Wie entwirft man ein - Spektrum der Wissenschaft
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Welt der Wissenschaft: GroSSteleskope Wie entwirft man ein Radioteleskop? Die Geschichte der Homologie Die Leistungsfähigkeit eines großen Radioteleskops hängt entscheidend von der Güte des Reflektors ab. Doch wie lässt sich erreichen, dass die viele hundert Quadratmeter große Fläche stets exakt ihre Form behält – und zwar unabhängig von der Ausrichtung des Teleskops? Die Strukturmechanik trägt wesentlich zur Lösung des Problems bei. Von Hans Jürgen Kärcher In Kürze ó Die Sollform großer RadiowellenReflektoren wird dann optimal erreicht und eingehalten, wenn T eleskopgestützte optische Astro- Ein Radioteleskop hat die Abmes- nomie gibt es, seit Galilei vor sungen eines großen Gebäudes oder einer etwa 400 Jahren erstmals sein Brücke, und zusätzlich muss es sich auch Fernrohr an den Himmel richte- noch um zwei Achsen drehen. Als Bernard te. Radio-Astronomie gibt es dagegen erst, Lovell kurz nach dem Zweiten Weltkrieg seit Karl Jansky und Grote Reber vor etwa begann, seine Vision eines etwa 70 Meter alle Auflagerpunkte homolog sind, 80 Jahren in den USA die ersten Radiotele- großen Parabolspiegels zu entwickeln, das heißt, wenn sie sich hinsicht- skope bauten. Die in der Radioastronomie setzte er sich mit dem Bauingenieur lich ihrer strukturmechanischen empfangenen Wellen sind etwa 1000-mal Henry Charles Husband zusammen, und Eigenschaften nicht unterscheiden. ó Das im Jahr 1971 fertig gestellte länger als diejenigen der optischen Astro- entwarf mit ihm sein Konzept. Sie hielten nomie, und dementsprechend müssen Ra- ihre Ideen in einem »Blauen Buch« fest, 100-Meter-Radioteleskop in dioteleskope viel größer sein als optische das man sich heute in digitalisierter Form Effelsberg in der Eifel stellt die Teleskope; dafür sind aber die Ansprüche auf der Webseite von Jodrell Bank ansehen erste konsequente Lösung dieses an ihre Genauigkeit wesentlich geringer. Das erste wirklich große Radioteleskop kann – es ist ein wunderbares ingenieur- Konstruktionsproblems dar. ó Neuerdings sind auch andere 42 wurde vor etwa 50 Jahren in Jodrell Bank geschichtliches Dokument. homologe Lösungen entwickelt in England gebaut, Bauherr war die Uni- worden, so die Vier- und Acht- versität Manchester. Das Teleskop ist mitt- Die Gestaltung des Lovell-Teleskops Punkt-Reflektoren. Durch aktive lerweile nach seinem im Jahre 1913 gebo- Der erste Entwurf des Lovell-Teleskops hat- Regelung lässt sich die Form renen Initiator Bernard Lovell benannt, te einen Maschendraht-Reflektor (sie­he das der Reflektoroberfläche weiter der hoch betagt und von der Königin erste Bild auf S. 44 oben). Die beiden Ele- verbessern. geadelt weiterhin an dem Geschick seines vationslager waren am äußeren Rand des Teleskops Anteil nimmt. Anhand der gut Reflektors angeordnet, um den Reflektor dokumentierten Schritte zur Realisierung zu Wartungszwecken durchschwenken zu des Lovell-Teleskops wollen wir uns in die können, und ruhten auf hohen »Azimut- Problematik beim Bau großer Radiotele- Türmen«, die ihrerseits auf kreisförmigen skope hineindenken. Eisenbahn-Schienen in Azimut gedreht März 2011 Sterne und Weltraum Am 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg wurde das Prinzip der Homologie erstmals konsequent verwirklicht. Es ging im Jahre 1971 in Betrieb und ist – neben dem 101-Meter-Teleskop in Green Bank im US-Bundesstaat West Virginia – das größte voll bewegliche Instrument seiner Art. Hans Jürgen Kärcher werden konnten. Der Reflektor selbst wur- größere ringförmige Aussteifung, und das Last wird über die weitgespannten Eleva­ de durch eine Art von eisernem Steg, der Tragwerk dazwischen ist radialsymme- tionslager abgetragen. die beiden Elevationslager miteinander trisch konstruiert; der eiserne Steg ist Nach seiner Fertigstellung hatte das Te- verband, einem dazu senkrechten Sichel- verschwunden, aber als zusätzliches Ele- leskop – wie von einer Pioniertat zu erwar- träger und einer ringförmigen Randver- ment taucht ein »Fahrradreifen« (bicycle ten – offensichtliche Kinderkrankheiten. steifung aufgespannt. Das Ganze war sehr wheel) auf, der einem Strukturmechaniker Die Strukturschwingungen ließen sich filigran und leicht – war es möglicherweise zunächst sehr merkwürdig erscheint, der zwar beherrschen, aber der Reflektor bog durch die Erfahrungen von Husband als sich aber, wenn man Husbands Bericht sich, trotz der ausladenden rückwärtigen Hängebrückenbauer beeinflusst? Das dann gebaute und 1956 in Betrieb liest, als Dämpfungselement herausstellt, Stahlstruktur, viel zu sehr durch, und ei- um über Gummiräder eventuelle