maxon liefert automatischen Filterwechsler für Superteleskop

maxon wurde ausgewählt, das optische Filterwechslersystem für das bald grösste Weitwinkel-Teleskop auf der Welt zu liefern. Das Projekt, an dem fünf französische Forschungslabore beteiligt sind, benötigt Motoren und Steuerungen, die besonders verlässlich sind und mit einer Genauigkeit von einem Zehntelmillimeter arbeiten können.

Mit seinem Spiegel von 8,4 Metern Durchmesser und einer Kamera mit einer Detektorfläche von 3,2 Gigapixeln – die grösste Digitalkamera der Welt – ist das Large Synoptic Survey Telescope (LSST) ein Projekt der Superlative. Seine Mission? Die Grenzen des Sichtbaren zu erweitern und für die nächsten 10 Jahre vom Observatorium am Gipfel des Cerro Pachón in Chile aus unermüdlich das Universum zu beobachten und zu kartografieren.

Das LSST: ein Produkt des Expertenwissens aus der ganzen Welt

Um seine Mission zu erfüllen, wird das Large Synoptic Survey Telescope mehrmals in der Woche den gesamten Himmel fotografieren, sodass Veränderungen aufgezeichnet 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 zur Entschlüsselung der Geheimnisse Dunkler Materie und Dunkler 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.

Hochpräzise Mechanik im Dienste der Astronomie

Das Teleskop wird auf dem Gipfel des Cerro Pachón in einer Höhe von 2 680 Metern über dem Meeresspiegel errichtet. Dieser Standort wurde ausgewählt, weil dort die Störeinflüsse durch Atmosphäre und Licht besonders gering sind. Die Kuppel, die das Teleskop beherbergt, hat einen Durchmesser von 30 Metern und eine Höhe von 17 Metern. Die Konstruktion ist komplett motorisiert, damit das Teleskop in jede nur mögliche Richtung ausgerichtet werden kann.

Das eigentliche Teleskop setzt sich im Wesentlichen aus drei Elementen zusammen. Das erste Element ist die Montierung, mit der die genaue Position des Teleskops angefahren und die Aufzeichnung vorbereitet wird. Dann folgt das optische System, das aus drei asphärischen Hohlspiegeln besteht, deren grösster einen Durchmesser von über 8 Metern aufweist. Schliesslich zählt noch die Digitalkamera dazu, ein 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.

Schneller, optischer 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.

The use of the same supplier for the motor/controller combination means that there are no compatibility issues: maxon EC40/GP42 and EPOS2 70/10 positioning controller.

Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit ist eine Apparatur zur Handhabung der extrem kostspieligen Filter – jeder mit einem Durchmesser von 75 Zentimetern und einem Gewicht von fast 40 Kilo – die bis auf einen Zehntelmillimeter genau funktioniert. Im Zentrum der Vorrichtung befindet sich ein Karussell, das Platz für fünf Filter bietet und einen dieser Filter in unter 20 Sekunden 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. Zusammen bilden diese drei Elemente den automatischen Filterwechsler.

Kompaktheit, Ausfallsicherheit, Support

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, für das System geeigneter Komponenten.

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 Steuerung liefert, ist sichergestellt, dass keine Kompatibilitätsprobleme auftreten. Im Karussell und dem automatischen Wechsler kommen zum Beispiel die Getriebemotoren maxon EC 40/GP 42 und RE 40/GP 52 C 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 Steuerungen – unverzichtbar für die Integration in die Kamera. Ebenso ausschlaggebend war das Kriterium der Ausfallsicherheit. 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.

Facettenreiche 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. maxon ist sehr stolz darauf, dass der Online-Konfigurator, die Motoren und die elektronischen Systeme ihren Beitrag zur Umsetzung eines derart technisch und wissenschaftlich herausfordernden Projekts leisten konnten.
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LSST; maxon Group