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Elektroantrieb

Präzise Antriebe für den Blick ins All

| Autor/ Redakteur: Stefan Roschi / Stefanie Michel

In Chile entsteht ein großes Weitwinkel-Teleskop. Auch ein Filterwechsler gehört dazu, doch verfügbare Antriebssysteme waren dafür zu langsam. Mit zuverlässigen Motoren und Controllern wurde deshalb eine neue Vorrichtung entwickelt, die schnell und präzise die Filter bereitstellen kann.

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Das Large Synoptic Survey Telescope in Chile wird mit der größten Digitalkamera der Welt ausgestattet. Dort kommen präzise Antriebe zum Einsatz.
Das Large Synoptic Survey Telescope in Chile wird mit der größten Digitalkamera der Welt ausgestattet. Dort kommen präzise Antriebe zum Einsatz.
(Bild: Gianluca Lombardi/Large Synoptic Survey Telescope)
  • Am Fuße der chilenischen Anden wird ein riesiges Teleskop gebaut, das den Himmel fotografieren soll. Die Kamera nutzt optische Filter, um verschiedene Teile des Lichtspektrums aufzunehmen.
  • Für den Filterwechsler konnten keine verfügbaren Systeme genutzt werden, weil diese zu langsam sind. Die Neuentwicklung stand vor großen Herausforderungen: enge Platzverhältnisse, Dauerbetrieb, Präzision und Geschwindigkeit.
  • Ein kompaktes System aus Motor, Getriebe und Controller für ein Karussell, das die Filter innerhalb von 20 s bereitstellt, wurde von französischen Forschern entwickelt.

Mit seinem Spiegel von 8,4 m Durchmesser und einer Kamera mit einer Detektorfläche von 3,2 Gigapixeln – die größte Digitalkamera der Welt – ist das Large Synoptic Survey Telescope (LSST) in Chile ein Projekt der Superlative. Mit diesem Teleskop sollen die Grenzen des Sichtbaren verschoben werden. Das Large Synoptic Survey Telescope wird mehrmals in der Woche den gesamten Himmel fotografieren, sodass Veränderungen beobachtet und die Bewegungen der Himmelskörper gemessen werden können. Diese astronomischen Daten werden in die wissenschaftliche Arbeit einfließen, die sich mit der Struktur und Entwicklung des Sonnensystems und der Milchstraße befasst. Auch bilden sie die Grundlage für verschiedene Forschungsprojekte zum Thema Dunkle Materie und Dunkle Energie.

Für das Projekt, das unter der Federführung der USA realisiert wird, steht ein Budget von 675 Mio. US-Dollar (rund 600 Mio. Euro) zur Verfügung. An der wissenschaftlichen Projektdurchführung sind knapp 20 Nationen und Forschungslabore auf der ganzen Welt beteiligt. Frankreich ist über das Nationale Institut für Kern- und Teilchenphysik LPNHE (Institut national de physique nucléaire et de physique des particules – In2p3) des CNRS in Zusammenarbeit mit den USA und Chile aktiv eingebunden.

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Hochpräzise Mechanik im Dienste der Astronomie

Das Teleskop wird auf dem Gipfel des Cerro Pachón in einer Höhe von 2680 m über dem Meeresspiegel errichtet. Dieser Standort wurde ausgewählt, weil dort die Störeinflüsse durch Atmosphäre und Licht besonders gering sind. Die Kuppel hat einen Durchmesser von 30 m und eine Höhe von 17 m. Die Konstruktion ist komplett motorisiert und lässt sich in jede nur mögliche Richtung ausrichten.

Das eigentliche Teleskop setzt sich im Wesentlichen aus drei Elementen zusammen:

  • zunächst der Montierung, mit der die genaue Position angefahren und die Aufzeichnung vorbereitet wird;
  • dann dem optischen System, das aus drei asphärischen Hohlspiegeln besteht, deren größter einen Durchmesser von über 8 m aufweist;
  • und schließlich der Digitalkamera, einem Herzstück des Projekts.

In dieser Kamera befindet sich eine digitale Detektorfläche mit 3,2 Mrd. Pixeln, die auf -100 °C heruntergekühlt ist. Sie bietet eine besonders hohe Sensibilität, vom nahen Ultraviolett bis nahem Infrarot, sodass photometrische Messungen über das gesamte Spektrum möglich sind. In die Kamera ist ein System optischer Filter integriert, womit bestimmt wird, in welchem Teil des Lichtspektrums die Beobachtung jeweils erfolgen soll.

