Wenn Hersteller neue Antriebsstränge entwickeln, testen sie diese häufig unter den extremsten Bedingungen auf der Erde. Der vollelektrische Rolls Royce Spectre beispielsweise wurde Temperaturen von bis zu - 40 Grad Celsius und + 50 Grad ausgesetzt, damit die Ingenieure feststellen konnten, wie seine Reichweite unter extremen Bedingungen ausfallen würde.

Diese extremen Klimabedingungen sind für BEVs von entscheidender Bedeutung, da die Batterien bei eisigen oder sengenden Temperaturen stark an Leistung verlieren.

Bildergalerie: The Boeing/Delco Lunar Roving Vehicle (LRV)

Es gibt jedoch kein Klima auf der Erde, das mit der Intensität des Mondes vergleichbar wäre. Tagsüber herrschen dort 120 Grad Celsius, nachts -130 Grad Celsius, und das in den gemäßigten Zonen des Mondes. Wie ist es der NASA also gelungen, bereits in den 1970er -Jahren ein elektrisches Mondauto zu bauen, der unter solch extremen Bedingungen arbeiten konnte?

Eine sehr teure Pferdestärke

Obwohl bereits seit Beginn des Apollo-Programms an einem Mondfahrzeug gearbeitet wurde, wurde der erste Mondrover - offiziell als Lunar Roving Vehicle (LRV) bezeichnet - erst nach der vierten bemannten Mondlandung, Apollo 15, im Jahr 1971 gestartet. Die Ziele für das LRV waren einfach: die Fläche, die die Astronauten erkunden konnten, sollte vergrößert werden, und es sollte helfen, Mondgestein zur Mondlandefähre zurückzubringen. 

NASA LRV (Lunar Roving Vehicle)

In der Raumfahrt ist es jedoch nicht immer einfach, einfache Anforderungen zu erfüllen.

Die Notwendigkeit, das Gewicht des LRV zu reduzieren, erforderte eine unglaublich hochtechnologische Konstruktion. Durch den großzügigen Einsatz von Aluminium und Titan konnte das Gewicht des LRV auf nur 209 kg gesenkt werden, trotzdem betrug seine Nutzlast mehr als 450 kg.

Es musste faltbar sein, um auf der Mondlandefähre verstaut werden zu können; nach dem Start ließ es sich auf eine Dicke von nur 50 cm zusammenfalten. Es hatte verzinkte Räder aus Stahlgeflecht, die sich verformen und wieder in ihre Form zurückfedern konnten, anstatt zu platzen oder sich zu verbiegen, um Pannen auf zerklüfteten Felsen zu vermeiden. Die Ingenieure gaben ihm einen unabhängigen Allradantrieb und eine Vierradlenkung für maximale Traktion und Manövrierfähigkeit.

Der Energiebedarf war minimal, da das LRV im leichteren Gravitationsfeld des Mondes nur rund 35 kg wiegen würde. Daher verfügte es über eine Gesamtleistung von nur 1 PS (0,75 Kilowatt), die von vier in Reihe gewickelten Gleichstrommotoren mit einer Leistung von einem Viertel PS (einer an jedem Rad) bereitgestellt wurde.

Jeder Motor verfügte über einen eigenen harmonischen Antrieb mit einer 80:1-Getriebeuntersetzung, um Drehmoment und Ansprechverhalten zu verbessern. Die Motorgehäuse wurden mit einem Druck von 7,5 PSI beaufschlagt, um zu verhindern, dass Staub in die Gehäuse eindringt und die Bürsten beschädigt. Die offizielle Höchstgeschwindigkeit betrug 8 mph (etwa 13 km/h), obwohl der Lunar Rover bei Apollo 17 11 MPH erreichte, als der Astronaut Eugene Cernan sie mit einer vollen Ladung Mondgestein einen Hügel hinunterfuhr. 

Ursprünglich betrug das Budget für das LRV "nur" 19 Millionen Dollar; durch Kostenüberschreitungen belief sich die endgültige Rechnung auf 38 Millionen Dollar, was es zum schlechtesten Dollar-pro-PS-Geschäft der Geschichte machte.

