Antriebstechnik für das größte Teleskop der Welt

Das European - Extremely Large Telescope, kurz ELT, der Europäischen Südsternwarte (ESO) wird mit einem segmentierten Hauptspiegel von 39 m Durchmesser und einer Lichtsammelfläche von knapp 1000 m² das größte bodengebundene Teleskop für die wissenschaftliche Auswertung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und nahen Infrarot-Wellenlängenbereich sein. Es soll 2024 auf dem 3.046 m hohen Cerro Amazones in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb gehen. Eine der wichtigsten Aufgaben des Teleskops ist es dann, Erkenntnisse über Exo-Planeten zu liefern, d. h. von Planeten, die außerhalb des Sonnensystems liegen. 

Projektanforderungen

Der Hauptspiegel wird aus 798 einzelnen Spiegelsegmenten mit je 1,40 Metern Durchmesser bestehen. Zusammen werden die Segmente mehrere zehn Millionen Mal so viel Licht sammeln wie das menschliche Auge und über weitere Optiken in die wissenschaftlichen Instrumente führen. Um Abweichungen vom optimalen Strahlengang auszugleichen und damit Abbildungsfehler zu ver-meiden, müssen die Spiegelsegmente exakt zueinander ausgerichtete werden. Abweichungen entstehen z.B. durch eine Verbiegung des Teleskop-Tubus aufgrund von Gravitation, durch thermische Effekte oder durch Windlast.

Ein Spiegelsegment soll jeweils von drei Antrieben positioniert werden. Dabei gehen die Anforderungen an die Grenze des technisch Machbaren: Relativ große Stellwege von bis zu 10 mm bei einer Positions- und Bahngenauigkeit von besser als 2 nm bilden eine große Herausforderung für die Entwicklung der Aktoren. Um ein Objekt während der Beobachtung zu verfolgen, liegen die Geschwindigkeiten typischerweise zwischen einigen Nanometern pro Sekunde und +/- 0,45 µm/s. Dabei darf die Positionsabweichung im Mittel nicht mehr als 2 nm betragen. Soll das Teleskop auf ein anderes Objekt ausgerichtet werden, sind Geschwindigkeiten von bis zu +/- 100 µm/s erforderlich. Dabei müssen beachtliche Massen bewegt werden: Ein Spiegelsegment wiegt etwa 250 kg.

Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtungen des Teleskops hat der einzelne Antrieb Lasten zwischen 463 N Zugkraft und 1050 N Druckkraft zu bewegen, bzw. zu halten. Diese können durch Belastungen wie Wind oder Erdbeben deutlich überschritten werden, wobei sich die Antriebe dann nicht in einem aktiven Betriebszustand befinden. Darüber hinaus stellen die sehr hohen Anforderungen an die Lebensdauer des Systems ein erhebli-ches technisches Risiko dar, welches es bei der Umsetzung des Projektes zu beachten gilt, ebenso wie die maximal erlaubte Abwärme für Aktor und Controller. Für diese anspruchsvolle Aufgabe hat PI einen Hybrid-Antrieb „maßgeschneidert“.

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„Die technischen Spezifikationen innerhalb eines engen Zeitrahmens zur vollsten Zufriedenheit des Kunden umzusetzen – das ist die Herausforderung bei diesem anspruchsvollen und prestigeträchtigen Projekt und unsere Stärke.“

Oliver Dietzel, Projekt Management R&D

Positionierlösung für die Spiegelsegmente

Das Prinzip des Hybrid-Antriebs besteht darin, einen Motor-Spindel-Antrieb, der für hohe Lasten und große Verfahrwege geeignet ist, mit einem Piezoaktor zu kombinieren. Über einen hochauflösenden Sensor können alle Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs gemessen und mittels des Piezos korrigiert werden. Dies sorgt für die extrem hohe Positioniergenauigkeit, die mit reinen Motor-Spindel-Antrieben nicht erreicht werden kann. Ein spezieller Controller steuert beide Antriebe simultan an und regelt über das hochauflösende Positionsmesssystem. Die Regelalgorithmen betrachten Motor- und Piezosystem als eine Antriebseinheit und gleichen die tatsächliche Bewegung mit einer berechneten Trajektorie ab. Das gibt der ESO die Möglichkeit, die Deformationen in der Struktur des Hauptspiegels mit der nötigen Genauigkeit auszugleichen. Die Spindel wird über ein hochuntersetztes Getriebe von einem bürstenlosen, drehmomentstarken Torque-Motor angetrieben. Das Getriebe sorgt für einen spielfreien Betrieb und garantiert ein konstantes Übersetzungsverhältnis. Dadurch kann der Motor klein dimensioniert werden, obwohl große Massen bewegt werden. Die hohe Untersetzung unterstützt zudem bei Stillstand die Selbsthemmung des Motors.

Die Piezoaktoren sind in einem verschlossenen, mit Stickstoff gefüllten Metallbalg gekapselt, damit sie gegen Feuchtigkeit geschützt sind und auch unter widrigen Umgebungsbedingungen die geforderte Lebensdauer der Positionierlösung von 30 Jahren erreichen. Der hochauflösende Sensor ist ein inkrementeller optischer Encoder, der möglichst nahe der Achse platziert ist. Er arbeitet mit einer Auflösung von 100 Picometer und ist ebenfalls unempfindlich gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen.

Elektronik-Design und Controller-Struktur

Die Antriebselektronik besteht aus zwei Funktionsblöcken: Die Kommutierungselektronik für den Motor, die Interpolation sowie die Endschalter ist direkt im Antriebsgehäuse untergebracht. Dies erlaubt kurze Geberleitungen, um Signalstörungen zu vermeiden. Ein einziges Kabel verbindet den Antrieb dann mit dem zweiten Funktionsblock, der externen Elektronik, welche die Ansteuerung von Motor, Piezo und Encoder übernimmt. Dieser Haupt-Controller ist dreikanalig aufgebaut. Das heißt, für die Ansteuerung aller drei Hybridantriebe eines Spiegelsegments ist nur ein solcher Controller erforderlich. Dabei ist möglich, sowohl Fahrbefehle für jeden einzelnen Antrieb vorzugeben, als auch die gewünschte Position des Spiegelsegments. Der Controller „übersetzt“ einen solchen Befehl dann für seine drei Achsen.

Das Steuerungsprinzip des Hybridantriebs ist einfach zu verstehen: Die Motorspannung wird von der Steuerspannung des Piezo abgeleitet. Je größer diese Spannung wird, umso schneller läuft der Motor. Während sich der Piezo also ausdehnt, treibt der Motor die Spindel in die gleiche Richtung. So wird die Grobpositionierung der Spindel durch die Feinpositionierung des Piezos ergänzt. Gleichzeitig wird der Piezo von der Spindel automatisch immer in die Nähe seiner Null-Stellung gefahren. Hier hat er die größte Möglichkeit zur Positionskorrektur in beide Richtungen. Auf diese Weise lassen sich die relativ großen Verfahrwege mit einer extrem hohen Positioniergenauigkeit kombinieren.

Die Leistungsfähigkeit des Hybridantriebs hat sich bei der ESO im Rahmen umfangreicher Tests bestätigt. Dabei weiß man auch das flexible Controllerkonzept zu schätzen, das nachträgliche Erweiterungen einfach macht.