SCHOTT solutions Nr. 1/2014 > Astronomie

Mit dem DKIST wird es gelingen, präzise polarimetrische Daten im erforderlichen Zeitabstand zu erheben, um die Evolution der Sonnenfleckenfeinstruktur zu erfassen und den physikalischen Ursprung zu verstehen. Quelle: NSO/AURA/NSF/T. Rimmele

Die Sonne im Visier


Für das weltweit größte Sonnenteleskop DKIST (Daniel K. Inouye Solar Telescope) fertigte SCHOTT einen Spiegelträger aus dem Hightech-Material ZERODUR® Glaskeramik. Der „heiße Blick” auf unser Zentralgestirn bedeutet eine ganz besondere Herausforderung.


Bernhard Gerl

Alles Leben auf der Welt verdankt seine Existenz der Sonne. Doch neben Licht und Wärme schleudert sie mit dem Sonnenwind bisweilen heftige Teilchenschauer in Richtung Erde, die unsere empfindliche Elektronik, unsere Satelliten, ja sogar unsere Stromnetze bedrohen. Wissenschaftler wollen deshalb die komplexen Prozesse auf ihrer Oberfläche besser verstehen. Dafür wird 2019 das rund 300 Millionen Dollar teure Sonnenteleskop Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST, bisher bekannt als ATST) auf dem 3.000 Meter hohen Berg Haleakalã auf der Hawaii-Insel Maui in Betrieb gehen. Für die Forschungen verantwortlich ist das National Solar Observatory, das von der US-Dachorganisation AURA (Association of Universities for Research in Astronomy Inc.) betrieben und von 22 Forschungsinstitutionen aus mehreren Ländern unterstützt wird.
Das weltgrößte Solarteleskop soll in 2019 auf dem 3.000 Meter hohen Berg Haleakalã auf der Hawaii-Insel Maui in Betrieb gehen. Foto: Brett Simison/NSO/AURA/NSF

Sonnenteleskop der Superlative


Mit einem monolithischen 4,26-Meter-Spiegel aus ZERODUR® Glaskeramik wird das Teleskop das größte seiner Art sein. Der riesige Spiegeldurchmesser wird es erlauben, 25 Kilometer große Strukturen auf dem fast 150 Millionen Kilometer entfernten Zentralgestirn zu beobachten. Das ist, als würde man eine Erbse aus 30 Kilometern erkennen. Das Auflösungsvermögen wird damit um den Faktor 2,6 höher sein als beim bisher größten Sonnenteleskop, dem Big Bear Solar Observatory in der Nähe von Los Angeles. Interessant für die Wissenschaftler sind dabei vor allem die Prozesse der Sonne, die Gas- und koronale Massenausbrüche verursachen. Zusätzlich sollen Fähigkeiten zur Vorhersage des Sonnenwindes entwickelt werden. Man erhofft sich Erkenntnisse, die auch für Fusionsreaktionen auf der Erde nützlich sein können. Die große Spiegelöffnung erlaubt zudem eine bessere zeitliche Auflösung und die Beobachtung enger Spektralbereiche, vor allem im bisher noch kaum erforschten infraroten Teil des Sonnenspektrums.
Das DKIST – hier als Schnittzeichnung – verfügt über eine große Spiegelöffnung, die eine bessere zeitliche Auflösung sowie die Beobachtung enger Spektralbereiche – vor allem auch im Infrarot – erlaubt. Quelle: LeEllen Phelps/NSO/AURA/NSF
Im Gegensatz zu Nachtteleskopen, die gierig jedes Photon einsammeln, haben Sonnenteleskope mit dem Gegenteil zu kämpfen: Beim Blick in die Sonne wird es ziemlich heiß. Damit sich die Abbildungseigenschaften des Zentralspiegels nicht ändern, besteht er aus ZERODUR® Glaskeramik von SCHOTT mit extrem niedriger thermischer Ausdehnung. „Damit setzt sich der Siegeszug dieses Materials fort, denn mit dem Swedish Solar Telescope (Spiegeldurchmesser 1 m) auf La Palma, dem New Solar Telescope am kalifornischen Big Bear Lake (1,6 m), dem von einem Ballon getragenen „Sunrise” (1,1 m) und dem deutschen GREGOR-Teleskop auf Teneriffa (1,5 m) sind die modernsten und größten Sonnenobservatorien der Welt derzeit alle mit Spiegelträgern aus ZERODUR® Glaskeramik ausgestattet”, erläutert Dr. Thomas Westerhoff, Senior Manager Strategic Marketing der Produktgruppe ZERODUR®.