NASA LRV (Lunar Roving Vehicle)

Erste Fahrt: Das 1971 Boeing/Delco Lunar Roving Vehicle

Da das LRV nur über eine geringe Leistung verfügte, war ein leichtes, kompaktes Akkupaket erforderlich, nicht ein großes mit hoher Kapazität. Da es für den einmaligen Gebrauch gedacht war (alle drei LRVs, die jemals zum Mond gebracht wurden, sind immer noch auf dem Mond geparkt), mussten die Batterien auch nicht wiederaufladbar sein.

Daher wurden zwei 36-Volt-Silberzinkbatterien mit einer Kapazität von 4,1 Kilowattstunden verwendet - weit entfernt von den 80+ kWh-Batteriepacks moderner Autos. Silber-Zink-Batterien sind nur geringfügig wiederaufladbar und halten zwischen 10 und 50 Zyklen. Sie besaßen jedoch die höchste Energiedichte aller vor der Entwicklung von Lithiumzellen existierenden Batterien, nämlich etwa 220 Wh/kg (im Vergleich zu den 270 Wh/kg der modernen Lithium-Ionen-Batterien). Für Einweganwendungen waren sie in den 1970er Jahren unschlagbar. Infolgedessen waren Silber-Zink-Batterien sowohl in den USA als auch in der Sowjetunion der Goldstandard für Luft- und Raumfahrtbatterien. 

Die nutzbare Gesamtreichweite des Batteriepaars wurde bei normalem Betrieb mit 57 Meilen (knapp 92 km) angegeben, wobei eine Batterie die Vorderräder und eine die Hinterräder versorgte. Die Doppelbatterie-Konstruktion war auf Redundanz ausgelegt, so dass bei Ausfall einer Batterie die andere immer noch die gesamte LRV versorgen konnte. Dies verringerte die sicher nutzbare Reichweite.

Die Planer der NASA wollten auch nicht zulassen, dass sich die Astronauten mit dem LRV weiter von der Landefähre entfernen, als sie zu Fuß gehen können, falls es zu einem Totalausfall kommt. Dadurch wurde der Aktionsradius auf sechs Meilen (etwa 10 km) begrenzt. Die weiteste Strecke, die ein LRV jemals bei einer einzelnen Mission zurückgelegt hat, war die letzte bemannte Mondlandung, Apollo 17, bei der die Astronauten während der dreitägigen Expedition etwas über 35 km zurücklegten (einschließlich einer kontinuierlichen Fahrt von rund 19 km). 

In einem Jahrzehnte später geführten Interview mit Wired erinnerte sich der Astronaut (und Rover-Fahrer) Charles Duke daran, dass bei Apollo 16 trotz der über 24 km langen Fahrt mit dem LRV "uns nicht einmal annähernd der Strom ausgegangen ist".

NASA LRV (Lunar Roving Vehicle) from the Lunar Rover Manual

Heiße Spiegel auf dem LRV

Die Temperaturkontrolle war unerwartet schwierig. Silberzinkbatterien funktionieren bei kalten Temperaturen schlecht, aber das LRV war nur für den Einsatz während der 15 Erdtage langen Tageszeit auf dem Mond gedacht, was bedeutete, dass die Vermeidung von Überhitzung das Hauptanliegen war. Die Mondoberfläche selbst kann während dieser zweiwöchigen Tage Temperaturen erreichen, die heißer sind als kochendes Wasser, aber da der Mond keine Atmosphäre hat, schwanken die lokalen Temperaturen stark und werden in erster Linie durch die Zeit bestimmt, die direkt im Sonnenlicht verbracht wird.

Die maximale Betriebstemperatur der Batterie war auf 52 °C (125 °F) und die maximale Überlebenstemperatur auf 60 °C (140 °F) ausgelegt, die sie schnell überschreiten würde, wenn sie zu lange dem hellen Tageslicht ausgesetzt wäre.