Struktur- nige der Stahlstreben zeigten bedenkliche gegangene Teleskop sah allerdings deut- schwingungen in Elevation zu dämpfen. Anzeichen von Überbeanspruchung. lich anders aus (siehe zweites Bild auf S. 44 An der Abtragung der Schwerkraft nimmt So entschloss man sich in Jodrell Bank oben). Die Reflektor­anordnung ist noch er dagegen gar keinen Anteil, die gesamte in den 1970er Jahren das Teleskop zu über- die gleiche, auch die beiden Azimut-Türme sind geblieben, aber der sich in Elevation drehende Teil wurde stark verändert. Zwi- Zur aktiven Beschäftigung schen der Konzeptphase im Jahre 1950 von Schülern mit den und der Realisierung im Jahre 1956 gab es Inhalten dieses Beitrags noch eine intensive Engineering-Phase, stehen auf der Internet- die man anhand von Husbands Bericht seite www wissenschaft-schulen.de didaktische Materialien zur freien Verfügung. Sie von 1958 nachvollziehen kann. Der Reflek- unterstützen die theoretische und praktische Auseinandersetzung der Schüler mit dem tor ist jetzt nicht mehr aus Maschendraht, Rotationsparaboloid des Bonner 100-Meter-Teleskops. Ingenieurtechnische Überle- sondern besteht aus einer geschlossenen Blechhaut, die – und das ist für den Struk- gungen zur Erhaltung der Rotationssymmetrie des Reflektors werden nachvollziehbar aufbereitet, und der Begriff »Homologie« wird vertieft. Das WIS-Projekt führen wir in turmechaniker wesentlich – an der Lastab- Zusammenarbeit mit der Landesakademie für Lehrer­fortbildung in Bad Wildbad und tragung des Elevationsteils teilnimmt. Au- dem Haus der Astronomie in Heidelberg durch. ßerdem hat er am Rande eine wesentlich www.astronomie-heute.de März 2011 43 Der 70 Meter große Reflektor des LovellTeleskops bestand im ersten Entwurf (erstes Bild rechts) aus Maschendraht, die erste Reflektorschale Elevationslager ruhten auf zwei durch einen eisernen Steg verbundenen AzimutTürmen. Der dann tatsächlich gebaute Reflektor (zweites Bild) erhielt eine PrimärfokusKabine geschlossene Blechhaut mit ringförmiger Elevationslager Aussteifung, seine Schwingungen wurden durch einen »Fahrradreifen« gedämpft. Nach 20 Jahren erhielt das Teleskop ein neues Stützrad, und in die erste Reflektorschale wurde eine zweite eingesetzt; Azimut-Türme schließlich erhielt die Alhidade zwei zusätzliche Fahrwerke und wurde durch diagonale Streben verstärkt (drittes Bild). Jodrell Bank Königszapfen Dämpfungsrad Lovell Parkes 63 % optimiert Die mittlere Durchbiegung eines Balkens, der an zwei Punkten gestützt wird, ist am kleinsten, wenn die Stützpunkte bei 63 Prozent der Balkenlänge liegen (Bilder oben). Analoges gilt für die Reflektorschale: Wie die genaue Modellierung für zwei Stützpunkte auf der Elevationsachse zeigt, verbiegt sich der Außenrand der Schale auf der Achse nach oben (Bilder rechts), und senkrecht dazu nach unten. Im Bild rechts unten sind die berechneten Verformungskonturen der Reflektorschale dargestellt – Abweichungen nach oben sind rot, nach unten blau kodiert. in Betrieb, wird von der Mannschaft in ein gewaltiges neues Stützrad ersetzt, das Jodrell Bank liebevoll gepflegt, und stellt nunmehr an der Abtragung der Gravitati- ein wunderschönes lebendes Denkmal onskräfte teilnahm, und dadurch sowohl ursprünglicher Inge­nieurs- und Teleskop- die Durchbiegungen zwischen den Eleva- baukunst dar. tionslagern verkleinerte, als auch die BeBild oben). Außerdem wurden die Azimut- Die Gestaltungskonzepte für Parkes und Effelsberg Türme der Alhidade durch zusätzliche Einen ganz anderen Ansatz als Henry Diagonalen versteift, und über die alte Charles Husband in Jodrell Bank wählten Reflektorschale wurde eine neue gesetzt. die Gestalter des 1962 in Parkes, Australi- (Als Alhidade – arabisch: Lineal – bezeich- en entstandenen Radio­teleskops. Dieses net man das große gabelartige Gestell, das Radioteleskop sollte mit seiner 64 Meter die Elevationsachse mitsamt der Reflek- großen Öffnung für lange Zeit das größte torschale trägt und sich als Ganzes auf bewegliche Instrument der südlichen He- Schienen um die Azimutachse dreht.) Die misphäre bleiben (siehe Bild ganz rechts alte Blechschale ist geblieben, sie nimmt oben). Entworfen wurde es ebenfalls von weiterhin an der Lastabtragung teil. Wie englischen Brückenbau-Ingenieuren, und im dritten Bild oben zu erkennen, wurde zwar von Freeman Fox und Partnern in zusätzlich eine zweite Schale eingebaut London, die damals auch die Hängebrü- – sie besteht aus einzelnen, justierbaren cken über den Severn bei Bristol und über Paneelen, die eine deutlich höhere Genau- den Firth of Forth bei Edinburgh bauten; igkeit der Reflektorfläche gewährleisten. mit der Fertigung wurde die »Maschi- Das Teleskop ist