Image Impossible

Am 10. April 2019 sorgte ein spektakuläres, wenngleich eigentlich unmögliches Bild für weltweites Aufsehen: die erste „Fotografie“ eines schwarzen Lochs. 55 Millionen Lichtjahre entfernt, im Zentrum der Galaxie M87 gelegen. Aufgrund der hohen Anziehungskraft kann selbst Licht derartigen Weltraumobjekten nicht entkommen.  Doch mit dem Event Horizon Telescope – einem Zusammenschluss von acht Radioteleskopen – überlisteten die beteiligten Forscher gewissermaßen die Physik und erstellten erstmals eine Aufnahme des Schattens eines Schwarzen Lochs. Dieser Schatten entsteht durch die Strahlung des verzerrten Lichts, wenn es unwiderruflich vom Schwarzen Loch aufgesaugt wird.

Einen wesentlichen Beitrag am Zustandekommen dieser ersten Aufnahme eines Schwarzen Lochs leistete ALMA – das Atacama Large Millilmeter/submillimeter Array. Es ist das derzeit größte Astronomieprojekt weltweit und befindet sich auf dem in über 5.000 Metern Höhe gelegenen Chajnantor Plateau im chilenischen Teil der Atacama-Wüste. Dieses revolutionäre astronomische Teleskop besteht aus 66 riesigen Antennen. Sie arbeiten im Verbund und können flexibel auf bis zu 16 km Entfernung zueinander angeordnet werden. Die einzelnen Antennenspiegel haben einen Durchmesser von bis zu 12 Metern und wiegen etwa 100 Tonnen.

Die vom großen Spiegel der Antenne gesammelten, kosmischen Radiowellen, werden zunächst auf einen Subreflektor fokussiert. Nur wenn dieser auf Bruchteile von Millimetern exakt ausgerichtet ist, erreichen die Signale von dort auch den Detektor im Innern der Antenne. Extreme Umweltbedingungen auf über 5.000 Metern Höhe – wie starke Winde, hohe Temperaturdifferenzen von Tag zu Nacht, extreme Trockenheit sowie Gravitation und Erdrotation – all dies wirkt auf die Antennen. Die Subreflektoren müssen daher ständig nachjustiert werden. Dafür haben die Entwickler von ALMA auf spezielle Positioniersysteme von PI gesetzt: Hexapoden.

Hexapoden halten die Subreflektoren im Fokus

Hier bringt PI sein technologisches Wissen und seine langjährige Erfahrung in der Mikro- und Nanostelltechnik ein. 

Die Subreflektoren kompensieren äußere Einflüsse auf die Mechanik, um den Strahlengang optimal zu halten. Abweichungen entstehen beispielsweise durch die Nachführung der Antennen, um die Erdrotation auszugleichen, eine Verbiegung der Teleskopaufbauten aufgrund von Gravitation, durch thermische Effekte oder durch Windlast. 

Die Hexapodsysteme mit sechs Freiheitsgraden der Bewegung sind hinter den Subreflektoren montiert und ermöglichen eine 6D-Positionierung mit Auflösungen im Submikrometer- und Bogensekunden-Bereich. Aufgrund der Parallelkinematik ist der Aufbau der Positioniersysteme wesentlich kompakter und steifer als bei seriell-gestapelten Mehrachsensystemen und führt zu einer höheren Resonanzfrequenz. Da nur eine einzige Plattform bewegt wird, ist die bewegte Masse geringer. Daraus resultieren ein schnelleres Ansprechen und höhere Dynamik.

Für den Einsatz der Hexapoden in den ALMA-Antennen entwickelte und fertigte PI hochsteife Gelenke, die auch unter den extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Die Hexapoden können so die Position der Subreflektoren präzise über mehrere Millimeter Stellweg nachführen.

Leistungsstarker Controller und hochauflösende Positionserfassung

Die Bauteile der Digitalcontroller zur Ansteuerung und Positionsregelung der Hexapoden wurde speziell an den verminderten Luftdruck angepasst.

Die leistungsstarke Digitaltechnologie kombiniert mit inkrementellen Positionssensoren und optische Referenzsensoren in den Einzelbeinen der Hexapoden führen zu einem hochauflösenden Mess- und Regelungssystem, das eine hochpräzise Positionierung der Subreflektoren ermöglicht.

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