Miniaturisierte Antriebstechnik im größten "Fernglas" der Welt

Um Dinge in Bewegung zu setzen, ist immer ein Antrieb nötig. Herkömmliche Technik baut aber vergleichsweise groß und ist für viele Anwendungen zu unhandlich. Der Trend zur Miniaturisierung hat jedoch mittlerweile in der Antriebstechnik deutliche Spuren hinterlassen. Kleine, leistungsfähige Elektromotoren mit wenigen Millimeter Durchmesser sorgen in den unterschiedlichsten Bereichen für bahnbrechende Neuentwicklungen. Davon profitiert nicht nur die industrielle Automatisierungstechnik, sondern zunehmend auch andere Bereiche. Moderne Miniaturantriebe treiben heute sogar die Wissenschaft voran, wie das folgende Anwendungsbeispiel aus der Astronomie beweist. Eine Kombination aus DC-Kleinstmotor, Encoder und spielarmen Planetengetriebe sorgt hier für die präzise Positionierung optischer Baugruppen.

Im Jahr 2004 wird auf dem Mount Graham im US-Bundesstaat Arizona das leistungsfähigste Einzel-Teleskop der Welt in Betrieb gehen. Die Astronomen wollen damit vor allem weit entfernte Milchstraßensysteme, junge Doppelsterne und neu geborene Sonnen ins Visier nehmen. Im Prinzip ist dieses Large Binocular Telescope (LBT), das bei einer Höhe von mehr als 20 m über 600 t wiegt, ein überdimensionaler Feldstecher. Seine beiden Spiegel haben einen Durchmesser von jeweils 8,4 m und bilden zusammen ein ca. 100 m² großes Auffangbecken für das Licht. So können sie auch noch die Strahlung leuchtschwacher Objekte am Rand des beobachteten Universums einsammeln. Das Zusammenspiel der beiden im Abstand von 14,4 m montierten Spiegel verleiht dem Teleskop dabei ein Auflösungsvermögen, das dem eines Fernglases mit 23 m Durchmesser entsprechen würde. Jeder Spiegel gleicht einer überdimensionalen "Honigwabe" aus Borsilikat-Glas und wiegt 15,6 t.

Interferenz ist der Schlüssel zu hoher Bildschärfe

Der Aufbau des Teleskops und der darin integrierten optischen Systeme garantiert den Wissenschaftlern eine hohe Flexibilität bei ihren Beobachtungen.
So können sie mit jedem der Spiegel unabhängig voneinander dasselbe Objekt betrachten, durch leichtes Kippen der Sehachsen aber auch unterschiedliche Objekte studieren oder sich mit beiden Spiegeln ein und dasselbe Objekt mit höchstem Auflösungsvermögen vornehmen. Dabei hilft ihnen ein physikalischer Kunstgriff:
Um die ungewöhnlich hohe Bildschärfe zu erreichen, werden die von jedem Einzelspiegel reflektierten Lichtstrahlen überlagert, das heißt zur Interferenz gebracht. Die Auflösung wird dadurch fast zehnmal besser als bei bisher üblichen Einzelteleskopen. Voraussetzung für eine reibungslose Funktion des LBT ist jedoch, dass die in den drei Partnerländern USA, Italien und Deutschland gefertigten Einzelkomponenten ohne Probleme zusammenarbeiten und auch unter den erschwerten Bedingungen am Einsatzort störungsfrei funktionieren. Immerhin ist der Mount Graham etwa 3.300 m hoch. Minusgrade, die mit bis zu 90 % recht hohe Luftfeuchtigkeit und teilweise extreme Temperaturschwankungen charakterisieren das Klima in dieser Höhenlage.

