EurEx

Europa-Explorer

Das Projekt Europa-Explorer stellt eine Voruntersuchung für zukünftige Missionen zum Jupitermond Europa dar, die sich vornehmlich auf die Aspekte der Navigation einer robotischen Sonde innerhalb des unter seiner Oberfläche aus Eis vermuteten Ozeans sowie der Penetration des Eismantels konzentriert. Um dies zu erreichen wird ein mögliches Missionsszenario erarbeitet, welches alle Aspekte eines autonomen Explorationsvorgangs vom Zeitpunkt der Landung bis zur Rückübermittlung der gewonnenen Daten betrachtet. Um die Machbarkeit dieses Szenarios zu demonstrieren, wird ein Experimentalsystem aufgebaut, welches in der Lage ist eine Analogmission in einer geeigneten Umgebung auf der Erde durchzuführen. Die so gewonnenen, fundierten Erkenntnisse können in zukünftige Planungen für eine Realmission einfließen.

Laufzeit: 01.12.2012 bis 30.04.2016
Zuwendungsempfänger: Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH
Fördergeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Förderkennzeichen: Das EurEx Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWI) gefördert (Kennziffer 50 NA 1217).
Anwendungsfelder: Unterwasserrobotik
Weltraumrobotik
Verwandte Projekte: CUSLAM
Lokalisierung und Kartenerstellung in beengten Unterwasserumgebungen (09.2009- 07.2012)
Verwandte Robotersysteme: DeepLeng
Exploration-AUV for Long-Term Missions
AUVx
A miniaturized autonomous underwater vehicle
Flatfish
Subsea-resident AUV
Teredo IceShuttle
Through-Ice-Cap Transfer-Vehicle & Base Station
Leng
Exploration AUV for long-distance-missions
DAGON
BlueROV2
Dokumentations-Fahrzeug
BlueROV2
Documentation vehicle
AUVx
Ein miniaturisiertes autonomes Unterwasserfahrzeug
DeepLeng
Explorations-AUV für Langstreckenmissionen
Flatfish
Getaucht verbleibendes AUV
Teredo IceShuttle
Nutzlasttransfer durch Eis & Basisstation
DAGON
Leng
Explorations-AUV für Langstreckenmissionen

Projektdetails

Schematische Darstellung des Missionsablaufes. 0) Eisbohrer hat den Eisschild durchbrochen. 1) AUV wurde aus dem Nutzlastkompartment ausgekoppelt, autarke Lokalisationsbojen werden ausgesandt. 2) AUV sinkt passiv bis zum Meeresboden. 3) Erkundung des Meeresbodens mit Kameras/Sonar, Lokalisation über interne Sensorik und autarke Lokalisationsbojen. 4) Passives Aufsteigen. 5) Rückkehr zum Eisbohrer und Andocken zum Daten-/Energieaustausch. (Quelle: DFKI GmbH)
Das AUV Leng über dem Becken der Maritimen Explorationshalle des DFKI. (Foto: Bilal Wehbe, DFKI GmbH)
Das AUV Leng beim Aufbruch zu einem Tauchgang durch das Salzwasserbecken der Maritimen Explorationshalle des DFKI. (Foto: Annemarie Hirth, DFKI GmbH)
Das IceShuttle Teredo in voller Länge (Foto: Jan Albiez, DFKI GmbH)

Das Projekt Europa-Explorer stellt eine Voruntersuchung für künftige Missionen zum Jupitermond Europa dar, die sich vornehmlich auf die Aspekte der Navigation von robotischen Systemen auf und vor allem unter seiner Oberfläche konzentrieren. Auf Europa wird unter einer Eisdecke mit einer Dicke von 3-15 Kilometern ein Ozean aus flüssigem Wasser vermutet. Für die Erkundung dieses Ozeans ist ein vollautonomes System notwendig, welches nach der Landung auf dem Mond ohne Steuerung von außen (Zeitverzögerung 33-53 Minuten) folgende Aufgaben durchführen soll:

  • Durchbrechen des Eisschildes
  • Ausbringen eines Erkundungs-AUVs
  • Absinken des AUVs bis zum Meeresgrund
  • Vollautonome Exploration und Sammeln von Messdaten
  • Rückkehr zur Eintrittsstelle
  • Andocken an den Eisbohrer
  • Rückkehr zur Oberfläche

Im Rahmen des Projekts Europa-Explorer soll der Machbarkeitsnachweis einer solchen Mission in einem terrestrischen Szenario geführt werden. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf den beiden Aspekten sichere Navigation unter Eis sowie Integration aller Teilkomponenten in ein funktionales autonomes Gesamtsystem aus Penetrationssystem und Erkundungssystem. Eine potentielle Mission soll im Rahmen einer Machbarkeitsanalyse unter Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung untersucht werden. Dafür werden in einem zweistufigen Prozess zuerst die genauen zu erwartenden Umgebungsbedingungen für die Mission auf Europa untersucht, die dann als Grundlage für Validierungsversuche in der terrestrischen Umgebung dienen. Im zweiten Schritt wird das innerhalb von Europa-Explorer erarbeitete Missionskonzept auf seine Eignung im Detail untersucht. In diesem letzten Schritt soll im Ausblick auf zukünftige Vorhaben auch ein mögliches Konzept für die Gesamtmission vom Start auf der Erde bis zur Landung auf Europa und dem Einsatz des Explorationssystems skizziert werden.