in dieser Form noch heute nenfabrik Augsburg Nürnberg« (MAN) in anspruchungen abminderte (siehe drittes 44 März 2011 Balken Schale SuW-Grafik nach Hans Jürgen Kärcher arbeiten. Das Dämpfungsrad wurde durch Sterne und Weltraum Neue Reflektorschale zusätzliche Alhidadestreben CSIRO Parkes Radio Observatory Elevationslager und -antriebe Hans Jürgen Kärcher Neues Stützrad zusätzliche Fahrwerke Der filigrane Reflektor des 64-Meter-Radioteleskops in Parkes, Australien (Bild oben) wird wie ein umgestülpter Regenschirm von externen radialen Speichen gestützt. Mainz-Gustavsburg, damals die führende einfachen Biegebalken. In den Grafiken auf ist erreicht, wenn die Elevationslager bei 63 deutsche Brückenbauanstalt, beauftragt, S. 44 Mitte ist skizziert, wie sich ein solcher Prozent des Reflektordurchmessers liegen. die Montage fand – wie bei allen Großtele- Balken durchbiegt, je nachdem ob man ihn Bei Effelsberg ist diese »63-Prozent-Regel« skopen – vor Ort, also in Australien statt. am Rande (Lovell), in der Mitte (Parkes), oder Die Konstrukteure des Parkes-Radio- irgendwo dazwischen (Effelsberg) abstützt. in etwa eingehalten. Aber das Balkenmodell ist natürlich teleskops wurden anscheinend von der Mit etwas Balkentheo­rie, wie man sie in der viel zu einfach für die weiteren Betrach- Form eines umgestülpten Regenschirms Ausbildung zum Statiker lernt, kann man tungen, der Reflektor ist ja kein Balken, angeregt: Sie ordneten in der Mitte der ausrechnen, dass das Optimum, in dem sondern eher eine Schale, und wenn man Reflektorschale eine Nabe an, welche die die mittlere Durchbiegung am kleinsten diese mit etwas verfeinerter »Schalentheo­ Schale über externe, radiale Speichen ab- ist, bei einem Abstand der Stützpunkte von rie« oder »Finiten Elementen« durchrech- stützt. Dadurch ist der Reflektor sehr fili- 63 Prozent der Balkenlänge liegt. Entspre- net, kommt ein Ergebnis heraus, wie es in gran und besitzt ein ganz anderes Tragver- chend gilt für den Reflektor: Das Optimum den Grafiken links unten gezeigt ist. Es halten als das Lovell-Teleskop. Auch dieses Radioteleskop ist heute noch in Betrieb. XEL Irgendwo zwischen dem Parkes- und XEL dem Lovell-Radioteleskop liegt die Ge- EL EL stalt des 100-Meter-Radioteleskops in XEL Effelsberg, das 1971, 15 Jahre nach dem Lovell-Teleskop, in Betrieb ging (Bild auf S. 43 oben). Auch dieses Instrument hat die EL Form eines umgestülpten Regenschirms, EL aber dessen Unterstützung ist viel ausla- XEL EL XEL dender angelegt. Wir wollen versuchen, an Hand der unterschiedlichen Gestal- EL XEL tungskonzepte zu verstehen, was ihre Auswirkungen auf die Qualitäten eines Teleskops sind, und uns dann im Lichte EL dieser Erkenntnis die Gestalt neuerer Ra- EL dioteleskope an­schauen. Was bei dem Vergleich der drei geschilderten Radioteleskope, Lovell, Parkes und Effelsberg, als Erstes auffällt, ist der sehr unterschiedliche Abstand der Elevationslager. Muss das nicht zu ganz unterschiedlichem Tragverhalten führen? Um das zu verstehen benützen wir als Ingenieurmodell einen PP SuW-Grafik nach Hans Jürgen Kärcher Homologie – das Geheimnis des Effelsberger Reflektors Die Verdopplung der Zahl der Auflager- PP punkte des Reflektors von zwei auf vier Punkte führt zu einer nach wie vor nicht Z homologen Struktur: Die an den auf der XEL XEL Elevationsachse aufliegenden Punkten EL der Reflektorschale wirkenden Kräfte werden auf anderen Wegen abgeführt als RS RS die an den dazu orthogonalen Punkten XEL wirkenden Kräfte. Rot sind Druckstäbe, blau sind Zugstäbe gezeichnet. Z www.astronomie-heute.de März 2011 45 Die Vorgeschichte des Effelsberger 100-Meter-Radioteleskops I n Deutschland gehen die Anfänge der Radioastronomie auf tralen interstellaren Wasserstoffs bei 21 Zentimeter Wellenlänge das Wissen zurück, das sich Radartechniker während des Zwei- entdeckt. In Deutschland war ihre astronomische Verwendung ten Weltkrieges zur Verteidigung der Heimat erarbeitet hatten. Es kulminierte in den Würzburg-Riesen – 7,5 Meter großen bis 1950 verboten. In Westdeutschland ging die Initiative zur Entwicklung der Radar­antennen, an deren Reflektorgestaltung der Einfluss des Radioastronomie von Friedrich Becker an der Universität Bonn damaligen Flugzeugbaus zu erkennen ist (Bild unten). Von den aus. Er baute von 1952 bis 1957 mit finanzieller Unterstützung Würzburg-Riesen wurden während des Krieges mehr als tau- des Landes Nordrhein-Westfalen auf dem Stockert in der Eifel ein send gebaut, die dann nach dem Krieg bei den Siegermächten 25-Meter-Radioteleskop (Bild unten), dessen technischer Betrieb starke Beachtung fanden, in alle Welt zerstreut oder dort zu- in den Händen vieler ehemaliger