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Größtes Spiegelteleskop der Welt
Warum das Extremely Large Telescope auch ein Triumph der Automatisierung ist
In der chilenischen Atacama-Wüste ist der Bau des Extremely Large Telescope voll im Gange. Mit einem Spiegeldurchmesser von 39 Metern wird es das größte optische Fernrohr der Welt - und nur durch ausgefeilte Automatisierungstechnik steuerbar.
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So ganz sicher kann es im Moment niemand sagen, aber 2028 könnte es so weit sein. Geht es nach der aktuellen Planung, wird in diesem Jahr das Extremely Large Telescope der multinationalen europäischen Forschungseinrichtung ESO (European Southern Observatory) zum ersten Mal in die Sterne blicken.
Die Baufortschritte der letzten 12 Monate
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Mit diesem "First Light" wird das ELT zum größten optischen Teleskop werden, das jemals gebaut wurde. Dank eines 39 Meter messenden Hauptspiegels aus 798 sechseckigen Elementen soll es 13-mal so viel Licht einfangen wie die besten aktuellen Teleskope. Ein Fünfspiegelsystem sorgt mit mehr als 6.000 Aktuatoren und einer Dynamik von mehr als 1.000 Aktionen pro Sekunde für eine Korrektur von atmosphärischen Turbulenzen.
Juni 2024: Letztes Segment für den Hauptspiegel gegossen
Das ELT ist seiner Fertigstellung im Juni 2024 einen wichtigen Schritt näher gekommen. Das deutsche Unternehmen Schott hat erfolgreich den Rohling für das letzte der 949 Segmente gegossen, die für den Hauptspiegel (M1) des Teleskops in Auftrag gegeben wurden. Mit einem Durchmesser von mehr als 39 Metern wird der M1 der mit Abstand größte Spiegel sein, der je für ein Teleskop hergestellt wurde. Er besteht aus 798 sechseckigen Segmenten, die jeweils etwa fünf Zentimeter dick und 1,5 Meter breit sind und zusammen zehn Millionen Mal mehr Licht sammeln als das menschliche Auge. Weitere 151 Segmente wurden für Wartung und Ersatz hergestellt.
Einen wichtigen Meilenstein hatte das ELT zur Jahresmitte 2023 erreicht: Laut ESO war das ELT Mitte Juli 2023 zur Hälfte fertiggestellt. Der Bau hatte neun Jahre zuvor mit einem ersten Spatenstich begonnen. Die Fertigstellung der verbleibenden 50 % des Projekts wird jedoch voraussichtlich wesentlich schneller vonstattengehen als der Bau der ersten Hälfte des ELT. Die erste Hälfte des Projekts umfasste den langwierigen und sorgfältigen Prozess der Fertigstellung des Designs der überwiegenden Mehrheit der Komponenten, die für das ELT hergestellt werden sollen. Darüber hinaus wurde der Bau durch die COVID-19-Pandemie beeinträchtigt, sodass der Standort für mehrere Monate geschlossen werden musste und sich die Produktion vieler Teleskopkomponenten verzögerte. Da die Produktionsprozesse nun wieder vollständig aufgenommen und optimiert wurden, wird die Fertigstellung des ELT voraussichtlich 2028 erfolgen.
Die Sensoren: von Nanometern zu Milliarden Lichtjahren
Wenn man mit einem Teleskop Objekte anpeilen will, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, dann muss die Optik auf Millionstel Millimeter (Nanometer) genau ausgerichtet sein. Die dafür notwendige hochpräzise Wegsensorik wird von dem niederbayerischen Unternehmen Micro-Epsilon im Rahmen einer Kooperation mit Fogale in Frankreich entwickelt. Die induktiven Wegsensorsysteme sind die genauesten, die je in einem Teleskop verwendet wurden. Sie bestimmen die Positionen der einzelnen Spiegelsegmente in drei Achsen, eine davon auf wenige Nanometer genau.
