Der maßgeschneiderte Gummi für den Verkehr auf dem Mars
Eine zentrale Herausforderung für Marsmissionen besteht darin, Werkstoffe zu finden, die ihre Eigenschaften und Leistungen über einen weiten Temperaturbereich hinweg beibehalten können. Die Atmosphäre ist schätzungsweise 150-mal dünner als die der Erde(öffnet in neuem Fenster), sodass der Mars die Wärme nicht so gut speichern kann, was zu täglichen Temperaturschwankungen von 50-100 °C führt (je nach gewähltem Landeplatz der Mission). Diese Bedingungen sind besonders für Gummi schädlich, das für die Reifen oder Raupen von Rovern entscheidend ist und schnellere und weitere Fahrten mit schwereren Lasten ermöglicht. „Am 4. Juni 2025 verzeichnete der Curiosity Rover(öffnet in neuem Fenster) tägliche Temperaturschwankungen von zwischen -79 und -30 Grad Celsius(öffnet in neuem Fenster). Selbst bei milderen Schwankungen wird auf der Erde oft zwischen Winter- und Sommerreifen gewechselt“, erklärt Rafal Anyszka(öffnet in neuem Fenster), Projektkoordinator bei RED 4 MARS(öffnet in neuem Fenster), über das ein Gummi entwickelt wurde, der den Temperaturen auf dem Mars standhält. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützt.
Das (marsianische) Rad neu erfinden
Die Marsrover basieren derzeit auf Aluminium – dünnwandigen Rädern, damit sie leichter sind und dennoch eine Höchstgeschwindigkeit von 180 Metern pro Stunde erreichen. Das war für vorherige Rover erfolgreich, doch Curiosity ist jedoch zu schwer für Aluminiumräder, die im Gegensatz zu Gummirädern keine Energie durch Dämpfung abbauen können – was sie unhandlich und unzuverlässig macht. „Einfach gesagt: Wenn wir Fracht und Besatzung mit hoher Geschwindigkeit transportieren wollen, brauchen wir belastbare Rover mit Gummirädern“, sagt Anyszka von der Universität Twente(öffnet in neuem Fenster), dem Projektträger. Im Rahmen des Projekts wurde ein Gummi auf der Grundlage einer Mischung aus zwei Elastomeren(öffnet in neuem Fenster) entwickelt: Silikonkautschuk, der elastischste, mit einer Glasübergangstemperatur (unterhalb derer er seine Elastizität verliert) von etwa -125 °C, und Butadienkautschuk, der weniger elastisch ist, aber gute mechanische Eigenschaften und Verschleißfestigkeit aufweist. Mit Tests wurde das beste Mischungsverhältnis ermittelt, das auch bei sehr niedrigen Temperaturen elastisch bleibt. Aber es blieb eine Herausforderung: Wie bei Wasser und Öl sind diese Elastomere thermodynamisch nicht mischbar, das heißt, sie vermischen sich nicht. Die Lösung bestand in der Zugabe von Rußpartikeln, die die Makromoleküle der beiden Kautschuke adsorbieren und auf mikroskopischer Ebene eine einheitliche Struktur ergeben. Die Zugabe großer Mengen an Füllstoffen erfordert jedoch auch den Einsatz von Verarbeitungshilfsstoffen zur Anpassung der Viskosität der Mischungen. „Verarbeitungshilfsstoffe sind in der Regel Öle, aber da Rover nicht in Druckbehältern transportiert werden, können diese auf die Oberfläche des Gummis gelangen und im Vakuum verdampfen, wodurch die Hardware kontaminiert wird. Deshalb haben wir mit flüssigem Butadienkautschuk eine Alternative gefunden“, erklärt Anyszka. Eine weitere Hürde bestand darin, dass die Elastomere auch unterschiedliche chemische Zusätze für die Vulkanisierung benötigen – ein Aushärtungsprozess, bei dem sich Moleküle chemisch verbinden und ein Netzwerk bilden, das elastisch auf äußere Belastungen reagiert. Das Team entwarf ein klassisches schwefelbasiertes System, bei dem jedoch eine spezielle Sorte Silikonkautschuk mit einer geringen Menge ungesättigter Vinylgruppen verwendet wird, die mit Schwefel reaktiv sind. Die beiden so entstandenen Prototyp-Reifen wurden mechanischen Tests unterzogen, um etwaige Verhaltensänderungen festzustellen, wobei beide ihre viskoelastischen Eigenschaften über den größtmöglichen Temperaturbereich(öffnet in neuem Fenster) beibehielten. „Als wir die wahrscheinliche Alterung unserer Prototypen auf dem Mars maßen, entdeckten wir, dass sie bei den höchsten Strahlungsdosen ihre mechanischen Eigenschaften für mindestens 80 000 Jahre beibehalten können – eine willkommene Überraschung!“, bemerkt Anyszka.
Weitere Anwendungen für mehr irdischen Nutzen
Die Ergebnisse aus RED 4 MARS stellen einen direkten Beitrag zur EU-Weltraumstrategie für Europa(öffnet in neuem Fenster) dar, insbesondere zu den Bestrebungen, einen innovativeren und weltweit wettbewerbsfähigen europäischen Raumfahrtsektor zu fördern. Die Projektergebnisse sind bereits offen zugänglich(öffnet in neuem Fenster) und Veröffentlichungen stehen aus. Das Team ist derzeit auf der Suche nach Partnern, um kommerzielle Möglichkeiten zu erkunden. „Die Kälteelastizität unseres Kautschuks macht ihn perfekt für eine Reihe von Anwendungen, wie Polarmissionen für die wissenschaftliche Forschung oder die Exploration von Ressourcen. Außerdem könnte seine hohe Verschleißfestigkeit einige derzeitige Gummianwendungen ersetzen und die Ablösung von Mikroplastik verringern“, sagt Anyszka.
