Präzisionsmesstechnik

Bis zum Rand des sichtbaren Universums

Bis zum Rand des sichtbaren Universums

Bis zum Rand des sichtbaren Universums

Bis zum Rand des sichtbaren Universums

Um die perfekte Beobachtungsgüte für das Extremly Large Telescope der Europäischen Südsternwarte zu realisieren, benötigt es hochpräzise Messtechnik. Messdatenerfassungs-Spezialist Dewesoft sorgt dabei für einen störungsfreien Blick bis zum Rand des sichtbaren Universums.

Aktuell noch im Bau, wird das Extremly Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) nach seiner geplanten Fertigstellung im Jahr 2027 das größte optische und Nahinfrarot-Teleskop der Welt sein. Bis dahin gilt es, einzelne Komponenten des Hochleistungsteles­kops auf mögliche Störgrößen zu untersuchen, die Auswirkungen auf die Güte der astronomischen Beobachtungen haben könnten. Für hochpräzise Vibrationsmessungen und Modalanalysen einzelner Baugruppen des ELT sorgt Dewesoft.

Der Spezialist entwickelt und produziert vielseitige und einfach zu bedienende Datenerfassungs-, Test- und Messinstrumente, die in den modernsten Labors der Welt eingesetzt werden. Für die ESO und das ELT hat Dewesoft spezifische Messdatenerfassungs- und Messdatenauswerteroutinen für die Vibrationsanalyse aktiver Komponenten wie Pumpen, Lüftern und Modalanalyse von Spiegelunterstützen umgesetzt. Die angewendeten Methoden wurden von einer interdisziplinären Gruppe­ von Ingenieuren und Technikern der ESO aus den Bereichen Regelungstechnik, Mechanik und Strukturmechanik entwickelt. Grundlage für die messtechnische Analyse der realen Bauteile sind die Berechnungen des Schwingverhaltens mittels finiter Elementmethode (FEM). Sowohl für die Vibrationsmessungen als auch für die Modalanalyse hat die Arbeitsgruppe die jeweilige Aufgabenstellung zunächst anhand eines dynamischen Theorie-Modells untersucht und daraus eine Mess-
strategie abgeleitet. Vor den eigentlichen Messungen wurde dann von Strukturmechanikern das jeweils zu ­erwartende Systemverhalten simuliert und darauf aufbauend Richtwerte und Bauteiltoleranzen definiert.

Präventive Analysen

Die Dewesoft-Messtechnik ermöglicht es, an Prototypen oder Endprodukten mögliche Störgrößen – ihre Ursa­chen und Auswirkungen – projektbegleitend und noch vor der Montage der Komponenten im ELT zu überprüfen. Der Hintergrund für das frühe Testen ist, dass insbesondere in Großteleskopen die Zahl der kri­tischen Komponenten, die durch ein mögliches Fehlverhalten zu einer Leistungsreduktion führen könnten, sehr hoch ist. Zudem können spezielle Tests im eingebauten Zustand durch die Komplexität der Anlage oftmals nicht oder zumindest nicht ohne Weiteres durchgeführt werden. Schließlich würden spätere Nachbesserungen schon wegen der Zahl der Komponenten zu enormen Verzögerungen der Inbetriebnahme führen.

Eingeleitete Kräfte indirekt erfassen

Aktive Komponenten wie Pumpen oder Lüfter können dynamische Kräfte verursachen, die in der Gesamt­anlage Schwingungen und Vibrationen auslösen und die Beobachtungsgüte des ELT beeinträchtigen. Zur Messung dieser Kräfte hat die Firma Dewesoft entsprechende Testanordnungen mit genau defi­nierten Randbedingungen entwickelt und aufgebaut. Die ­Messung der Kräfte erfolgt nach dem Prinzip der schweren Masse. Für diesen Test haben die Ingenieure und Techniker das Testsystem inklusive eventuell vorgesehener Dämpfungselemente auf einen schweren optischen Tisch montiert, dessen Eigenschaften in Bezug auf Masse, Steifigkeit und Verformungsmodi bekannt sind. Aufgrund des großen Gewichts des Tisches, der durch geregelte Luftfedern in der Schwebe gehalten wird, werden Koppelschwingungen zwischen Prüfling und Tisch minimiert – und dabei das Testsystem gleichzeitig auch von Vibrationen des Bodens entkoppelt. Kräfte führen in dieser Testanordnung zu Beschleunigungen des Tisches.

Diese Beschleunigungen werden ­erfasst und gezielt gemessen, so dass die Messsoftware daraus auf die tatsächlich eingeleiteten Kräfte zurückrechnen kann. Die Vibrationsmessung auf Komponentenebene ermöglicht es auf diese Weise, erforderliche Nachbesserungen schon frühzeitig zu erkennen – und nicht erst in der ­Gesamtanlage, wenn alle Komponenten verbaut und für Messungen und Korrekturarbeiten unter Umständen sehr schwer zugänglich sind.