Mitarbeiter der Firma Telefun- rückgelassen, und in England, Frankreich, der Tschechoslowakei ken lag. Die Bauweise seines Reflektors zeigt, wie auch die der und Schweden als Radioteleskope genutzt wurden. Mit einem Würzburg-Riesen, noch Anklänge an diejenige der Flugzeuge im solchen Gerät wurde 1951 in Holland die Emission des neu- Zweiten Weltkrieg. Einer der zahlreichen WürzburgRiesen aus den ACADEMIC Stockert Förderverein Astropeiler 1940-er Jahren (links) und das von Friedrich Becker entwickelte 25-Meter-Radioteleskop auf dem Stockert in der Eifel (rechts). Die Auflagerung der Reflektorschale nach dem Regenschirm-Prinzip (links auf vier, rechts auf zwölf Auflagerpunkten) ist homolog: Alle Lasten werden in gleicher Weise über den zentralen Auflagerpunkt ZZ HL HL abgeführt. Von dort werden sie als Ganzes über das Sprengwerk der Elevationsachse HL HL (EA) in die Elevationslager (EL) geleitet. Das tragende Gestell des Effelsberger Reflektors (unten rechts) lässt sich als Summe zweier voneinander unabhängiger Strukturen ZZ ZZ darstellen: Regenschirm plus die beiden Stäbe »Peter & Paul« (unten links und Mitte) SuW-Grafik nach Hans Jürgen Kärcher Regenschirm Sprengwerk der Elevationsachse EA EL + Tragendes Gestell EL Peter = Paul ZZ 46 März 2011 ZZ Sterne und Weltraum für Radioastronomie nachzu- In Ostdeutschland wurde schon 1946 das Heinrich-Hertz-Institut gegründet. Dort wurde 1951 Otto Hachenberg zum Direktor denken. Zu dieser Zeit, nach dem bestellt: Er verlegte den Schwerpunkt der Forschung am Institut Mauerbau in Berlin, war Otto auf die Radioastronomie, hauptsächlich auf Radiobeobachtungen Hachenberg mit all seiner prak- der Sonne. Ab 1956 baute er in Berlin-Adlershof ein 36-Meter- tischen Erfahrung aus Adlershof Teleskop, das zwar »nur« ein Transit-Instrument war, das heißt, es an die Universität Bonn gewech- war in Elevation drehbar, aber nicht in Azimut. Sein Aussehen aber selt. Inzwischen hatte Sebastian mit den beiden Lagertürmen und dem innen vollen, außen mit von Hoerner in Heidelberg Maschendraht bestückten Reflektor nahm schon einiges von dem Studien über den Bau eines 160 späteren Effelsberger Teleskop vorweg. In Westdeutschland begann man Anfang der 1960er Jahre in Meter großen Radio­teleskops der Max-Planck-Gesellschaft, über die Gründung eines Instituts Wettbewerb um den Standort Sebastian von Hoerner MPIfR begonnen. Bei dem folgenden und den ersten Direktor des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie erhielten schließlich Bonn und Otto Hachenberg den Zuschlag, und Sebastian von Hoerner, der Tübingen als Standort vorgeschlagen hatte, wechselte 1962 zum NRAO nach den USA, wo er von 1964 bis 1967 seine Theorie der Homologie entwickelte und an einer Fülle von grundlegenden astronomischen Problemen arbeitete. Hachenberg setzte die Finanzierung und den Bau des Effelsberger 100-Meter-Teleskops durch, das 1971 in Betrieb ging und in vielem seine Handschrift trägt, in dem aber offensichtlich auch HHI Adlershof HHI Adlershof von Hoerners Ideen zur Homologie verarbeitet sind. Wenn man sich im Nachhinein den Nachlass der beiden Pioniere anschaut, dann erscheint von Hoerner wohl eher als ein theoretisch denkender Mensch, der wunderbare Aufsätze über seine konstruktiven Ideen hinterlassen hat, und Hachenberg als ein Mann der Tat, der mit Überzeugungskraft seine und die Ideen von Hoerners in Stahl Otto Hachenberg und sein 36-Meter-Teleskop in Berlin-Adlershof umsetzte. ergibt sich eine großflächige Verformung, nete Stäbe: Eine solche Struktur nennt ein die man in der Optik Astigmatismus Zimmermann »Sprengwerk«. Die Homologie der Struktur ist erst dann erreicht, wenn die Lastabtragung al- nennt. Der Rand des Reflektors biegt sich Wie die Grafiken auf S. 45 unten zeigen, ler Auflagerpunkte symmetrisch ist. Dazu im Einflussbereich der Elevationslager wird in diesem Fall die Last der Scha- müssen die Kräfte aller Auflagerpunkte nach oben durch (»legt die Ohren an«), lenanteile über den Elevationslagern EL der Schale in gleicher (homologer) Weise und sackt quer dazu nach unten ab. Das direkt in die Elevationslager eingeleitet, zur Spitze der Pyramide geführt werden, ist unbefriedigend, und wir benötigen während die Last der Schalenanteile über wobei die Punkte EL über der Elevations- Abhilfe. Um die Verformung des Reflektors den XEL-Punkten erst über die Stäbe RS achse nicht mehr ausgezeichnet sind in die Pyramidenspitze und von dort (siehe die Grafiken links). Dann bleibt weiter zu reduzieren, erhöhen wir die über die Stäbe PP in die Elevationslager nur noch die Frage, wie wir die zentrale Anzahl der Auflagerpunkte der Reflek- eingeleitet wird. (RS steht hier für »Regen- Kraft ZZ an der Pyramidenspitze zu den torschale von zwei auf vier. Die Grafiken schirm«, PP für »Peter & Paul« – warum, Elevationslagern führen. Bevor wir uns auf S. 45 unten zeigen dies links in der das wird weiter unten deutlich.) Die Auf- das überlegen, können wir aber zunächst Draufsicht und in zwei Schnitten, pa­rallel lagerpunkte haben also unterschiedliche noch die Anzahl der homologen Punkte und senkrecht zur Elevationsachse, und statische Eigenschaften – deshalb verhal- in Umfangsrichtung vergrößern, und wir rechts zur räumlichen Veranschaulichung ten sie sich unterschiedlich oder »nicht landen beim Regenschirmprinzip, wie isometrisch dargestellt. Um die zwei zu- homolog«. Die Konsequenz ist weiterhin wir es beim Parkes- und beim Effelsber- sätzlichen senkrecht zur Elevationsachse eine astigmatische Verformung, wie auf ger Teleskop schon durch Anschauen der liegenden Punkte XEL zu unterstützen, S. 44 unten gezeigt, wenn auch etwas Bilder wahrgenommen haben. Nunmehr müssen wir hinter der Reflektorschale abgeschwächt. Unsere Idee mit den vier ist die Auflagerung der Reflektorschale eine Zusatzstruktur anbringen – die sta- Punkten hat noch nicht zum Ziel geführt – in Umfangsrichtung vollständig gelun- tisch einfachste Möglichkeit dazu sind um Abhilfe zu schaffen, müssen wir uns gen, und wir müssen uns nur noch mit vier umgekehrt-pyramidenartig angeord- noch etwas einfallen lassen. der Durchbiegung der Schale in radialer www.astronomie-heute.de März 2011 47 Richtung herumschlagen. Bevor wir das (100 Meter) und dem Lovell-Teleskop (72 Zum Schluss sollte noch erwähnt tun, lösen wir erst noch das Problem mit Meter) das drittgrößte Radioteleskop werden, dass das Verformungsverhalten dem Transport der Zentralkraft ZZ zu den in Europa sein. Das Bild unten zeigt das natürlich nicht nur in Zenitstellung – wie Elevationslagern. Sprengwerk der Elevationsachse, bevor bisher geschehen – betrachtet werden Dazu greifen wir noch einmal auf das die Regenschirmstäbe angebaut wurden. muss, sondern auch in allen Zwischen- »Sprengwerk« der Zimmerleute zurück, In diesem Stadium der Montage ist das lagen bis hinunter zur Horizontstellung. das wir jetzt unabhängig von dem Regen- mächtige Bauteil noch gut zu erkennen: Die Skizze rechts zeigt die beiden Grenz- schirm anwenden und mit diesem dann Die beiden Zugstäbe, welche die Zentral- fälle für den Effelsberger Reflektor. In räumlich verschränken. Dadurch wird last ZZ zu den Elevationslagern tragen, Horizontstellung ruht der Reflektor nicht die gesamte Struktur etwas kompliziert, sind besonders kritische Bauteile und mehr auf der Pyramidenspitze, sondern und deshalb sind in den Skizzen auf S. 46 wurden von den Männern auf der Bau- auf einem zentralen »Königszapfen« unten zunächst links die beiden Tragwerk- stelle mit den Namen »Peter & Paul« be- direkt hinter dem Scheitelpunkt des steile, nämlich der Regenschirm und das ehrt, vermutlich weil diese beiden Apostel Parabol-Fachwerks – zur Balance um die Sprengwerk der Elevationsachse (EA), ge- damals die schwere Last der neu gegrün- Elevationsachse im zentralen Pyramiden- trennt dargestellt. Rechts, wie auch in der deten Kirche so erfolgreich geschultert punkt muss ein Gegengewicht angebracht Wirklichkeit des Effelsberger Teleskops, hatten. An ihnen hängt nämlich im fer- werden, das in Zenitstellung ebenfalls durchdringen sie sich räumlich, ohne sich tigen Teleskop das gesamte Gewicht der zu berühren – außer an der Pyramiden- Reflektorschüssel. Das Bild rechts oben zeigt eines der bei- Das Bild zeigt, wie die Elevationsachse des den Elevationslager des fertig montierten Sardinia Radio Telescope an ihren Bestim- spitze. Das Sardinia Radio Telescope Effelsberger Teleskops, das nach dem glei- mungsort gehoben wird (weiße Pfeile). Vor Nun betrachten wir ein neues, noch im chen Prinzip aufgebaut ist wie beim SRT. dem Einbau der Regenschirmstäbe, welche Aufbau befindliches Radioteleskop, und Hier kommen die Alhidade, Peter & Paul die Last der Reflektorschüssel in einem zwar das italienische Sardinia Radio Tele- und die Elevationsachse zusammen. Man Punkt unterhalb des Reflektors zusammen- scope (SRT), das seit 2006 bei San Basilio, kann sehr schön erkennen, wie die Regen- führen sollen, sind die beiden Stäbe Peter 35 Kilometer nördlich von Cagliari, im schirmstäbe und die Elevationsachse sich & Paul noch deutlich zu sehen – sie werden Aufbau ist. Mit seinen 64 Metern Durch- mit Peter & Paul gegenseitig durchdringen, die gesamte Last der Reflektorschüssel in messer wird es nach dem Effelsberger ohne sich zu berühren. die Elevationslager abführen. EL Elevationsachse EL Hans Jürgen Kärcher er Pa ul Pe t 