Robotergestützter Filterwechsler

Ein Filterwechsler gehört bei Teleskopen für die Astronomie zur regulären Ausstattung. Jedoch sind die derzeit verfügbaren Systeme für die ehrgeizigen Ziele des LSST mehrheitlich zu langsam. Hier braucht es einen bis zu 15-mal schnelleren Wechsel als bei Instrumenten ähnlicher Größe.

Ein Team aus fünf französischen Laboren hat daher ein robotergestütztes System entwickelt, das in der Lage ist, innerhalb nur weniger Minuten einen neuen Filter an der Detektorfläche zu platzieren. Das Projekt hat dabei besonders hohe technische Anforderungen gestellt, angefangen bei der räumlichen Anordnung: Schließlich müssen sämtliche Bestandteile des Filterwechslers im Kameragehäuse Platz finden. Eine einwandfreie Stabilität muss unter allen Umständen gegeben sein, selbst im Fall eines starken Erdbebens.

Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit ist eine extrem kostspielige Apparatur zur Handhabung der Filter, die bis auf einen Zehntelmillimeter genau funktioniert. Im Zentrum der Vorrichtung befindet sich ein Karussell, das Platz für fünf Filter bietet und diese in unter 20 s bereitstellt. Dazu gehören ein Mechanismus, mit dem ein Filter in die Kamera gesetzt oder aus dieser entfernt werden kann, und ein weiterer, dessen Aufgabe es ist, die Kamera mit Filtern zu bestücken.

Kompaktheit, Zuverlässigkeit, Betreuung

An dieser Stelle trat das LPNHE an MDP – Maxon France heran. Der Online-Konfigurator und die zugehörige technische Dokumentation, die auf der Maxon-Website zur Verfügung stehen, waren der erste Schritt zur Auswahl möglicher Komponenten, die sich für das System eignen würden.

Im weiteren Verlauf der Kommunikation wurde festgestellt, dass sich die Lösungen, die MDP – Maxon France anbietet, in der Tat für die Projektzwecke eignen. Da ein und derselbe Anbieter die Kombination aus Motor und Controller liefert, ist sichergestellt, dass keine Kompatibilitätsprobleme auftreten. Im Karussell und dem automatischen Wechsler kommen zum Beispiel die Getriebemotoren Maxon EC40/GP42 und RE40/GP52C sowie die digitale, modulare Positioniersteuerung Epos2 70/10 zum Einsatz.

Es gab verschiedene Gründe für den Zuschlag, aber die LSST-Teams zeigten sich besonders überzeugt von der Kompaktheit der Bauteile, Motoren, Getriebe und Controller – unverzichtbar für die Integration in die Kamera. Ebenso ausschlaggebend war das Kriterium der Zuverlässigkeit. Der Filterwechsler muss im Dauerbetrieb arbeiten. Die Instandhaltung ist auf zwei Wochen im Rhythmus von zwei Jahren begrenzt. In dieser Zeit wird der Betrieb des Teleskops eingestellt, um die Spiegel neu zu aluminieren.

Eng gestrickte Zusammenarbeit

Die Arbeit im Zusammenhang mit dem Wechsler der optischen Filter stellt hohe Ansprüche – das zeugt davon, dass es sich um ein hoch ambitioniertes Projekt handelt, und setzt voraus, dass die verschiedenen am LSST beteiligten Parteien intensiv zusammenarbeiten. Der Konfigurator, die Motoren und die elektronischen Systeme von Maxon konnten ihren Beitrag zur Umsetzung eines derart technisch und wissenschaftlich herausfordernden Projekts leisten.

Fakten zum Motor: Klein, aber starke Leistung

Der bürstenlose Gleichstrommotor EC 40 bringt eine Leistung bis 170 W in einem Bauraum von 40 mm × 80 mm unter. Laut Hersteller zeichnet sich die Familie durch ein günstiges Drehmomentverhalten, einen sehr großen Drehzahlbereich und eine hohe Lebensdauer aus.
Der Motor ist mit einem Neodym-Permanentmagneten, einem rostfreien Gehäuse und geschweißten Flanschen ausgestattet. Durch die eisenlose Wicklung ist laut Hersteller ein sehr ruhiger, rastmomentfreier Lauf und ein hohes Anhaltemoment möglich.
Der Motor eignet sich für Anwendungen in der Industrie, Luft- und Raumfahrt und Logistik ebenso wie für die mobile Robotik oder in Verpackungsmaschinen. Der EC 40 ist mit vielen Anbaukomponenten kombinierbar – darunter auch mit Maxon-Planetengetrieben.

* Stefan Roschi ist zuständig für Corporate Marketing Communication bei der Maxon Motor AG in 6072 Sachseln (Schweiz). Weitere Informationen: Maxon Motor GmbH in 81825 München, info.de@maxongroup.com

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