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Der Hauptspiegel des ELT mit einer Gesamtgröße von 978 Quadratmetern wird aus 798 einzelnen Segmenten bestehen, die je 1,4 Meter breit, aber nur 5 Zentimeter dick sind. Diese wabenförmigen Segmente müssen exakt zueinander ausgerichtet sein, um ein perfektes Abbildungssystem zu ergeben. Die relative Position der Spiegelsegmente kann sich ändern aufgrund externer Störungen wie Windlast, wechselnde Temperatureinflüsse oder auch der Schwerkraft, die je nach Ausrichtung des ELT unterschiedlich wirkt.
Die eingesetzten Sensoren - mehr als 5.000 Stück, beruhen auf dem Prinzip der induktiven Kopplung und greifen auf das Know-how von Micro-Epsilon im Bereich der Wirbelstromtechnologie zurück. Ein Sensor besteht jeweils aus einer Sendespule und einer auf dem benachbarten Spiegelsegment gegenüberliegenden Anordnung mehrerer Empfangsspulen. Die Sendespule wird mit einem Wechselstrom gespeist. Die durch induktive Kopplung induzierten Spannungen in den Empfangsspulen sind abhängig von der Position zur Sendespule. Durch die patentierte Verrechnung der einzelnen Teilsignale kann die Position der Segmente zueinander in drei Achsen bestimmt werden.
Gemessen wird dabei verschleißfrei und berührungslos, mit höchster Präzision und Auflösung. Der besondere Vorteil der Sensoren liegt darin, dass sie unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Schmutz, Druck oder Feuchtigkeit sind.
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Der Antrieb: große Verfahrwege mit extremer Positioniergenauigkeit
Die Messung der Position der Spiegelelemente ist das Eine, ihre aktive Positionierung das Andere: Jedes Spiegelsegment wird von drei Antrieben des Karlsruher Herstellers Physik Instrumente (PI) positioniert. Die Anforderungen bringen die Technik an ihre Grenzen: Relativ große Verfahrwege von bis zu 10 mm bei einer Positions- und Bahngenauigkeit von besser als 2 nm sind die Herausforderung. Die Verfolgung eines astronomischen Objekts während der Beobachtung erfordert typischerweise Geschwindigkeiten zwischen einigen Nanometern pro Sekunde und +/- 0,45 µm/s. Soll das Teleskop auf ein anderes Objekt ausgerichtet werden, sind Geschwindigkeiten von bis zu +/- 100 µm/s erforderlich. Dabei müssen erhebliche Gewichte bewegt werden: Ein Spiegelsegment wiegt 250 kg.
Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtungen des Teleskops muss ein einzelner Antrieb Lasten zwischen 463 N Zugkraft und 1050 N Schubkraft bewegen oder halten. Durch Wind oder ein Erdbeben können diese Lasten zwar deutlich überschritten werden, die Antriebe wären dann aber nicht in einem aktiven Betriebszustand. Darüber hinaus stellen die sehr hohen Anforderungen an die Lebensdauer der Systeme ein erhebliches technisches Risiko dar. PI hat für diese sehr anspruchsvolle Aufgabe einen Hybridantrieb "maßgeschneidert".
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Piezo-Aktor korrigiert Ungenauigkeiten
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Das Prinzip des Hybridantriebs kombiniert einen Motor-Spindel-Antrieb, der für hohe Lasten und große Verfahrwege geeignet ist, mit einem Piezoaktor. Alle Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs können mit einem hochauflösenden Sensor gemessen und über den Piezo korrigiert werden. Dies gewährleistet eine extrem hohe Positioniergenauigkeit, die mit reinen Motor-Spindel-Antrieben nicht erreicht werden kann.