Positioniereinheit für die Interferenzbildung

Wenn durch Interferenzbildung ein hochauflösendes Bild entstehen soll, müssen die an beiden Spiegeln angebrachten optischen Baugruppen, die das reflektierte Licht bündeln und zur Überlagerung bringen, mit einer Genauigkeit von 5 µm positioniert werden. Zu diesem Zweck wurde von der Firma Feinmess, Dresden, ein Dreiachs-Positioniersystem entwickelt, das an den beiden Spiegeln des LBT die entsprechende Optik in die richtige Lage bringt. Dazu sind in horizontaler Richtung Distanzen bis 200 mm zu überwinden (Längspositionierung) und in vertikaler Richtung zum Fokussieren Entfernungen bis 50 mm. Gleichzeitig muss die optische Baugruppe bis zu einem Winkel von 36 Grad gedreht werden. Um dabei die erforderliche Positioniergenauigkeit zu gewährleisten, muss das System möglichst spielfrei arbeiten. Den an den Achsen eingesetzten Antrieben kommt daher eine besondere Bedeutung zu. Hier fiel die Wahl auf Antriebslösungen aus dem Hause FAULHABER.
Der klassische Glockenankermotor mit eisenloser Rotorspule bietet für solche Anwendungsbereiche sehr günstige Voraussetzungen. Die kleinen DC-Antriebe arbeiten auch unter widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig. Sie verkraften Umgebungstemperaturen zwischen –30 und +125 °C und lassen sich – entsprechend ausgelegt – auch durch hohe Luftfeuchtigkeit (bis 98 %) nicht beeinträchtigen. Ein wichtiger Grundgedanke für die Motorenauswahl war außerdem der sofortige und drehmomentstarke Anlauf des Gleichstrommotors nach Anlegen einer Spannung. Eine direkte Reaktion auf Steuersignale ist so sichergestellt. Die freitragende Kupferspule erlaubt außerdem eine sehr leichte Motorenausführung bei einem hohem Wirkungsgrad bis zu 80 %. Die an allen drei Achsen des Positioniersystems eingesetzten Motoren sind bei einem Durchmesser von 26 mm lediglich 42 mm lang; Bei Drehzahlen bis 6000 Umdrehungen pro Minute liefern sie eine Abgabeleistung von 23,2 W.

Kompakte Einheit: Motor, Getriebe und Impulsgeber

In der beschriebenen Anwendung wurden die Motoren mit zweistufigen Planetengetrieben kombiniert, die mit einer Untersetzung von 16:1 arbeiten. Sie werden stirnseitig auf den Motor geflanscht und überzeugen nicht nur durch die kompakte Bauform, sondern auch durch ruhigen Lauf und Langlebigkeit. Für den Einsatz am Positioniersystem wurde das Getriebespiel optimiert. Statt der bei Seriengetrieben üblichen Werte von etwa 1 Grad arbeiten diese Planetengetriebe mit einem Spiel von nur 12 Winkelminuten, gemessen an der Abtriebswelle.
Für eine präzise Positionierung ist es zwingend, die Ist-Position der Motoren zu kennen. Bei den am LBT eingesetzten Positionierssystemen wird sie an jedem Motor mit einem optischen Impulsgeber erfasst, der pro Umdrehung 500 Impulse liefert. Mit einer Metallscheibenblende werden im Durchlichtverfahren zwei um 90 Grad phasenverschobene Ausgangssignale erzeugt. Der Indeximpuls ist mit dem Ausgang B synchronisiert. Für jeden der drei Kanäle gibt es invertierte Komplementärsignale. Der Impulsgeber wird am freien Ende der Motorwelle aufgesteckt und mit drei Schrauben fixiert. Die Versorgungsspannung für den Impulsgeber und den DC-Kleinstmotor sowie die Ausgangssignale werden über ein Flachbandkabel und einen 10-poligen Steckverbinder angeschlossen. Da die kompletten Antriebseinheiten aus Motor, Getriebe und Impulsgeber sehr kompakt aufgebaut sind, lassen sie sich problemlos in den Dreiachs-Positioniersystemen integrieren. Miniaturisierte Antriebstechnik trägt damit wesentlich dazu bei, dass das LBT der astronomischen Forschung eine neue Dimension erschließen kann.