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Bild: Misha Kaminsky, iStock
Servotechnik

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Auf den Spuren der Enterprise

Text: Giuseppe Meo, Lenze
Der Weltraum – unendliche Weiten. Während Captain Kirk und die Besatzung ferne Galaxien mit Warp-Geschwindigkeit erreichen, muss die reale Weltraumwissenschaft dafür nicht mal von der Erde abheben. In rund 5000 Metern Höhe, in der Atacama-Wüste von Südamerika, steht Alma, das aktuell größte bodengebundene Radioteleskop der Welt. Damit weder Unschärfe noch Spiralnebel den Blick ins All trüben, bringen Servoregler einen Teil der Parabol­antennen exakt in Position.

Hinter der Bezeicnung Alma, die Abkürzung steht für Atacama Large Millimeter Array, stecken 66 Präzisionsantennen, die zu einem Teleskopverbund zusammengeschlossen sind. Alle 66 Antennen sind mobil und können umgesetzt werden, um die Array-Konfiguration zu verändern. Damit bekommen die Wissenschaftler ein leistungsstarkes Zoom-Objektiv an die Hand, dessen Brennweite von der Anordnung der Einzelantennen zueinander bestimmt wird. Die Abstände liegen zwischen 150 Metern und 16 Kilometern. Jede Antennenschüssel sammelt Strahlung aus dem Weltall und fokussiert sie auf einen Empfänger. Die Signale der einzelnen Antennen werden zusammengeführt und in einem speziellen Supercomputer, dem Alma-Korrelator, für die Weiterverarbeitung aufbereitet. Die großen Entfernungen, welche die Wissenschaftler bei der Beobachtung des Kosmos überwinden, machen deutlich, warum ein hochgenaues Antriebssystem für die Antennen gefragt ist: Jede einzelne muss exakt in Position gebracht und während einer laufenden Observation im Verbund synchron nachgeführt werden können. Bereits kleinste Ungenauigkeiten würden Unschärfen verursachen.

Antriebe mit Köpfchen

Bei der Auslegung der Antriebstechnik stand das Projektteam vor der Herausforderung, trotz der großen mechanischen Ausmaße und Umweltbedingungen, wie Sand, Kälte und Windlasten, genau diese Präzision bei der Positionierung zu erreichen. „Wir bewegen uns technisch in einem sehr speziellen Bereich. Vom Anspruch her liegt er in der oberen Ecke“, fasst Klaus Willmeroth, Leiter des Bereichs Servoantriebs- und Steuerungstechnik bei Vertex Antennentechnik zusammen. Vertex hat 25 der 66 Antennen konzipiert und technisch ausgerüstet.

Was Willmeroth mit „in der oberen Ecke“ meint, macht eine Zahl deutlich: Der Reflektor mit 12 Metern Durchmesser muss an seinem äußeren Rand auf etwa 0,03 mm genau positioniert werden – „Verformungen durch Wind und Temperatur bereits eingeschlossen“, macht der Diplomingenieur deutlich. Eine Position einmal einzustellen ist aber nur eine Sache, sie zu halten ist die Herausforderung. Denn Alma wird bei seinen Beobachtungen aufgrund der Erddrehung ständig nachgeführt. Dabei darf die Reflektorposition nur um höchstens 0,01 mm von der Sollbahn abweichen. Dafür sind die Antennen mit sechs Servoantriebsachsen von Lenze ausgestattet: zwei bilden den Azimuthantrieb für die Drehbewegung, vier Achsen übernehmen die Elevation, also das vertikale Verfahren der Parabolspiegel. Als Servoregler sind für beide Aufgaben Geräte der Reihe 9400 von Lenze in der HighLine-Ausführung mit CAN-Kommunikation zum zentralen Vertex-Antennenrechner im Einsatz. Neben der generellen Positioniergenauigkeit ist bei der Antriebsauslegung die Höhe, in der die Radioteleskope stehen, eine weitere Herausforderung. Weil die Luft auf 5000 m deutlich dünner ist als in den Produktionsanlagen mit nahe Normalnull, hat dies Auswirkungen auf die Spannungsfestigkeit. Es besteht ein höheres Risiko von Spannungsüberschlägen. Darüber hinaus sorgt die Höhe nicht nur bei Bergsteigern dafür, dass ihnen die Puste ausgeht. „Die Verlustwärme wird in der Atacama-Wüste schlechter abgeführt als in tiefer liegenden Regionen“, erklärt Willmeroth.

Applikationsbegleitung

Angesichts dieser nicht alltäglichen Bedingungen war Vertex bereits in der frühen Projektphase auf der Suche nach einem Antriebstechnikhersteller, der bereit war, sich diesen besonderen Anforderungen zu stellen. Lenze simulierte die Höhe von 5000 m in der Unterdruckkammer der TU München, um die Verfügbarkeit der Technik in einem Betriebstemperaturbereich von –20 bis +50 °C belastbar zu verifizieren. Ferner haben Applikationsingenieure des Herstellers das Projekt über Jahre fachlich intensiv begleitet.

Welche Dimension das Projekt Alma weltweit annimmt, belegt der im Vergleich zum Maschinenbau enorme Zeitraum von den anfänglichen Skizzen bis zur Eröffnung: Alma wurde in den 90er Jahren geplant, erste Gespräche zwischen Vertex und Lenze gab es bereits 1999 – zu einem Zeitpunkt, als es die 9400er-Serie von Lenze noch gar nicht gab. In den Jahren 2001 bis 2003 wurde von Vertex in den USA ein Prototyp gebaut, seinerzeit noch mit Lenze-Reglern der Baureihe 9300. 2006 wurde entschieden, für die Produktionsphase die damals noch brandneue L-force-Reihe 9400 in der Ausbaustufe Highline einzusetzen. Damit stellte Vertex seinerzeit die langfristige Verfügbarkeit der Antriebselektronik sicher. Da Alma 30 Jahre in Betrieb sein soll, muss sichergestellt sein, dass gleiche oder zumindest kompatible Geräte auch in zehn Jahren noch lieferbar sind.

Spektakuläre Bilder

Wie gut die von Vertex und Lenze gemeinsam konzipierte Lösung aktuell arbeitet, zeigt Alma mit spektakulären Aufnahmen. Beim noch jungen Stern HL Tauri – etwa 450 Lichtjahre von der Erde entfernt – offenbart das Bild unerwartet feine Details in der Materienscheibe, die von der Geburt des Sterns zurückgelassen wurde. Sichtbar sind eine Reihe konzentrischer heller Ringe, getrennt von dunklen Lücken.

Vorrangige Aufgabe des Observatoriums ist es, Bilder von der Geburt neuer Sterne, junger Galaxien im frühen Universum sowie von der Entwicklung neuer Planeten im Umkreis ferner Sterne zu liefern. Alma wurde darüber hinaus gebaut, um die Verteilung und das generelle Vorkommen lebensnotwendiger Moleküle im interstellaren Raum zu analysieren. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dabei auch viele neue Verbindungen zu entdecken. Alma beobachtet den Kosmos in einem für das menschliche Auge unsichtbaren Wellenspektrum.

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