Scope Online - Industriemagazin für Produktion und Technik
Sie befinden sich hier:
Home> Produktion> Produktionstechnik + Werkzeugmaschinen> Das größte Fernglas der Welt

Antriebssysteme, PositioniersystemeDas größte Fernglas der Welt

Es ist gerade mal 80 Jahre her, dass Edwin Hubble mit dem 2,5 Meter Spiegelteleskop auf dem Mount Wilson den Nachweis erbrachte, dass sich der Andromedanebel weit außerhalb unserer Milchstraße befindet. Nach ihm ist auch die Hubble-Konstante benannt, welche die Entfernungen solcher Galaxien und ihre so genannten Fluchtgeschwindigkeiten aufgrund der Expansion des Weltalls in Beziehung setzt. Um viele der auch heute noch offenen Fragen beantworten zu können wurden in den vergangenen Jahrzehnten deutlich größere und leistungsfähigere Teleskope gebaut. Sie ermöglichen einen immer weiteren Blick in die Vergangenheit und damit zu neuen aber auch widersprüchlichen Erkenntnissen über die Anfänge des Universums.

sep
sep
sep
sep
Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (MW),: Das größte Fernglas der Welt

Eines der neuesten Teleskope soll im kommenden Jahr auf dem Mount Graham im US-Bundesstaat Arizona in Betrieb gehen. Es ist das leistungsfähigste optische ,,Einzelteleskop" der Nordhalbkugel, mit dem vor allem die Daten weit entfernter Galaxien, junger Doppelsterne und neu entstandener Sonnen ausgewertet werden sollen. Im Prinzip ist dieses Large Binocular Telescope (LBT), das bei einer Höhe von mehr als 20 Metern über 600 Tonnen wiegt, ein überdimensionaler Feldstecher. Seine beiden Spiegel haben einen Durchmesser von jeweils 8,4 Metern und bilden in der Summe eine ca. 110 m2 große Auffangfläche für das aus der Vergangenheit ankommende Licht – bei der Auswertung lichtschwacher Objekte zählt jedes Photon. Ein vergleichbarer Einzelspiegel hätte einen Durchmesser von mehr als 12 Meter.

Anzeige

Auflösung und Interferenzmodus

Einer der wichtigsten Parameter bei einem Fernrohr ist die Auflösung und damit die Frage: Kann ich beispielsweise einen Doppelstern überhaupt als zwei getrennte Punkte erkennen? Diese Auflösung ist bei einem Einzelspiegel neben der Wellenlänge nur vom Durchmesser abhängig, je größer, umso feinere Details werden sichtbar. Mit einem physikalischen Kunstgriff kann man diese Auflösung aber steigern, indem man zwei Teleskope in einem definierten Abstand zueinander aufstellt, und die von jedem Einzelspiegel reflektierten Lichtstrahlen überlagert – das Objekt sozusagen simultan beobachtet (Interferometrie). In diesem Fall geht neben der Wellenlänge auch noch der Abstand der Spiegel in die Berechnung der Auflösung ein. Bei dem hier beschriebenen Binocular-System sind die Spiegel im Abstand von 14,4 Metern montiert und verleihen damit dem Teleskop ein Auflösungsvermögen, das dem eines Fernrohres mit 23 Metern Durchmesser entspricht.

Was so einfach klingt, ist äußerst kompliziert und verlangt sehr komplexe Ausgleichssysteme, da es bei den Messungen zu keinerlei Abweichungen kommen darf. Beide Teleskope müssen nicht nur exakt auf dasselbe Objekt ausgerichtet sein, sie müssen auch entsprechend genau über mehrere Stunden nachgeführt und die Streckenlängen der Lichtstrahlen im mm-Bereich konstant gehalten werden. Die erfolgreichen Resultate der europäischen Südsternwarte in Chile mit dem Interferenzmodus zweier Teleskope sprechen aber dafür, dass die technische Umsetzung auch bei diesem Teleskop (hoffentlich) gelingen wird.

