Künstliche Sterne durch Lasertechnologie.

Bis man seine eigenen Sterne erschaffen kann, ist es noch ein langer Weg. Doch für wissenschaftliche Anwendungen wird die Technologie bereits heute verwendet. Die Niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung TNO hat ein Projektionssystem für das Very Large Telescope (VLT) des European Southern Observatory (ESO) entwickelt. Das sogenannte „Optical Tube Assemblies“ (OTA) ist ein komplexes Projektionssystem zur Erzeugung künstlicher Sterne. Ein hochpräzises Antriebssystem mit zwei bürstenlosen maxon-Flachmotoren, Planetengetriebe mit Spindel und Encoder sorgen für die exakte Ausrichtung der Laser.

Die Europäische Südsternwarte, das European Southern Observatory (ESO), ist das wissenschaftlich erfolgreichste Observatorium der Welt. Seit ihrer Gründung im Jahre 1962 stellt die ESO Astronomen und Astrophysikern Forschungseinrichtungen zur Verfügung, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Das Flaggschiff der europäischen Astronomie ist das Very Large Telescope (VLT), welches sich in Chile auf dem Berg Paranal befindet und optimale Bedingungen für Beobachtungen im Bereich des Infrarot- und des sichtbaren Lichts bietet. Das VLT ist das fortschrittlichste optische Instrument der Welt und besteht aus vier Unit Telescopes (UTs) oder „Hauptteleskopen“ mit Spiegeldurchmessern von 8,2 Metern und vier auf Schienen beweglichen 1,8 Meter Auxiliary Telescopes (ATs) oder „Hilfsteleskopen“. Die Niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung TNO hat ein Projektionssystem für das  VLT entwickelt. Die sogenannten „Optical Tube Assemblies“ (OTA) sind komplexe Projektionssysteme zur Erzeugung künstlicher Sterne. Mit Hilfe dieser Systeme werden Laser hoch in die Atmosphäre geschossen, um künstliche Sterne zu erzeugen. Dieser optische Tubus gehört zu den kritischen Elementen des „4Laser Guide Star Facility“ (4LGSF).  Diese Vorrichtung ist die  nächste Generation von Teleskopen mit adaptiver Optik, die sogenannte Adaptive Optics Facility (AOF), welche bei VLT eingesetzt werden.
Bestehend aus vier leistungsstarken 20-Watt-Lasern, helfen die 4LGSF Bildverzerrungen des VLT zu korrigieren, die durch Turbulenzen in der Luft verursacht werden. Durch das neue Lasersystem wird zudem ein besseres Sichtfeld des Teleskops erzielt.

Teleskope sammeln in der Regel einfallendes Licht vom Himmel und fokussieren es in einem Instrument. Mit dieser neuen Technologie setzt man auf die entgegengesetzte Richtung. Die Teleskope werden dazu verwendet, um die Laserstrahlen in den Himmel zu projizieren und so Lichtpunkte zu erschaffen. Die Laserstrahlen erregen eine Schicht von Natrium-Atomen auf einer Höhe von 90 km in der Atmosphäre. Dadurch fangen sie an zu leuchten. Dies passiert mit einer Genauigkeit von 45 mm auf 90 km Höhe. Diese glühenden Flecken dienen, als künstliche Leitsterne, die den Wissenschaftlern astronomische Beobachtungen in der Nähe dieser hellen Punkte erleichtern. Mit vier solchen künstlichen Sternen, wird zudem eine verbessern Schärfe des VLT erreicht.

maxon Antriebssysteme im Feldselektor-Mechanismus
Die Konstruktion des OTA besteht aus einem 20-fach-Laserstrahl-Aufweiter und einem aktiven, kipp- und schwenkbaren Spiegel, dem Feldselektor-Mechanismus (FSM). Dieser Mechanismus ist mit einer Kombination aus Membranfeder und Streben verbunden, die lediglich Kipp- und Schwenkbewegungen zulassen. Der Spiegel des FSM hat einen Durchmesser von 100 mm. Er kann um zwei orthogonale Achsen in einer Ebene parallel zur Spiegeloberfläche rotiert werden. (Abb.2)  Die Drehung des FSM-Spiegels bewirkt eine asymmetrisch reduzierte Reaktion des Winkels der Laserstrahl-Ausrichtung am Himmel. Der Spiegel ist elastisch gelagert und wird mittels selbsthemmender Stellantriebe mit hoher Steifigkeit ausgerichtet. Um die erforderliche absolute Genauigkeit zu erreichen, werden Sensoren eingesetzt, welche die Ausrichtung des Spiegels zur Basis direkt messen.

Das eingesetzte Antriebssystem von maxon motor ist für die exakten Kipp-und Schwenkbewegungen
des Spiegels im FSM und damit für die exakte Ausrichtung der Laser zum Himmel verantwortlich. In einem Teleskop kommen zwei Motoren pro FSM-Einheit zum Einsatz. Für die Konstruktion der Stellantriebe waren vor allem die Anforderungen an die Dynamik ausschlaggebend. Nur wenige kommerzielle Stellantriebe sind mit einer Selbsthemmung ausgestattet, die diese Anforderungen erfüllt. TNO hat daher auf Grundlage eines Standard-Spindelantriebs von maxon mit einem Planetengetriebe mit integrierter Kugelumlaufspindel eine hochpräzisen Federübersetzung entwickelt. Das Funktionsprinzip ist aus Abbildung 3 ersichtlich: wenn der Motor dreht, drückt die Mutter eine weiche Feder zusammen. Die weiche Feder übt eine Kraft auf die steife Feder aus, die mit dem Spiegelträger verbunden ist.

Da das Steifigkeitsverhältnis zwischen der weichen und der steifen Feder 1:22 ist, bewirkt eine Bewegung der Mutter eine um den Faktor 22 kleinere Bewegung des Spiegels. Dieses Prinzip erhöht die Auflösung drastisch, während das Dynamikverhalten des FSM nur geringfügig eingeschränkt wird. Durch die begrenzte Bauhöhe in den FSM-Einheiten eignen sich die bürstenlosen Flachmotoren besonders gut für die Anwendung.

2015 wird das erste Teleskop mit der neuen Lasertechnologie im Paranal Observatory in Chile ausgerüstet. Ausserdem plant die ESO die Technologie in weiteren Teleskopen einzusetzen. Das mit einem Spiegeldurchmesser von rund 40 Meter weltgrösste geplante Teleskop für sichtbaren und infrarotes Licht, das European Extremely Large Telescope (E-ELT) soll ebenfalls mit der Lasertechnologie ausgestattet werden. Es ist also ganz sicher, dass die Menschheit auch in Zukunft die Sterne viel klarer sehen wird.

 © maxon motor ag

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