr anzugeben als der tapfere kleine Ingenuity, der als erstes motorisiertes Luftfahrzeug auf einem anderen Planeten Geschichte schrieb. Die SkyFall-Mission, deren Start für 2028 geplant ist, wird ein Trio von Hubschraubern zum Mars schicken und auf diesem Erbe aufbauen – mit Blättern, die für die lästige dünne Atmosphäre des Roten Planeten ausgelegt sind und eine geschwungene Kante aufweisen, die an irdische Blätter erinnert, sich aber von ihnen unterscheidet. Denn warum sollte man es einfach machen?

Der wahre Spaß beginnt mit dem Unkonventionellen: dünnere, schärfere Blätter, die die Reichweite einzelner Flüge für Missionen nach SkyFall erweitern könnten. Ein Team am Ames Research Center der NASA im Silicon Valley in Kalifornien hat zusammen mit dem Imperial College London und der Universität Nagoya in Japan einen neuen Blattquerschnitt – oder ein Profil – getestet, das den Namen roamx-0201 trägt. Mit fortschrittlichen Simulationen und auf Marsbedingungen abgestimmten Algorithmen kamen sie zu einer dünneren, asymmetrischen Form, die die aerodynamische Leistung deutlich steigern soll. Windkanaltests bestätigten, dass das Design nicht nur die Leistung verbesserte, sondern sich auch in riskanten Flugbedingungen besser erholte. Denn nichts sagt 'gutes Design' wie das Überleben des aerodynamischen Äquivalents eines schlechten Tages.

Die Zahlen sind beeindruckend: Hochpräzise Simulationen zeigten, dass die überarbeiteten Blätter die in einem ununterbrochenen Flug zurückgelegte Strecke von Ingenuitys 0,7 Kilometern auf bis zu 18,7 Kilometer ausdehnen könnten – und dabei wissenschaftliche Instrumente tragen. Das ist eine etwa 26-fache Steigerung oder ungefähr die Entfernung vom NASA-Hauptquartier zu einer anständigen Tasse Kaffee. Die Ergebnisse wurden in einem am 22. September veröffentlichten Artikel im Journal des American Institute of Aeronautics and Astronautics bekannt gegeben, wo Aerodynamiker vermutlich hingehen, um anzugeben.

Warum funktionieren diese Blätter also so gut? Zum Teil, weil sie länger bei höheren Geschwindigkeiten betrieben werden können, bevor sie die 'Drag Divergence' erreichen – ein Phänomen, bei dem die Leistung plötzlich abfällt, wenn sich die Rotoren der Schallgeschwindigkeit nähern, die auf dem Mars niedriger ist als auf der Erde. Man kann es sich als das aerodynamische Äquivalent vorstellen, bei Autobahngeschwindigkeit in ein Schlagloch zu geraten. Die roamx-0201-Blätter unterscheiden sich auch darin, wie sie Turbulenzen nutzen, um Auftrieb zu erzeugen. Wenn Luft über ein Blatt strömt, bildet sie eine dünne Region, die 'Grenzschicht' genannt wird. Das neue Profil stört diese Strömung absichtlich an der Vorderkante, um eine Störung zu erzeugen, die – kontraintuitiv – das Blatt nach oben zieht und dem Rotorfluggerät effektiver Auftrieb verleiht als frühere Designs. Es ist, als würde man absichtlich stolpern, um das Gleichgewicht zu halten, nur mit mehr Wissenschaft.

Eine weitere Herausforderung ist der 'Strömungsabriss', bei dem die Leistung stark abfällt und der Flug nach einer Änderung des Anströmwinkels instabil wird. Die Blätter von Ingenuity zeigten beim Strömungsabriss eine starke Leistungsverschlechterung, aber unter den untersuchten Bedingungen zeigte das roamx-0201-Design ein deutlich verbessertes Strömungsabrissverhalten. Das bedeutet, dass zukünftige Hubschrauber sicher in einem breiteren Bereich von Flugwinkeln operieren könnten – immer ein Plus, wenn man in einer Atmosphäre fliegt, die nur 1 % so dicht ist wie die der Erde und es keine Pannenhilfe gibt.

Obwohl die Technologie noch nicht für den Mars bereit ist, helfen die Tests den Ingenieuren, Diskrepanzen zwischen computergestützten Vorhersagen und realer Leistung zu verstehen und zu beheben – eine Lücke, die so manche Simulation gedemütigt hat. Laufende Forschungen bei der NASA zielen darauf ab, effizientere Mars-Hubschrauber zu ermöglichen, die weiter fliegen, mehr Nutzlast tragen und neue wissenschaftliche und Entdeckungsmissionen ermöglichen können. Denn wenn wir schon den Mars erkunden, dann bitte mit Stil, Reichweite und einer gesunden Missachtung der uns bekannten Gesetze der Aerodynamik.