Technische Vorraussetzungen

Grundbedingung für eine einwandfreie Funktion des LBT ist nicht nur, dass die in den drei Partnerländern USA, Italien und Deutschland gefertigten Einzelkomponenten reibungslos zusammenarbeiten, sondern auch unter erschwerten Bedingungen störungsfrei funktionieren. Immerhin ist der Mount Graham etwa 3.300 Meter hoch. Minusgrade, die mit bis zu 90 Prozent recht hohe Luftfeuchtigkeit und teilweise extreme Temperaturschwankungen charakterisieren das Klima in dieser Höhenlage.

Die Spiegel bestehen aus Borsilikatglas und wiegen jeweils 15,6 Tonnen. Um Verzerrungen aufgrund der Temperaturschwankungen und der Schwerkraft auszugleichen wurde die bewährte Technik einer aktiven Optik eingesetzt. Hierbei wird die Form des Spiegels über computergesteuerte mechanische Stößel laufend korrigiert. Zusätzlich wird zur Eliminierung atmosphärischer Störungen der Sekundärspiegel, der das Licht des Hauptspiegels auffängt und weiterleitet, ebenfalls ständig korrigiert. Die größte technische Anforderung aber wird an die optischen Baugruppen gestellt, die an beiden Spiegeln angebracht sind und das reflektierte Licht zur Überlagerung weiterleiten (Interferenzmodus). Sie müssen mit einer Genauigkeit von 5 mm positioniert werden, denn nur dann ist ein Interferenzmodus möglich und die geplante Auflösung erreichbar.

Zu diesem Zweck wurde von der Firma Feinmess ein Dreiachs-Positioniersystem entwickelt, das an beiden Spiegeln des Teleskops die entsprechende Optik in die richtige Lage bringen soll. Dazu sind für die Längspositionierung in horizontaler Richtung Distanzen bis 200 Millimeter und zum Fokussieren in vertikaler Richtung Abstände bis 50 Millimeter zu überwinden. Gleichzeitig muss die optische Baugruppe bis zu einem Winkel von 36 Grad drehbar sein. Um die dabei erforderliche Positioniergenauigkeit zu gewährleisten, muss das System möglichst spielfrei arbeiten. Damit kommt den an den Achsen eingesetzten Antrieben eine besondere Bedeutung zu.

Motor, Getriebe und Impulsgeber als kompakte Einheit

Hier fiel die Wahl auf Antriebslösungen aus dem Hause Faulhaber. Der klassische Glockenankermotor mit eisenloser Rotorspule bietet für solche Anwendungsbereiche sehr günstige Voraussetzungen. Die kleinen DC-Antriebe arbeiten auch unter widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig, verkraften Umgebungstemperaturen zwischen -30 und +125 °C und lassen sich – entsprechend ausgelegt – auch durch eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit nicht beeinflussen. Ein wichtiger Grundgedanke für die Motorenauswahl war außerdem der sofortige und drehmomentstarke Anlauf des Gleichstrommotors nach Anlegen einer Spannung. Somit ist eine direkte Reaktion auf Steuersignale sichergestellt. Die freitragende Kupferspule erlaubt außerdem eine sehr leichte Motorenausführung bei einem Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent. Die an allen drei Achsen des Positioniersystems eingesetzten Motoren sind bei einem Durchmesser von 26 Millimeter lediglich 42 Millimeter lang und die Leistungen bei Drehzahlen bis 6000 Umdrehungen pro Minute erreichen jeweils 23,2  Watt.

In der beschriebenen Anwendung wurden die Motoren mit zweistufigen Planetengetrieben kombiniert, das mit einer Untersetzung von 16:1 arbeitet. Sie sind stirnseitig auf dem Motor angeflanscht und überzeugen nicht nur durch die kompakte Bauform, sondern auch durch ruhigen Lauf und Langlebigkeit. Für die Anwendung an dem oben beschriebenen Positioniersystem wurde das Getriebespiel nochmals optimiert: Statt der bei Seriengetrieben üblichen Werte von etwa einem Grad arbeiten sie hier mit einem Spiel von nur 12 Winkelminuten, gemessen an der Abtriebswelle.

