Positioniersysteme, die zur Bewegung von Spiegelelementen oder Subreflektoren dienen, sind entscheidende Faktoren für den Betrieb großer Teleskope, Sonden und insgesamt für den erfolgreichen Ablauf von Weltraumexperimenten. Neben Präzision und Dynamik sind auch die Funktionsfähigkeit der Komponenten und Teilsysteme unter extremen Umgebungsbedingungen sowie die Fähigkeit, den hohen Beschleunigungen beim Raketenstart standzuhalten, wesentliche Anforderungen.
Aufgrund seiner langjährigen Erfahrung verfügt das UnternehmenPhysik Instrumenteüber umfangreiches Know-how und Kompetenz bei der Entwicklung und Herstellung geeigneter Lösungen und war daher an mehreren bedeutenden Weltraumprojekten beteiligt.
PICMA-Piezoaktoren unterstützen die Erforschung des Roten Planeten
Um Gesteinsproben auf dem Mars analysieren zu können, muss der Gesteinsstaub zunächst sortiert werden. Zu diesem Zweck wird der Staub mit verschiedenen Amplituden und Frequenzen im Bereich von 0,9 bis 2,2 kHz geschüttelt, wodurch eine homogene Partikelgröße oder eine Trennung nach Dichte erreicht wird.
Für diese Aufgabe haben sich die mehrschichtigen piezoelektrischen PICMA®-Aktuatoren qualifiziert, die nun Bestandteil eines der Instrumente des Curiosity-Marsroversnamens CheMin sind, das für chemische und mineralogische Analysen an Gesteinen auf dem Mars vorgesehen ist.
Die PICMA-Piezoaktoren erzeugen die für die Materialauswahl erforderlichen Schwingungen und liefern diese mit einer definierten Frequenz. Dank ihrer vollkeramischen Isolierung eignen sie sich ideal für den Einsatz unter Weltraumbedingungen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und bei extrem niedrigem Umgebungsdruck. Sie werden ohne synthetische Materialien hergestellt, die ihre Zuverlässigkeit in einer solchen Umgebung erheblich beeinträchtigen könnten – dadurch können die patentierten mehrschichtigen piezoelektrischen Aktuatoren über einen sehr langen Zeitraum präzise und wiederholgenau arbeiten.
Vor dem Einsatz der piezoelektrischen Aktuatoren im CheMin-Instrument waren umfangreiche Qualifizierungs- und Testverfahren erforderlich. Insbesondere wurde ihre Lebensdauer getestet – erst nachdem 100 Milliarden (10¹¹) Zyklen ohne Leistungsabfall absolviert worden waren und ein Ausfall als nahezu unmöglich galt, wurden die Aktuatoren für den Einsatz bei der Mars-Mission zugelassen. Keine vergleichbaren Aktuatoren konnten die Anforderungen erfüllen – daher entschied sich die NASA für die PICMA®-Serie von Physik Instrumente.
Die PICMA-Aktuatoren tragen bis heute zur Erforschung der Umgebungsbedingungen auf dem Roten Planeten bei!
ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array)
Es handelt sich um ein System aus 66 riesigen Radioteleskopen, die als Netzwerk fungieren und auf der Sandebene Chajnantor im Norden Chiles (5.000 m ü. NN) betrieben werden. Die ALMA-Radioteleskope sind in der Lage, sehr kalte Objekte im Weltall zu beobachten, die im Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängenbereich strahlen (z. B. Gas- und Staubwolken, die zur Entstehung neuer Sterne beitragen) und haben maßgeblich zur Erstellung des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs beigetragen, das 2019 im Rahmen des weltweiten Projekts „Event Horizon Telescope“ (EHT) aufgenommen wurde .
Die einzelnen Antennen haben einen Durchmesser von bis zu 12 Metern, wiegen etwa 100 Tonnen und lassen sich flexibel über die Sandebene bis zu einer Entfernung von 16 km bewegen. Die großen Spiegel der einzelnen Antennen fangen kosmische Radiowellen ein und fokussieren sie auf einen Subreflektor. Die Signale erreichen den Detektor im Inneren der Antenne nur dann, wenn die Antenne auf Bruchteile eines Millimeters genau ausgerichtet ist. Die extremen Umgebungsbedingungen in einer Höhe von über 5.000 Metern, wie starker Wind, große Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht, extreme Trockenheit, Schwerkraft und Erdrotation – all dies sind Faktoren, die die Funktion der Radioteleskope beeinflussen. Daher müssen die Subreflektoren ständig sehr präzise ausgerichtet werden.
