Schrittmotoren positionieren Glasfasern im Spektrographen
3D-Vermessung der Milchstraße
Eine präzise und exakt wiederholbare Positionierung ist für die moderne Automatisierungstechnik unabdingbar, z.B. in der Mikroproduktion, Kommunikation oder für neue Forschungsansätze. Die dort eingesetzten Komponenten kommen aber auch in eher exotischen Anwendungsgebieten wie der Astronomie zum Einsatz. Ein astronomischer Spektrograph mit über 1.000 präzise positionierten Glasfasern zeigt, welches Potential heutige Mikropositioniersysteme haben.
Bild: eso.orgDie Erde befindet sich in der Scheibenebene der Milchstraße. Will man von hier aus in das Zentrum der Galaxie oder auf die andere Seite blicken, sind zahllose Sterne im Weg. Wo sich welche Sonnen der Milchstraße befinden, lässt sich aus irdischer Perspektive also nur schwer ermitteln. Ein astronomisches Großprojekt soll in naher Zukunft viele dieser Wissenslücken schließen. Daran beteiligt sind acht Institute aus mehreren Ländern. Auftraggeber ist die Europäische Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO). Sie betreibt in der chilenischen Atacama-Wüste einige der weltweit leistungsstärksten Teleskope. Zu ihnen gehört auch das Very Large Telescope (VLT) am Paranal-Observatorium mit einem Spiegeldurchmesser von 8,2m. Ziel ist, das VLT mit dem neuen Spektrographen Moons (Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph) auszustatten, der eine große Zahl kosmischer Objekte im sichtbaren und infraroten Spektrum gleichzeitig erfassen kann.
Einzelne Spektren statt Foto
"Bei einer hochwertigen Fotokamera kann man die Objektive wechseln. Bei einem astronomischen Teleskop ist es andersherum - wir haben die hervorragenden Objektive des VLT und werden die Kamera gegen unser Moons austauschen", erklärt Dr. William Taylor, Wissenschaftler des Projektkoordinators United Kingdom Astronomy Technology Centre (UK ATC) in Edinburgh. Moons soll ganz neue Möglichkeiten der Himmelsbeobachtung eröffnen, auch wenn dabei keine großflächigen Bilder entstehen. Stattdessen werden viele Einzelheiten detailliert ins Visier genommen. Dafür schwenken die riesigen Linsen und Spiegel des VLT auf den Himmelsausschnitt, der untersucht werden soll. Anschließend werden im Moons die Enden von genau 1.001 optischen Fasern auf einzelne Objekte in dieser kosmischen Region ausgerichtet. Statt wie mit einer Kamera die ganze ausgewählte Fläche abzubilden, fokussiert das neue Instrument die Fasern auf bestimmte Punkte im Universum und zerlegt ihr Licht mittels Prismen in unterschiedliche Wellenlängen. "Mit dieser Methode erhalten wir wesentlich mehr Information als aus einem einfachen Bild", sagt Taylor. "Wir erfahren z.B. etwas über die chemische Zusammensetzung der beobachteten Objekte. Außerdem können wir ihre Dynamik - die Geschwindigkeit und Richtung der Bewegungen - berechnen." Da Moons das nahe Infrarot-Spektrum erfasst, lässt sich die Rotverschiebung genau analysieren, der das Licht ferner Objekte auf dem Weg zur Erde unterliegt." Wenn sich ein Stern von der Erde entfernt, wird die Wellenlänge seines Lichts länger.
Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KGTausend Objekte im Blick
Bisher konnte man höchstens etwa hundert Objekte einzeln beobachten, und das auch nur im Bereich des sichtbaren Lichts. Mit Moons wächst diese Zahl auf das Zehnfache und die Informationstiefe nimmt um ein Vielfaches zu. "Es gehört zu den Zielen unseres Projekts, eine 3D-Karte der Milchstraße zu erstellen", führt Taylor fort. "Außerdem erlaubt uns die Moons-Technologie, mit einer bisher unerreichten Auflösung sehr weit - und damit auch zeitlich sehr weit zurück - zu schauen. Wir werden uns so dem Urknall bis auf wenige hundert Millionen Jahre annähern können." Damit sollen die Wissenschaftler Einblick in die frühe Kindheit des Weltalls erhalten und zwar weit schärfer und detaillierter als bisher. "Wir werden in der Lage sein, neben der Milchstraße auch das Universum in bisher unerreichter Tiefe zu kartieren", versichert Taylor. Dafür wollen die Astronomen in einem Zeitraum von etwa fünf Jahren viele Millionen Objekte ins Visier nehmen. Das kann aber nur gelingen, wenn alle Lichtleitfasern des Spektrographen sich schnell und weitgehend automatisiert auf die kosmischen Ziele ausrichten lassen. Diese Aufgabe übernehmen ebenso viele Faserpositioniermodule (Fibre Positioning Units, FPU). Sie verfügen über zwei Antriebseinheiten aus je einem Schrittmotor und einem spielarmen Stirnradgetriebe. Das Getriebespiel wird dazu mittels einer Vorspannung durch gegensinniges Verdrehen der Getriebestränge und deren Verspannung auf dem Motorritzel möglichst gering eingestellt. Damit sind solche Getriebe gut geeignet für Positionieraufgaben mit hoher Genauigkeit und geringem Drehmoment.