Für eine präzise Positionierung ist es natürlich auch zwingend erforderlich, die Ist-Position der Motoren zu kennen. Bei den am LBT eingesetzten Positioniersystemen wird diese an jedem Motor mit einem optischen Impulsgeber erfasst, der pro Umdrehung 500 Impulse liefert. Mit einer Metallscheibenblende werden durch eine photoelektrische Abtastung der Strichgitter (Durchlichtverfahren) zwei um 90 Grad phasenverschobene Ausgangssignale A und B erzeugt. Der Null-Index (Referenzmarke) wird dabei mit Kanal B synchronisiert (siehe Diagramm Channel I). Zusammen mit den invertierten Signalen für die Auswertung der Spannungsdifferenz stehen dann insgesamt sechs Signalausgänge zur Verfügung. Der Impulsgeber wird einfach am freien Ende der Motorwelle aufgesteckt und mit drei Schrauben fixiert. Der Anschluss der Versorgungsspannung für den Impulsgeber und den DC-Kleinstmotor sowie die Ausgangssignale erfolgt über ein Flachbandkabel mit einem 10poligen Stecker. Da die Antriebseinheiten aus Motor, Getriebe und Impulsgeber sehr kompakt aufgebaut sind, lassen sie sich problemlos in den Dreiachs-Positioniersystemen integrieren. Wenn alles klappt wie geplant können sich die Wissenschaftler im kommenden Jahr nicht nur über das ,,First Light" des neuen Teleskops freuen, sondern dank seiner hervorragenden Auflösung vielleicht auch einige der offenen Fragen beantworten. Dr. Peter Stipp

Anzeige
Diesen Artikel …
sep
sep
sep
sep
sep

Weitere Beiträge zu dieser Firma

DC-Motor 1935…BRC

Bürstenloser DC-MotorBringt mehr Leistung

Faulhaber hat mit dem bürstenloser DC-Motor 1935…BRC eine optimierte Version des bewährten Produkts 1935…BRE auf den Markt gebracht.

…mehr
News: Faulhaber: expandiert ins Reich der Mitte

NewsFaulhaber: expandiert ins Reich der Mitte

Im Oktober 2010 eröffnete Faulhaber in Taicang seine erste Niederlassung, um Kunden in China direkt und noch besser mit Produkten und Dienstleistungen versorgen zu können und neue Märkte im Bereich Antriebssysteme in Asien zu erschließen.

…mehr

Weitere Beiträge in dieser Rubrik

TTM Laser

Lösungen zur RohrbearbeitungStrategische Partnerschaft zwischen Bystronic und TTM Laser

Bystronic schliesst eine strategische Partnerschaft mit dem italienischen Spezialisten für lasergestützte Rohr- und Profilbearbeitung TTM Laser.

…mehr
Werkzeugmaschinen: GF Machining Solutions: Präzise Fräslösung aus der Schweiz

WerkzeugmaschinenGF Machining Solutions: Präzise Fräslösung aus der Schweiz

Auf der EMO Hannover 2017 feierte die Mikron MILL P 500 U von GF Machining Solutions ihre Premiere als Bestandteil eines interaktiven Prozessablaufs. Mit ihrem leistungsstarken und dynamischen Materialabtrag und der hohen Steifigkeit bringt die Fräslösung des Schweizer Unternehmens eine hohe Präzision und Oberflächengüte bei der Bearbeitung mit.

…mehr
Grünring Maschinengewindebohrer

GewindeschneidenGewindebohren mit wenig Unterbrechungen

Das global agierende Unternehmen Völkel verbessert sein Sortiment von ab Lager verfügbaren Standardgewindeschneidwerkzeugen.

…mehr
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Neue Stellenanzeigen

Anzeige

Direkt zu:


ExtraSCOPE


TrendSCOPE


Robotik in der industriellen Fertigung