Zur Evaluation der Entwicklungen in diesem Projekt sollen das Erkundungsfahrzeug (AUV) und der Eisbohrer mit zugehörigem Nutzlastkompartment als Experimentalplattform aufgebaut werden. Die Notwendigkeit zum Eigenbau dieser Systeme liegt an dem hohen Spezialisierungsgrad beider Komponenten: Wie bereits oben beschrieben, ist autonomes Eisbohren ein noch sehr junges Feld und speziell Eisbohrer mit einem Nutzlastkompartment sind nicht als Kaufsysteme auf dem Markt verfügbar. In Bezug auf das AUV ergibt die Schnittmenge aus verfügbaren Fahrzeugen mit geringem Durchmesser (damit es in das Nutzlastkompartment des Eisbohrers passt) und hochspezialisierter Sensorik für die Navigation unter Eis eine leere Menge - typische Fahrzeuge für den Unter-Eis-Einsatz sind wesentlich größer.

Aus den oben beschriebenen Gründen muss zur experimentellen Verifikation ein kompaktes System mit allen notwendigen Sensoren neu entwickelt werden, für dessen Durchmesser ein Maximum von 20 cm angestrebt wird. Noch geringere Durchmesser sind wünschenswert, hier ist allerdings ein optimaler Kompromiss zwischen notwendigem Energieaufwand für das Eisbohren und der Miniaturisierung der Sensorik im Rahmen des Projekts zu erarbeiten. Dabei werden AUV und Eisbohrer so aufeinander abgestimmt, dass das AUV in das Nutzlastkompartment des Eisbohrers integriert werden kann. Als Besonderheit bei dem geplanten AUV ist zu erwähnen, dass es ein hybrides Antriebskonzept verfolgen soll: Neben einer klassischen Antriebsschraube soll es über eine variable Tauchzelle verfügen (abgeleitet von einem autonomen Gleiter). Diese ermöglicht die Veränderung des Auftriebs des AUVs, so dass es ohne dauerhaften Energieaufwand große vertikale Distanzen zurücklegen kann. Dies geschieht in Vorbereitung auf die reale Mission zum Mond Europa, wo nach Durchbrechen des Eisschildes ein Ozean mit bis zu 100 km Tiefe durchtaucht werden müsste - was energetisch mit aktiv tauchenden Systemen nur möglich ist, falls zur Energieversorgung ein RTG (Radioisotopengenerator) zur Verfügung steht. Da die Verwendung eines solchen Energieversorgungssystems für das Explorations-AUV möglichst verhindert werden soll (Kontaminationsgefahr), ist diese Distanz mit konventioneller Energieversorgung nicht aktiv tauchend überbrückbar. Bis zur Fertigstellung der beiden Systeme wird das AUV Dagon (siehe Abbildung 1) aus dem CUSLAM als Versuchsplattform eingesetzt. Das Zusammenspiel und ein mögliches Aussehen der beiden Systeme ist in Abbildung 2 dargestellt.

Das EurEx Projekt  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert, (Kennziffer 50 NA 1217)

Videos

Europa-Explorer: Missionszenario

Anmiation des Missionsablaufes auf dem Jupitermond Europa

Europa Explorer: LENG AUV durchläuft eine autonome Testmission

In this video, the Leng AUV undergoes an autonomous test mission in the saltwater basin of the DFKI Robotics Innovation Center. This mission is analogous to a potential mission in the ice-covered ocean of Jupiter's moon Europa. The vehicle undocks from the IceShuttle and then searches for gliders which act as acoustic navigation aids in a future mission. Following this, the AUV descends by modifying its buoyancy and gliding. Then, the vehicle searches the bottom for a black smoker. Finally, following an ascent (not shown), the vehicle docks again at the IceShuttle to transfer data. The robot-view images seen throughout the video is from data transferred at the end of the mission.

Publikationen

2018

Miniaturized Underwater Gliders as Payload Transfer Units
Tobias Rossol, Marc Hildebrandt, Marius Wirtz
In Proceedings of the AUV 2018 MTS/OES Porto, (AUV-2018), 06.11.-09.11.2018, Porto, IEEE, Nov/2018. IEEE/OES.
Learning of Multi-Context Models for Autonomous Underwater Vehicles
Bilal Wehbe, Luis Octavio Arriaga Camargo, Mario Michael Krell, Frank Kirchner
In Proceedings of the AUV 2018 IEEE/OES Porto, (AUV-2018), 6.11.-9.11.2018, Porto, IEEE, Nov/2018. IEEE/OES.