48 März 2011 Sterne und Weltraum In den Elevationslagern des Effelsberger Radioteleskops kommen die Alhidade, Peter & Paul und die Elevationsachse zusammen. Die beiden die Reflektorschale tragenden Systeme durchdringen sich gegenseitig, ohne sich zu berühren. Die Vierbeinstütze Regenschirm dient der Halterung des Subreflektors Vierbeinstütze (siehe auch die Grafik unten rechts). e nsachs Elevatio Pe t er Alhidade & Pa u Hans Jürgen Kärcher l In Zenitstellung ruht der Effelsberger Reflektor auf dem Auflagerpunkt P1 an der Pyramidenspitze (links), in Horizontstellung ruht er auf dem Auflagerpunkt P2 an der Spitze des zentralen Königszapfens hinter Gegengewicht Eigengewicht der Sekundärfokuskabine (rechts). SuW-Grafik nach Hans Jürgen Kärcher P2 Regenschirmstäbe P1 Sekundärfokuskabine Ganz anders als beim ersten Lovell-Teleskop Auflagerkraft Horizontstellung Auflagerkraft Zenitstellung Lovell-Teleskop (unten links) sind beim Effelsberger Teleskop (unten rechts) alle Auflagerpunkte der Parabolschüssel gleichwertig. Allein dadurch werden die Abweichungen von der Parabolgestalt um zwei Größenordnungen verringert. Primärfokusempfänger Subreflektor EffelsbergerVierbein Teleskop Sekundärfokuskabine Reflektorschüssel P2 Dämpfungsrad Alhidade Regenschirm Pa ul er t Pe SuW-Grafik nach Hans Jürgen Kärcher Elevationslager P1 Azimutschiene www.astronomie-heute.de März 2011 49 Emmanuel Mendez Hans Jürgen Kärcher über Peter & Paul die Elevationslager voll der schlechten Zugänglichkeit des Raums Homologie ohne Regenschirm: Beim Large belastet. hinter dem Reflektorscheitel, an dem die Millimeter Telescope (LMT/GTM) in Mexiko Der Vergleich des ersten Lovell-Te- Empfangsgeräte für den Sekundärfokus wurden neue Wege beschritten. Links der leskops mit dem Effelsberger Teleskop untergebracht werden müssen. Beim Ef- erste Entwurf des Autors von 1996, rechts (siehe Grafik auf S. 49 unten) verdeutli- felsberger Radioteleskop ist dies wegen das fertige Instrument im Jahre 2010. cht noch einmal den Fortschritt in der seiner Größe kein echtes Problem – die in Strukturgestaltung: Der beim Effelsberger den Grafiken auf S. 49 angedeutete Sekun- Reflektor eingeführte Regenschirm führt därfokus-Kabine ist immer noch so groß, dass die Punktepaare in der Elevationsach- zur »Homologie« aller Auflagerpunkte dass man in ihr aufrecht stehen kann, und se und quer dazu ein unterschiedliches der Parabolschüssel: Sie sind sämtlich sie ist von den Elevationslagern aus über Steifigkeitsverhalten aufweisen – dass im strukturmechanischen Sinne gleich- einen Laufsteg, der das Reflektorfachwerk sie also nicht »homolog« waren. Abhilfe wertig. Dadurch wird erreicht, dass hier durchdringt, sowohl in Horizont- als auch schaffte die Anwendung des Regenschirm- die Abweichungen von der idealen Para- in Zenitstellung erreichbar. Allerdings dre- prinzips. Es gibt aber noch eine zweite bolgestalt nur etwa ein Prozent der beim hen sich die Empfangsgeräte mit der Eleva­ Möglichkeit, die vier Punkte »homolog« ersten Lovell-Teleskop aufgetretenen Ab- tionsbewegung um die Horizontale. Dabei zu machen – nämlich indem man sie in der weichungen betragen. ändert sich die Richtung der Schwerkraft, Draufsicht um 45 Grad dreht (Grafik rechts und das muss man beim Bau derjenigen oben). Die so gedrehten vier Punkte sind Vier-Punkt-Reflektoren Instrumente, die mit flüssigem Helium sowohl hinsichtlich der Elevationsachse Trotz des großen Erfolgs, zu dem das oder flüssigem Stickstoff gekühlt werden, als auch senkrecht dazu symmetrisch und Regenschirm-Prinzip beim Effelsberger berücksichtigen. damit homolog. Wir müssen sie nur noch 100-Meter-Teleskop geführt hat, wurden Deswegen ist es ein großer Vorteil für richtig mit den Elevationslagern verbin- später auch andere Wege eingeschlagen. die Radioastronomen, wenn man hin- den, und dazu dienen zwei Wippen, wie sie Oben ist das 50 Meter große, von MAN ter dem Reflektor eine Kabine für den rechts in der Skizze dargestellt sind. Nach Technologie entworfene Large Millimeter raumfesten anbringt, hinten hin werden sie durch einen Halb- Telescope (LMT/GTM) auf dem 4600 Meter der über einen Nasmyth-Spiegel in der kreisbogen ergänzt, der die Zahnkränze hohen Cerro la Negra in Mexiko zu sehen – Elevationsachse gespeist wird. Dadurch für den Elevationsantrieb trägt und auch eine Kooperation mexikanischer und US- sind die Empfänger viel besser zugäng- gleich noch den Ballast für die Balance amerikanischer Astronomen. Links ist die lich und raumfest – für sie ändert sich aufnimmt. Die Verbindungsstücke zwi- erste Entwurfsskizze des Autors aus dem während der Beobachtungen die Richtung schen den Ballastauslegern und dem