Ein eigener Controller steuert beide Antriebe gleichzeitig und kontrolliert das hochauflösende Positionsmesssystem. Die Servoalgorithmen betrachten den Motor und das Piezosystem als eine einzige Antriebseinheit und vergleichen die tatsächliche Bewegung mit einer berechneten Trajektorie. Dies ermöglicht es der ESO, Verformungen in der Struktur des Primärspiegels genau zu kompensieren. Die Spindel wird von einem bürstenlosen Motor mit hohem Drehmoment über ein Untersetzungsgetriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis angetrieben. Der Motor kann daher sehr klein sein, obwohl große Massen bewegt werden müssen. Die hohe Übersetzung unterstützt auch die Selbsthemmung des Motors im Ruhezustand.
Die Piezoaktoren sind in einem geschlossenen, mit Stickstoff gefüllten Metallbalg gekapselt, so dass sie vor Feuchtigkeit geschützt sind und die geforderte Lebensdauer von 30 Jahren auch unter widrigen Umgebungsbedingungen erreichen. Der hochauflösende Sensor ist ein optischer Inkrementalgeber, der so nah wie möglich an der Achse des Antriebs angebracht ist. Er arbeitet mit einer Auflösung von 100 Picometern (Milliardstel Millimeter) und ist unempfindlich gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen.
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Das Regelungsprinzip des Hybridantriebs ist einfach zu verstehen: Die Motorspannung wird aus der Steuerspannung des Piezos abgeleitet. Je größer diese Spannung ist, desto schneller läuft der Motor. Wenn sich der Piezo ausdehnt, treibt der Motor die Spindel in die gleiche Richtung an. Auf diese Weise wird die Grobpositionierung der Spindel durch die Feinpositionierung des Piezos ergänzt. Gleichzeitig fährt die Spindel den Piezo immer automatisch in die Nähe seiner Nullposition. Damit hat sie die beste Chance, die Position in beide Richtungen zu korrigieren. Auf diese Weise können relativ große Verfahrwege mit einer extrem hohen Positioniergenauigkeit kombiniert werden.
Spiegel: die "Augen" des Teleskops
Ein System aus insgesamt fünf Spiegeln verschafft dem ELT seine "Sehfähigkeit". Schon die Herstellung der Spiegel beim Glasspezialisten Schott lief nicht ohne Automatisierungstechnik ab: Der Herstellungsprozess basiert auf einer besonderen Glaskeramik names Zerodur, damit die Spiegel den extremen Bedingungen vor Ort standhalten. Ihr Guss ist nicht trivial: Um Spannungsrisse zu vermeiden, wird das Spezialglas während der Produktion über lange Zeit immer wieder erhitzt und abgekühlt. Die Temperaturregelung an diesem Punkt muss bis auf die dritte Nachkommastelle präzise sein. Schott hat dafür das Prozessleitsystem Siemens Simatic PCS 7 sowie die dezentrale Peripherie Simatic ET 200SP eingesetzt. Für die Anwendung musste ein neuer Baustein programmiert werden. Die Lösung deckt zahlreiche Messarten ab wie Spannung, Strom, Widerstand sowie Widerstandsthermometer und Thermoelemente.
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Während der Hauptspiegel des ELT aus 798 beweglichen Segmenten zusammengesetzt ist, sind Sekundär- (M2) und Tertiärspiegel (M) aus jeweils einem Stück Zerodur-Glas. Der M2 wird mit einem Durchmesser von 4250 mm der größte optische Sekundärspiegel sein, der bisher je in einem Teleskop zum Einsatz kam. Der M3 ist mit 3.800 mm kaum kleiner als der M2, aber konkav statt konvex. Mit ihren Durchmessern machen M2 und M3 den HAUPT-Spiegeln aktueller Spitzenteleskope Konkurrenz.