Faserpositioniereinheiten mit Schrittmotoren
Die hintere, sogenannte Alpha-Einheit bewegt dann die Zentralachse. Auf ihr ist exzentrisch die vordere Beta-Einheit befestigt, die gleichzeitig die Faserspitze bewegt. Durch die Kombination der zwei axialen Bewegungen deckt jedes Positioniermodul eine kreisförmige Fläche ab, in der die Faser beliebig ausgerichtet werden kann. Diese Fläche überschneidet sich teilweise mit den Flächen der benachbarten FPUs. Auf diese Weise lässt sich jeder Punkt im Erfassungsbereich ansteuern. Um die benötigte Präzision zu gewährleisten und Kollisionen zwischen den FPU-Spitzen zu vermeiden, müssen die Systeme mit hoher Wiederholgenauigkeit arbeiten. Aus der Erfahrung von Faulhaber mit der Positionierung von Glasfasern im Telekommunikationsbereich, die ähnlichen Anforderungen an Präzisionsschrittmotoren stellen, ließ sich die Aufgabe mit Standardprodukten umsetzen. Die Precistep-Schrittmotoren erlauben Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb, sind langlebig und arbeiten in einem großen Temperaturbereich zuverlässig. Letzteres ist wichtig, da die Teleskopkuppel für die Aufnahmen in kalten Wüstennächten geöffnet werden muss. Zudem erlauben die Schrittmotoren ein kostengünstiges Positionieren ohne Impulsgeber. Die spielarmen Getriebe von Faulhaber Minimotor erhöhen die Genauigkeit der Positionierung durch die Präzisionsuntersetzung. Für die mechanische Konstruktion der FPU-Module ist die Faulhaber-Tochter MPS zuständig.
Maßgeschneiderte Lösung
"Ohne das spezifische Knowhow aus der Unternehmensgruppe hätten wir dieses zentrale Modul nicht in dieser Form entwickeln und vor allem nicht in der benötigten Stückzahl herstellen können", betont Dr. Steve Watson, der beim UK ATC für die Entwicklung der FPU zuständig ist. Teleskopzeit ist bei den begrenzten Zeitfenstern für astronomische Aufnahmen kostbar, neben der Geschwindigkeit bei der Ausrichtung der Lichtleitfasern kommt es natürlich auf deren Präzision an. "Wir erreichen eine Genauigkeit von 0,2° und eine Reproduzierbarkeit der Position bis auf 20µm. Angesichts der Länge der FPU und des modularen Aufbaus sind das außergewöhnlich gute Werte. Auch die korrekte Ausrichtung im Verhältnis zur Fokalplatte, auf der die Module angeordnet sind, bleibt in allen Positionen erhalten", fasst Watson zusammen.
Einfache Steuerung
Die hohe Präzision und Zuverlässigkeit der Antriebskomponenten erlauben es, die Steuerung einfach zu halten - eine weitere Bedingung für einen reibungslosen Betrieb nicht nur beim Betrieb des Spektrographen. Komplexe Elektronik und Steuerungslogik wären eine große Hürde für die schnelle, gleichzeitige Ansteuerung von 1.001 Einheiten. Aufgrund der hohen Qualität der Komponenten lässt sich die präzise Ausrichtung im offenen Regelkreis erreichen. Zudem muss die Technik robust und möglichst wartungsfrei sein, um über die geplante zehnjährige Einsatzzeit der Anlage ohne Unterbrechung zu funktionieren. Projektmanager Dr. Alasdair Fairley ist zuversichtlich: "Die Arbeiten an Moons kommen gut voran. Der Spektrograph wird voraussichtlich im Sommer 2021 installiert. Die Inbetriebnahme wird etwa ein halbes Jahr in Anspruch nehmen, sodass voraussichtlich Anfang 2022 die Kartierung der Milchstraße beginnt."
Eine präzise und exakt wiederholbare Positionierung ist für die moderne Automatisierungstechnik unabdingbar, z.B. in der Mikroproduktion, Kommunikation oder für neue Forschungsansätze. Die dort eingesetzten Komponenten kommen aber auch in eher exotischen Anwendungsgebieten wie der Astronomie zum Einsatz. Ein astronomischer Spektrograph mit über 1.000 präzise positionierten Glasfasern zeigt, welches Potential heutige Mikropositioniersysteme haben.
Bild: eso.orgDie Erde befindet sich in der Scheibenebene der Milchstraße. Will man von hier aus in das Zentrum der Galaxie oder auf die andere Seite blicken, sind zahllose Sterne im Weg. Wo sich welche Sonnen der Milchstraße befinden, lässt sich aus irdischer Perspektive also nur schwer ermitteln. Ein astronomisches Großprojekt soll in naher Zukunft viele dieser Wissenslücken schließen. Daran beteiligt sind acht Institute aus mehreren Ländern. Auftraggeber ist die Europäische Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO). Sie betreibt in der chilenischen Atacama-Wüste einige der weltweit leistungsstärksten Teleskope. Zu ihnen gehört auch das Very Large Telescope (VLT) am Paranal-Observatorium mit einem Spiegeldurchmesser von 8,2m. Ziel ist, das VLT mit dem neuen Spektrographen Moons (Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph) auszustatten, der eine große Zahl kosmischer Objekte im sichtbaren und infraroten Spektrum gleichzeitig erfassen kann.
Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 11 2019 - 28.10.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