Gewünscht wurde von den Wissenschaftlern ein Ausdehnungskoeffizient im Bereich von ± 30 ∙ 10– 9 pro Kelvin, tatsächlich erreichte SCHOTT sogar
+6 ∙ 10– 9 pro Kelvin, mit einer Abweichung von nur 3 ∙ 10– 9 pro Kelvin über das gesamte Material. Ein 100 Kilometer langes Stück davon würde bei einer Temperaturerhöhung von 10 Kelvin also nur 0,6 Millimeter länger. Auch die mechanischen Ansprüche an Spiegel für Sonnenteleskope sind besonders hoch, denn sie schauen der Sonne beim Aufgehen zu und müssen dazu senkrecht stehen. Der DKIST-Spiegel ist lediglich 7,5 Zentimeter dick, damit er leicht von hinten zu kühlen ist, hat aber ein Eigengewicht von gut drei Tonnen, das er tragen muss, ohne seine Form zu verändern. Er wird dabei von 120 Aktuatoren auf seiner Rückseite unterstützt, die die unvermeidlich auftretende Durchbiegung ausgleichen.
Die Produktion des Spiegelsubstrats bedeutete für die Ingenieure bei SCHOTT eine besondere Herausforderung, sowohl hinsichtlich der extremen Anforderungen an den Guss als auch der Bearbeitung zu einer Off-Axis-Asphäre. Fotos: SCHOTT/C. Costard
Die Eigenschaften von ZERODUR® sind das eine, die Spezifikationen, welche die Wissenschaftler für das Spiegelmaterial formulierten, waren dagegen eine echte Herausforderung. „Seit dem 8-Meter-Projekt, der Herstellung von vier Primärspiegeln mit 8,2 Metern Durchmesser, die größten jemals gegossenen monolithischen Spiegelsubstrate, hat uns kein anderer Auftrag technologisch so herausgefordert und weitergebracht. Die erarbeiteten Technologien werden wir für viele weitere Kundenanfragen intensiv nutzen können”, sagt SCHOTT Projektleiter ­Thomas Werner. So muss die Glaskeramik extrem homogen sein, denn Blasen und Einschlüsse würden zu Streulicht führen, das den Kontrast verringert. SCHOTT gelang es, ein Spiegelsubstrat her­zustellen, bei dem die maximale Anzahl von Blasen pro Volumeneinheit um eine Größenordnung und die erlaubte Blasengröße in der kritischen Schicht um den Faktor 2,5 unterschritten wurde.
Mit dem 4,26 Meter großen Spiegelträger aus ZERODUR® Glaskeramik wird das DKIST das größte Solarteleskop der Welt sein. Der Monolith ist mit einem Gewicht von gut drei Tonnen nur 7,5 Zentimeter dick. Foto: SCHOTT/C. Costard
Auch die besondere Bauform des Teleskops hatte Konsequenzen für den Spiegel. Da sich innerhalb des Strahlengangs im Teleskop keine weiteren schattenwerfenden Sekundärspiegel befinden sollten, musste der Spiegel in Form einer Off-Axis-Asphäre geschliffen werden. Das bedeutet, dass die Oberfläche in der Mitte einen anderen Krümmungsradius als an den Außenrändern hat und sich diese „Mitte” zudem nicht im geometrischen Zentrum des Spiegels befindet. Dieser Schliff hat zur Folge, dass der Brennpunkt nicht über dem Spiegel liegt, sondern das Licht zur Seite reflektiert wird. Diese ungewöhnliche Form erforderte ungewöhnlich hohen Aufwand, der sich angesichts der Zufriedenheit des Kunden aber gelohnt hat. DKIST-Projektmanager Joseph McMullin: „Einen Spiegelträger in den geforderten ­Spezifikationen zu fertigen, war zweifelsohne eine große techno­logische Herausforderung. SCHOTT war für unser Projekt der ­perfekte Partner und hat tolle Arbeit geleistet.”

So startete Ende Januar der Spiegel aus Mainz per Schwertransport nach Bremerhaven seine rund sechswöchige Reise, die ihn dann per Schiff quer über den Atlantik durch den Panamakanal nach Los Angeles führte. Damit er den bisweilen heftigen Wellen­gang über den Atlantik und den anschließenden Straßentransport nach Tucson, Arizona (USA), übersteht, wurde er auf einem speziellen Dämpfungssystem gelagert. Nach Politur und erfolgreicher Montage wird der Spiegel, so die Planung, 2019 das erste Licht in die Instrumente zur genauen Beobachtung unserer ­Sonne reflektieren. <
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