Die Spiegel M2 und M3 sind am Teleskop in speziellen Zellen untergebracht, die eine Formverstellung ermöglichen, um statische Fehler des Spiegels bis zu einem gewissen Grad zu kompensieren, sowie eine Positionskontrolle für die Positionierung der Spiegel innerhalb des Teleskops. Das Gesamtgewicht jeder Baugruppe (Spiegel und Zelle) beträgt etwa 12 Tonnen, und die Anforderungen an die Positionierung einer derart massiven Struktur sind äußerst anspruchsvoll - trotz des Gewichts liegt die erforderliche Genauigkeit der Positionierung in der Größenordnung von nur 0,1 mm. Die Zellen für M2 und M3 haben ein ähnliches Designkonzept. Jeder Spiegel ist axial auf seiner Rückseite mit einem 18-Punkte-Whiffletree und seitlich an 14 Punkten an der Außenkante des Spiegels abgestützt.
Jeder Spiegel ist über die axialen und lateralen Stützen mit einem gemeinsamen Rahmen verbunden: der Zellstruktur. An diese Struktur sind Sicherheitshalterungen angeschlossen, um die Verschiebung und Belastung des Spiegels im Falle eines Erdbebens zu begrenzen und zu verhindern, dass der Spiegel im Falle eines katastrophalen Ereignisses, wie z. B. eines Totalausfalls der Spiegelbefestigungsschnittstelle, herunterfällt. M2 etwa hängt etwa 60 Meter über dem Hauptspiegel quasi "in der Luft".
Der spanische Engineering-Konzern Sener diese mechanischen Strukturen für die Spiegel M2 und M3, sondern liefert auch das Segment Manipulator System (SeM) für den Hauptspiegel. Das SeM muss den täglichen Austausch eines Teils der Segmente für die Wartung und Beschichtung ermöglichen. Es umfasst einen Robotik-Mechanismus zum Entfernen und Ersetzen von Segmenten innerhalb von sechs Freiheitsgraden (6 DOF) und hoher Wiederholgenauigkeit. Außerdem verfügt es über eine Hubfunktion für große Entfernungen (23 m) außerhalb des Spiegels.
Die Lüfter: gutes Klima für die Leitstern-Laser
Eine wichtige Rolle für die Arbeit des ELT spielen die acht sogenannten Leitstern-Lasersysteme. Sie erzeugen einen künstlichen Stern am Himmel, durch dessen Beobachtung atmosphärische Einflüsse auf die Bilder des Teleskops erfasst und kompensiert werden können. Gekühlt werden die Laser von hochspezialisierten RLT-Anlagen (Raumlufttechnische Anlagen) der portugiesischen Firma Ocram Clima, in denen sich 28 FanGrid-Lüfter von ebm-papst befinden.
Die Anforderungen an die Lüftungsanlagen und ihre Bestandteile, wie die Ventilatoren, sind extrem hoch. Auch auf 3.000 Höhenmetern müssen die Anlagen den nötigen Druck liefern können. Vor allem dürfen die Lüfterantriebe aber keine Interferenzen erzeugen, die die hochempfindliche Elektronik des ELT stören könnten.
Zum Schutz der Instrumente des ELT kommen alle Ventilatoren standardmäßig mit einer aktiven Power Factor Correction (Aktiv-PFC), um die Oberschwingungsanteile im Strom auf ein Minimum zu reduzieren: „Die Grenzwerte bei den Stromoberwellen waren streng und lagen bei maximal zehn Prozent. Laut unseren Simulationen sind wir deutlich darunter, bei maximal fünf“, so Nuno Pires, Managing Director ebm-papst Portugal.