Die Entwickler von ALMA setzten zu diesem Zweck auf spezielle Positioniersysteme von Physik Instrumente – die HEXAPODS. PI nutzt in diesem Projekt sein technologisches Know-how und seine langjährige Erfahrung mit Mikro- und Nanopositionierungstechnologie.
Hexapod-Systeme mit sechs Freiheitsgraden sind hinter den Subreflektoren installiert und ermöglichen eine 6-D-Positionierung mit einer Auflösung im Submikrometerbereich. Die parallele kinematische Struktur des Hexapod-Systems ist wesentlich kompakter und steifer als seriell angeordnete mehrachsige Systeme und führt zu einer sehr hohen Resonanzfrequenz. Da beim Hexapod nur eine Plattform gesteuert wird, ist die bewegte Masse deutlich geringer. Das Ergebnis ist eine verbesserte Dynamik mit deutlich schnellerer Reaktionszeit.
Für die in den ALMA-Antennen eingesetzten Hexapoden hat PI hochsteife und robuste Gelenke entwickelt und hergestellt, die auch für den Betrieb unter extremen Umgebungsbedingungen geeignet sind. Diese Hexapoden können somit die Position der Subreflektoren im Bereich von wenigen Millimetern mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich einstellen.
ALMA ist derzeit das größte astronomische Projekt der Welt!
Europäisches Extremgroßes Teleskop (E-ELT)
Das Europäische Extremgroße Teleskop, kurz E-ELT, ist ein hochleistungsfähiges bodengestütztes Teleskop, das von der Europäischen Südsternwarte (ESO) betrieben wird und im Jahr 2024 auf dem Gipfel des Cerro Armazones (Region Antofagasta, Chile) auf einer Höhe von 3046 Metern in Betrieb genommen werden.
Dieses riesige Teleskop verfügt über einen segmentierten Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 39 m, eine Lichtsammelfläche von fast 1 000 m² und ist das größte Teleskop zur wissenschaftlichen Untersuchung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und nahen Infrarot-Wellenlängenbereich.
Eine der wichtigsten Aufgaben des Teleskops wird es sein, uns dabei zu helfen, mehr über Exoplaneten zu erfahren, also Planeten, die außerhalb unseres Sonnensystems existieren.
Der Hauptreflektor wird aus 798 Spiegelelementen bestehen, die jeweils einen Durchmesser von 1,4 Metern, eine Dicke von 50 mm und ein Gewicht von 250 kg haben. Zusammen sammeln diese Segmente mehrere Dutzend Millionen Mal mehr Licht, als das menschliche Auge wahrnehmen kann, und leiten dieses Licht mithilfe weiterer Optik in die wissenschaftlichen Instrumente weiter. Um Abweichungen vom optimalen Strahlengang auszugleichen und damit Abbildungsfehler zu vermeiden, müssen die Spiegelelemente präzise zueinander ausgerichtet sein. Eine Abweichung vom optimalen Strahlengang kann beispielsweise durch Verformungen des Teleskoprohrs aufgrund von Schwerkraft, thermischen Einflüssen oder Winddruck verursacht werden.
Die einzelnen Segmente werden über ein Stützsystem an der Hauptkonstruktion des Teleskops befestigt, dessen Kernkomponenten Positionierservos (PACT) sind, die den den Reflektor in Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen 1000 Mal pro Sekunde „krümmen“ und die durch atmosphärische Turbulenzen verursachten Verformungen korrigieren. Jedes Segment wird auf drei Aktuatoren montiert, die seine Position in drei Richtungen (Piston, Tip, Tilt) steuern.
Die Europäische Südsternwarte (ESO) hat einen Vertrag mit dem Unternehmen Physik Instrumente über die Herstellung von 2.394 Positionieraktuatoren (PACT) unterzeichnet, die die Positionen der 798 sechseckigen Spiegelsegmente des Hauptspiegels des extrem großen Teleskops (ELT) anpassen werden, das damit zum größten „Auge“ der Menschheit wird und 217-mal mehr Licht bündeln kann als das Hubble-Teleskop.