Dieses Problem konnte während des Transports leicht gelöst werden: Das LRV wurde flach zusammengefaltet an der Außenseite der Mondlandefähre gelagert. Die Landefähre drehte sich langsam wie ein Grillhähnchen, während sie den Mond umkreiste, und verteilte das direkte Sonnenlicht gleichmäßig auf beide Seiten, so dass die Temperaturen überschaubar blieben. Auf der Mondoberfläche konnte man sich jedoch nicht vor den Sonnenstrahlen verstecken, und die Batterien würden ihre Höchsttemperatur von 60 Grad Celsius schnell überschreiten. 

Um dieses Problem zu lösen, wurden beide Batterien mit passiven Kühlern ausgestattet. Anstelle eines herkömmlichen aktiven Flüssigkeitskühlsystems verwendeten die Ingenieure Spiegel aus Quarzglas, um so viel Licht zu reflektieren und so viel Wärme abzuleiten, wie dies physikalisch möglich war. Wenn sich das LRV bewegte, wurden die Spiegel mit einem Staubschutzschild abgedeckt, um zu verhindern, dass der extrem feine Mondboden die Spiegel beschichtet, was ihre Fähigkeit, Licht zu reflektieren und Wärme abzustrahlen, beeinträchtigen würde.

NASA LRV (Lunar Roving Vehicle)

Krise bei Apollo 16

Das funktionierte... bis zu einem gewissen Grad. Bei Apollo 15 hielten die kurzen Fahrten und der niedrige Sonnenstand die Temperaturen der Batterien im normalen Bereich, aber bei Apollo 16 herrschten am Landeort höhere Temperaturen. Erschwerend kam hinzu, dass das LRV durch einen frühen Unfall einen Kotflügel verlor. Eine Wolke aus feinem Staub folgte dem Rover auf Schritt und Tritt und bedeckte alles - auch die Spiegel.

Die Batterien ließen sich zwischen den Fahrten nicht abkühlen, auch nicht nach dem Entfernen der Hitzeschilde und dem Abbürsten der Spiegel, da der Mondboden die Wärme zu gut speicherte. Die Batterien konnten leicht abgekühlt werden, indem man das LRV im Schatten abstellte, aber wenn es zu lange im Schatten blieb, würde die extreme Kälte andere elektrische Komponenten zerstören. 

Die Missionskontrolle ließ die Astronauten von einer Batterie zur anderen wechseln, um die Stromversorgung zu gewährleisten und zu versuchen, jede Batterie für längere Zeit abkühlen zu lassen. Trotzdem überschritten die LRV-Batterien bei der letzten Exkursion am dritten Tag von Apollo 16 ihre maximale Überlebenstemperatur und erreichten am Ende der Mission eine Temperatur von 62 Grad Celsius. Glücklicherweise funktionierten die LRV-Batterien trotz der sengenden Temperaturen einwandfrei, und die Astronauten mussten nicht nach Hause laufen. Bei Apollo 17 sorgten eine sorgfältige Staubkontrolle und das Abstellen des LRV in größerer Entfernung von der Mondlandefähre, die immense Wärmemengen abstrahlte, dafür, dass die Batterietemperaturen in einem akzeptablen Bereich blieben. 

NASA LRV (Lunar Roving Vehicle)

Zu Artemis und darüber hinaus

Während die NASA mit dem Artemis-Projekt die Rückkehr der Menschheit zum Mond geplant hat, gibt es noch keine offiziellen Angaben darüber, welches Auto als nächstes aufsteigen wird, obwohl es viele Anwärter gibt - einerdavon ist ein von Ultium angetriebenes Gemeinschaftsprojekt von GM und Lockheed.

Auch wenn die Zukunft von Ultium noch in der Schwebe ist, ist es wahrscheinlich, dass das Fahrzeug, das als nächstes den Mond durchquert, Lithium-Ionen-Batterien verwenden wird, genau wie irdische Elektrofahrzeuge, mit ähnlichen Temperaturmanagementstrategien. Wahrscheinlich wird der neue Rover auch über Fernsteuerungsmöglichkeiten verfügen, wie die VIPER-Mondrover-Sonde der NASA, die noch in diesem Jahr starten soll.

Mit einer Sache werden die Ingenieure aber auf jeden Fall zu kämpfen haben: Staub. Staub ... Staub ändert sich nie.