Die Instrumente: Fräsen als Extremsport
NOVA ist ein Zusammenschluss der vier führenden universitären Astronomieinstitute in den Niederlanden und leitet ein Konsortium, das eines der ersten Instrumente für das ELT entwickelt. Deren Fertigung erfordert die Herstellung großer Aluminiumteile mit außerordentlicher Präzision im Mikrometerbereich. NOVA stellte schnell fest, dass ihre bestehende Fräsmaschine für diese Anforderungen nicht mehr ausreichte. Niels Tromp, System Engineer bei NOVA: „Die Bauteile, die wir bisher produziert haben, waren um einiges kleiner als die Instrumente, die wir für das ELT fertigen müssen." Hauptanforderungen für die neue Maschine war es, Bauteile mit derselben Toleranz wie bisher, im Bereich von 10 bis 20 Mikrometern zu produzieren, und das aber über eine Distanz von mehr als einem Meter.
Die Wahl fiel letztlich auf das Fräs-Bearbeitungszentrum G750 von Grob. Mit Arbeitswegen von 1.000 mm in der X-Achse, 1.100 mm in der Y-Achse und 1.175 in der Z-Achse lassen sich extrem große Bauteile bei gleichzeitig enormer Präzision fertigen. Sie bietet die erforderliche Stabilität und Genauigkeit, um die komplexen Teile für das ELT zu fertigen.
Um potenzielle Risiken zu minimieren, wurde die Maschine in einer Anlage mit einer sehr stabilen Temperaturkontrolle untergebracht. Thermische Ausdehnung kann den Produktionsprozess beeinträchtigen, daher war es wichtig, eine Umgebung zu schaffen, die die präzise Bearbeitung der Bauteile ermöglicht. Zusätzlich wurde die G750 mit einer hoch-modernen Koordinatenmessmaschine kombiniert, die in einer Reinraumumgebung der ISO-Klasse 6 platziert wurde
Die Befestigungshebel: Gib mir einen festen Punkt...
Bei Projekten wie dem ELT gibt es in gewisser Weise keine Hierarchie: Jedes einzelne Teil muss seine klar definierte Aufgabe perfekt erfüllen - selbst ein "simples" mechanisches Bauteil. Für das FAMES-Konsortium aus Micro-Epsilon und Fogale hat der Schweizer Spezialist für Verbindungstechnik Vogt AG einen Befestigungshebel für die Fixierung der Wegsensorik gebaut. Die Einzelteile der Baugruppe aus PPS-Kunststoff werden fett- und silikonfrei produziert und dabei darauf geachtet, dass es keine Gratbildung gibt.
In der Weiterverarbeitung müssen die Teile staubfrei bleiben, dazu wird beim Handling der Teile nur mit Handschuhen gearbeitet. Der Hebel erfüllt die hohen Anforderungen von Micro-Epsilon hinsichtlich Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen sowie der hohen Präzision (100 % Endkontrolle). Artikel- und Seriennummer werden mit einem QR-Code laserbeschriftet, dies dient der Nachverfolgbarkeit.
Das Extremely Large Telescope zum Selberbauen
Wirklich berühmt sind Bauwerke und Riesenmaschinen bekanntermaßen erst, wenn es sie als Lego-Modell gibt. Diese Ehre wurde dem ELT in der Tat schon 2014 zuteil, dem Jahr, an dem die Bauarbeiten in Chile begonnen haben. Der niederländische Astronom Frans Snik hat mehrere Monate seiner Freizeit damit verbracht, sein eigenes ELT zu konstruieren. Snik hat als Designwerkzeuge ldraw und bricksmith verwendet und so ein Modell aus genau 5274 Teilen gebaut, die er von bricklink bestellt hat. Das Modell hat insgesamt 600 Euro gekostet und hat einen Maßstab von etwa 1:150. Falls es jemand nachbauen möchte: Hier gibt es die Bauanleitung und die Liste der benötigten Steine.
Der Autor: Peter Koller
Gelernter Politik-Journalist, heute News-Junkie, Robotik-Afficionado und Nerd-Versteher. Chefredakteur des Automatisierungsmagazins Automation NEXT. Peter Koller liebt den Technik-Journalismus, weil es das einzige Themengebiet ist, wo wirklich ständig neue Dinge passieren. Treibstoff: Milchschaum mit Koffein.