Qualitätsprüfung einfach und effizient

Jedes der 798 sechseckigen Spiegelelemente, die den großen Hauptspiegel des ELT bilden, ist auf sogenannten kinematischen Spiegelunterstützen montiert. Das Verhalten dieses Mechanismus – er dient zum Heben und Verstellen der sehr starren Elemente – galt es durch eine Modalanalyse dynamisch zu beschreiben und zu charakterisieren. Der Vergleich des berechneten und ­simulierten Verhaltens bei Anregung mit der gemes­senen Modalantwort erlaubt es, Rückschlüsse auf ­Montagefehler oder Beschädigungen von Strukturteilen zu ziehen – lange bevor die Spiegelelemente montiert werden, das Teleskop in Betrieb geht und sich diese Fehler auf die Beobachtungen auswirken könnten.

Um für die Modalanalyse und die Bestimmung möglicher Festkörperbewegungen des Spiegels stabile Randbedingungen zu schaffen, wurde zunächst eine sehr steife Unterstützungsstruktur entworfen und gebaut, die auf einem schweren Betonboden verankert wurde. An der jeweils zu testenden Spiegelunterstützung wurden mehrere Mehrachs-Beschleunigungssensoren montiert. Mit Hilfe eines Shakers wird das Testobjekt angeregt – wobei sowohl der Ort als auch die Richtung der Anregung variiert werden. In der Auswerteeinheit des Testaufbaus werden die Schwingungen überlagert und hinsichtlich Stärke, Phase und Kohärenz ausge­wertet. Außerdem errechnet und visualisiert das verwendete Messsystem von Dewesoft die Spiegelunterstützung als 3D-Modalform. Die Darstellung auf dem Display wurde auf die typischen Anforderungen dieser Modalanalyse angepasst, wodurch man sehr schnell die Qualität und Validität der Messung erkennen kann. Auf diese Weise ermöglicht die automatisierte Modalanalyse eine einfache und zugleich effiziente Qualitätsprüfung der Spiegelunterstützungen noch vor der Montage im Teleskop – eine zuverlässige Kontrolle der komplexen und tausendfach verbauten Komponenten. Dies zahlt sich schnell aus, da verdeckte Fehler wie ­fehlerhafte Schraubverbindungen oder beschädigte Teile früh und zuverlässig erkannt werden.

Messlösungen – nicht nur für ELT

Sowohl bei der Vibrations- als auch bei der Modalanalyse erreichen die Lösungen von Dewesoft eine sehr gute Übereinstimmung von Simulationen und Messungen. Möglich machen dies die theoretischen Überlegungen im Vorfeld, die sorgfältigen Vorbereitungen der Versuchsaufbauten sowie die hohe Qualität und Genauigkeit der Messsysteme. Zudem sind die messtechnischen Methoden nicht nur auf das ELT beschränkt, sondern finden auch in anderen Bereichen von Forschung und Entwicklung ein breites Anwendungsfeld. So ist insbesondere die Messung der eingeleiteten Kräfte für viele Anwendungen interessant, in denen sensitive Anlagenteile, unabhängig von ihrer Einbauumgebung getestet werden. Ein Beispiel ist die Dimensionierung und Effizienzmessung von Dämpfungselementen oder Lüfteraufhängungen. Für Modalanalysen dieser Art eröffnet sich ein breites Einsatzspektrum, weil ihre Anwendung durch neue Softwaremodule von Dewesoft wesentlich flexibler geworden ist.

 

Spitzenforschung im All
Das ELT wird künftig der europäischen Spitzenforschung auf dem Gebiet der Astronomie dienen.  Standort wird der Cerro Armazones sein – ein Berg in der chilenischen Atacamawüste mit einer Höhe von 3.060 Metern. Das Großteleskop soll dazu beitragen, viele der ungelösten Fragen über das Universum zu beantworten. Mit seinem Hauptspiegel – er besitzt einen Durchmesser von 39 Metern und setzt sich aus 798 sechseckigen Spiegelelementen zusammen – kann es zum einen 13 mal mehr Licht sammeln als die größten heute existierenden optischen Teleskope. Zum anderen wird es Bilder liefern, die 16 mal schärfer sind als die des Hubble-Weltraumteleskops. Aus Sicht der Forschung deckt es von der Grundlagenphysik bis hin zur Kosmologie ein vielfältiges Themenspektrum ab. Das Teleskop wird unser eigenes Sonnensystem ebenso observieren wie extrasolare Planeten, nahe Galaxien oder weit entfernte beobachtbare Objekte am Rande des sichtbaren Universums. Als modernes Hochleistungsteleskop beobachtet es das All im sichtbaren und infrarotem Frequenzspektrum, in dem bereits kleinste Störbewegungen der Teleskop - Komponenten im Bereich weniger Nanometer große Auswirkungen auf die Beobachtungs- und Bildqualität haben können. Deshalb werden sehr hohe Anforderungen an die Mechanik und Komponenten des ELT gestellt.

 

Autor: Helmut Behmüller ist Account Manager bei der DEWESoft Deutschland GmbH in Unterensingen

Fotos: ESO und Dewesoft

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