2017

Online Model Identification for Underwater Vehicles through Incremental Support Vector Regression
Bilal Wehbe, Alexander Fabisch, Mario Michael Krell
In IEEE/RSJ, (IROS-17), 24.9.-28.9.2017, Vancouver, British Columbia, IEEE, pages 4173-4180, Sep/2017. IEEE/RSJ. ISBN: 9781538626818.
Combining Cameras, Magnetometers and Machine-Learning into a Close-Range Localization System for Docking and Homing
Marc Hildebrandt, Leif Christensen, Frank Kirchner
In MTS/IEEE Oceans 2017 Anchorage, (OCEANS-2017), 18.9.-21.9.2017, Anchorage, Alaska, IEEE, Sep/2017.
Learning Coupled Dynamic Models of Underwater Vehicles using Support Vector Regression
Bilal Wehbe, Mario Michael Krell
In Proceeding of Oceans '17 MTS/IEEE Aberdeen, (OCEANS-17), 19.6.-22.6.2017, Aberdeen, IEEE, Jun/2017. MTS/IEEE. ISBN: 9781509052783.
Experimental Evaluation of Various Machine Learning Regression Methods for Model Identification of Autonomous Underwater Vehicles
Bilal Wehbe, Marc Hidebrandt, Frank Kirchner
In Proceedings of 2017 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), (ICRA-17), 29.5.-3.6.2017, Sands Expo and Convention Centre, IEEE, pages 4885-4890, May/2017. IEEE Robotics and Automation Society. ISBN: 9781509046324.

2016

Cutting the Umbilical: New Technological Perspectives in Benthic Deep-Sea Research
Angelika Brandt, Julian Gutt, Marc Hildebrandt, Jan Pawlowski, Jakob Schwendner, Thomas Soltwedel, Laurenz Thomsen
In Journal of Marine Science and Engineering, MDPI, volume 4, number 2, pages 1-27, May/2016.
IceShuttle Teredo: An Ice-Penetrating Robotic System to Transport an Exploration AUV into the Ocean of Jupiter's MoonEuropa
Marius Wirtz, Marc Hildebrandt
In Proceedings of the 67th International Astronautical Congress, (IAC-2016), 26.9.-30.9.2016, Guadalajara, Jalisco, o.A., 2016.
Europa Explorer - A mission concept to explore the ocean world of a Jovian ice moon.
Marius Wirtz
In Master Conference 2016 - New Frontiers Ocean & Space - Marine Mining and Sustainability - Current Research and Future Challenges in Space, 08.2.-09.2.2016, Bremen, n.n., GEO building Universität Bremen, 2016. Master of Geosciences and Marine Geosciences.

2015

Teredo IceShuttle - Bringing together under-ice deployment, sensor platform, docking, launch and recovery in a small diameter vehicle design
Marius Wirtz
series DFKI Documents, volume 15-02, pages 2, Jun/2015. DFKI GmbH.

2014

A Validation Process for Underwater Localization Algorithms
Marc Hildebrandt, Christopher Gaudig, Leif Christensen, Sankaranarayanan Natarajan, Javier Hidalgo Carrió, Patrick Merz Paranhos, Frank Kirchner
In International Journal of Advanced Robotic Systems, Intech, volume 11, pages 1-10, Sep/2014.
Europa Explorer: Development of a Hydrodynamic Casing for the Autonomous Underwater Vehicle
Philipp Kloss
In Proceedings of the RIC Project Day Workgroups Locomotion&Simulation, 17.9.-17.9.2014, Bremen, Selbstverlag, series DFKI Documents, volume 14_06, number 1406, 2014. Robotivs Innovation Center Bremen. DFKI GmbH.
Navigation in Extreme Environments - Exploration of Jupiter's Moon Europa with Autonomous Underwater Vehicles
Marc Hildebrandt, Marius Wirtz
In Luft- und Raumfahrt - Antrieb zu neuen Horizonten, (DLRK-2014), 16.9.-18.9.2014, Augsburg, DGLR, 2014.
Towards an Astrobiological Vision for the Outer Solar System: The Europa and Enceladus Explorer Mission Designs
K. Konstantinidis, C.L. Flores Martinez, Marc Hildebrandt, R. Förstner
In Workshop on the Habitability of Icy Worlds, 5.1.-7.2.2014, Pasadena, CA, NA, 2014.

2013

Development, Evaluation and Validation of a Stereo Camera Underwater SLAM Algorithm
Marc Hildebrandt
Dec/2013. Universität Bremen.
Design of an Autonomous Under-Ice Exploration System
Marc Hildebrandt, Jan Albiez, Marius Wirtz, Philipp Kloss, Jens Hilljegerdes, Frank Kirchner
In MTS/IEEE Oceans 2013 San Diego, (OCEANS-2013), 23.9.2013, San Diego, CA, IEEE, pages 1-6, Sep/2013.

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zuletzt geändert am 04.01.2024