Re- Jahr 1996, und rechts das fertig gestellte der Schwerkraft nicht. Dafür ist aber das flektor lassen sich auf der oben gezeigten Teleskop nach einem Schneesturm im Jahr Regenschirmprinzip nicht mehr anwend- Aufnahme sehr gut erkennen. Sie wurden 2010 gezeigt. Das Teleskop sieht ganz an- bar, da der mit dem Reflektor mitbewegte vom amerikanischen Partner des mexika- ders aus als das Effelsberger Teleskop, von Regenschirm die Nasmyth-Kabine durch- nischen Bauherrn mit dem schönen Na- einem »Regenschirm« ist nichts zu erken- schneiden würde. men »In Betweens« benannt und stellen nen. Was waren die Beweggründe, dieses Teleskop so ganz anders zu entwerfen? Nasmyth-Fokus Um hier Abhilfe zu schaffen, hilft uns die physische Realisierung der vier homo- wieder unsere Betrachtung der oben er- logen Auflagerpunkte dar. Das Bild rechts Der Regenschirm führt zu einem wähnten vier Auflagerpunkte des Reflek- oben zeigt den glücklichen Schöpfer des schweren betrieblichen Nachteil, nämlich tors. In der Grafik auf S. 45 war das Problem, Designs vor dem fertiggestellten Teleskop. 50 März 2011 Sterne und Weltraum Vier Auflagerpunkte, um 45 Grad gegen die Elevationsachse gedreht, sind sowohl zur Elevationsachse als auch quer dazu symmetrisch und damit homolog (links). Sie werden von zwei Halbkreisbögen unterstützt, die auch die Zahnkränze für die Hans Jürgen Kärcher SuW-Grafik nach Hans Jürgen Kärcher Elevationsbewegung tragen (rechts). Von den Vier-Punkt-Reflektoren gibt Auflagerpunkte des »Regenschirms« ab- Der Autor vor dem fertig gestellten Large es viele weitere Beispiele, auf die ich hier gesetzt wird. Auf S. 48 war bereits das Foto Millimeter Telescope in Mexiko. nicht weiter eingehen kann. Ich möchte eines vorangegangenen Montagezustands nur das 30-Meter-Millimeterwellen-Tele­ zu sehen, auf dem die Elevationsachse und skop von IRAM auf dem Pico Veleta in Spanien, das 32-Meter-Teleskop MERLIN »Peter & Paul« schön zu erkennen sind. Das SRT hat insofern eine interessante in Cambridge, England, und das 40-Meter- Vorgeschichte, als es von einem Dritten Teleskop IGN in Yebes, Spanien erwähnen. entworfen, dann aber von MT Mechatronics gebaut wurde. Nach Auftragserhalt Ein Acht-Punkt-Reflektor zeigte sich, dass der gegebene Entwurf Zum Schluss möchte ich noch einmal große Mängel hinsichtlich der Homologie auf das gegenwärtig im Bau befindliche aufwies, obwohl dem Entwurf doch der An- Die 64 Meter große Reflektorschüssel des 64-Meter-Radioteleskop Sardinien schauung nach das Regenschirmkonzept Sardinia Radio Telescope wird auf den (Sardinia Radio Telescope, SRT) eingehen, Regenschirm mit seinen acht Speichen das einen Acht-Punkt-Reflektor besitzt. zugrunde lag. Die berechneten, auf S. 52 oben links dargestellten Verformungen Das Bild unten rechts zeigt den am Boden zeigten einen starken Astigmatismus. Eine lung (links) sind der Regenschirm dunkel- vormontierten Reflektor, kurz bevor er Detailanalyse des Entwurfs ergab, dass blau, Peter & Paul und die Elevationsachse mit einem 1000-Tonnen-Kran auf die acht der Grund in der fehlenden Entkopplung grün dargestellt. abgesetzt. In der schematischen Darstel- www.astronomie-heute.de INAF SuW-Grafik nach Hans Jürgen Kärcher in März 2011 51 MT Mechatronics Bei der Reflektorschüssel des SRT betrug die mittlere Abweichung von der Sollform vor der Strukturoptimierung noch 3,021 Millimeter (links). Erst die Entkopplung des Regenschirms von Peter & Paul führte zu einem hinrei- Hans Jürgen Kärcher chend homologen Verhalten: Jetzt betrug die mittlere Abweichung 0,792 war als Systemingenieur Millimeter, und damit waren die Spezifikationen erfüllt (rechts). für Teleskope bei MAN Gustavsburg ( jetzt MT Mechatronics) unter zwischen den Regenschirmstäben und ihre großen optischen Spiegel eine »iso- vielen anderen Projekten »Peter & Paul« lag, und dass dadurch die statische Spiegelauflagerung« entwickelt maßgeblich am Entwurf und Bau des großen Elevationslager, wie oben erläutert, sich hatten. Allerdings wurde das Prinzip der Millimeterwellenteleskops GMT/LMT in auf die Reflektorfläche durchdrückten. Ab- Homologie völlig unabhängig von diesen Mexiko und des Flugzeugteleskops SOFIA hilfe schaffte wieder die Entkopplung der Vorläufern und ohne deren Kenntnis ent- beteiligt. Seit 2006 ist er für Forschungs- und Lastabtragung, die hier aber nicht räum- Entwicklungsprogramme bei MT Mechatronics lich geschah – vielmehr wurde sie durch wickelt. Als passive Methode reicht die Homo- gezielte Erhöhung der Biegenachgiebigkeit logie heutzutage allein nicht mehr aus, der einander durchdringenden Stäbe er- um den Anforderungen der Astronomen reicht. Auf die Einzelheiten kann hier nicht nach immer höherer Genauigkeit gerecht Literaturhinweise näher eingegangen werden. Das Bild oben zu werden. Es bleiben in der Hinterhand rechts zeigt das Ergebnis der Strukturop- des Teleskopingenieurs dann noch: eine timierung: Auf dem optimierten Verfor- aufwändige Klimatisierung des ganzen Te- mungsdiagramm sind die acht Auflager- leskops, um es vor äußeren Witterungsein- punkte klar zu erkennen, ebenso wie der flüssen zu schützen und seine Struktur im Einfluss des Vierbeins, das hier, nicht wie Inneren auf möglichst konstanter Tempe- bei Effelsberg getrennt (siehe die Grafik auf S. 49 unten rechts), sondern direkt auf ratur zu halten (dazu dient die im Bild auf S. 50 gezeigte Verkleidung des LMT/GTM), dem Reflektortragwerk aufgesetzt ist und oder die Verwendung temperaturstabiler sich entsprechend durchdrückt. Dieser Materialen wie Kohlefaser-Verbundwerk- Effekt ließe sich nur durch eine getrennte stoffe (beispielsweise bei ALMA). Als ultimative Maßnahme dient eine Lovell, B., Husband, H. Ch.: The Blue Book. Jodrell Bank Centre for Astrophysics. http://www.jb.man.ac.uk/aboutus/ lovell/bluebook/ Husband, H. Ch.: The Jodrell Bank Radio Telescope, The Institution of Civil Engineers, London 1958 Husband, H. Ch.: Final Report with Cost Estimates on the Modifications to the Mark I Radio Telescope, The Science Research Council, University of Man­ chester 1968 Dahlem, M., Brinks, E.: Radiobeobachtungen. Welches Instrument für welche Anwendungen? Teil 1: Einzelteleskope. In: Sterne und Weltraum 5/1994, S. 350 - 357. Teil 2: Interferometer. In: Sterne und Weltraum 6/1994, S. 446 - 452 Burke, B. F., Graham-Smith, F.: An Introduction to Radio Astronomy. Cambridge University Press, Cambridge 1996 Grahl, B. H., Wielebinski, R.: A Short History of the German Radio Astronomy. MPIfR, Bonn 2010 Auflagerung des Vierbeins beseitigen, wie auch im Bild auf S. 49 oben am Effelsberger »aktive Oberfläche« – hier werden die Teleskop erkennbar; aber darauf wurde Reflektorpaneele einzeln auf Sollposition hier verzichtet, weil die Zielvorgaben oh- gehalten. Mit einer solchen Technologie nedies schon erreicht waren. sind heutzutage alle größeren Radioteleskope wie das LMT/GTM und das SRT Weitere Steigerung der Genauigkeit ausgestattet, und selbst das Effelsberger Teleskop wurde mit einem aktiven Sub- Homologie ist eine Methode, um das reflektor nachgerüstet, mit dem es sich Verformungsverhalten Radiore­ sogar zum Empfang von Millimeterwellen flek­tors ausschließlich durch passive, eines eignet – wenn das Wetter in der Eifel es gestalterische Maßnahmen in den Griff erlaubt. Aber neben all diesen modernen zu bekommen. Aus strukturmechanischer Methoden sollte der Teleskopingenieur Sicht entspricht sie derjenigen der op- bei der Gestaltung der Teleskopstruktur, tischen Teleskopbauer Friedrich Wilhelm die ja das Rückgrat des Ganzen bildet, die Herschel, William Lassell und Thomas geschilderten Methoden der Homologie nicht außer Acht lassen. Grubb, die schon vor 150 bis 200 Jahren für 52 März 2011 in Mainz zuständig. Weitere Literatur im Internet: www.astronomie-heute.de/artikel/ 1061214 Sterne und Weltraum Alles für den Amateur-Astronomen Since NEW PRODUCTS 1975 StarShoot USB Eyepiece 31.75mm Premium Telescope Accessory Kit #52173 #8890 SkyQuest XX14g GoTo Truss Tube Dobsonian StarShoot Solar System Color Imager IV #8954 SkyQuest XT8 Classic Dobsonian #8943 #27184 SkyQuest XX12i IntelliScope Truss Dobsonian SkyQuest XT6 Classic Dobsonian #8942 #9793 StarBlast 4.5 SkyScanner 100mm EQ Reflector TableTop Reflector #9798 ShortTube 80 EQ Refractor #9820 #27126 Parsec 8300M Monochrome Astronomical Imaging Camera SteadyStar Adaptive Optics Guider 8" f/4.0 Newtonian Astrograph Nautilus Motorized Filter Wheel 4x50.8mm #9527 #53076 #5526 Awesome Autoguider Refractor Package #52077 Parsec 8300C Color #24770 #52075 SteadyPix Deluxe Camera Mount 152.4mm x 254mm Dobsonian Telescope Cloak #9541 Apex 90mm MaksutovCassegrain StarBlast 6i IntelliScope Reflector #24688 #52077 ACCESSORIES SkyQuest XT10i Computerized IntelliScope #8949 ASTRO-IMAGING BEGINNER TELESCOPES DOBSONIANS SkyQuest XT10g GoTo Dobsonian #52175 #5338 Dynamo Pro 12 Power Station 31.75mm 2x Shorty-Plus 3-Element Barlow Lens #2302 #5121 Focal ReducerCorrector for ED80 Telescope #15189 #5195 O.S.D.V. Autorisierte Orion Händler Optique Perret Astro Optik Astroshop www.osdv.de www.optique-perret.ch www.astronomie-heute.de 49(0)2922/9109064 41-22-311-47-75 www.astrooptik.ch 41(0)-41-661-12-34 www.astroshop.de 08191-94049-1 Teleskop-Service www.teleskop-service.de 089-1892870 Besuchen Sie unsere Orion page auf Facebook www.facebook.com/oriontelescopes März 2011 53
