Die Dunkle Energie des Universums.

Das HETDEX-Projekt ist der erste grosse Versuch „Dunkle Energie“ im Universum aufzuspüren. Mithilfe von speziellen Spektrografen werden die Positionen von einer Million Galaxien dreidimensional aufgezeichnet. Im Sommer 2012 beginnt das Hobby-Eberly-Teleskop mit dem Scannen des Alls – immer dabei sind maxon-Motoren.

Das Hobby-Eberly Telescope (HET) befindet sich am McDonald Observatory in West Texas. Sein sphärischer Hauptspiegel besteht aus 91 identischen, jeweils einen Meter grossen Sechsecken. Zusammen betrieben ergeben diese Einzelspiegel einen Gesamtspiegel von fast 11 Meter Durchmesser, damit ist er der grösste der Welt. Die effektive Öffnung des Primärspiegels beträgt derzeit 9,2 Meter bei einem Öffnungswinkel von vier Bogenminuten*. Das HET ist mit seinen 11,1 mal 9,8 Metern das viertgrösste optische Teleskop der Welt. Ausserdem wurde es dank seines neuartigen Designs äussert kosteneffizeint realisiert: Es hat nur 13,5 Millionen Dollar gekostet – etwa nur ein Viertel eines vergleichbar grossen Teleskops. Diese Einsparungen wurden zum Teil durch Vereinfachungen sowie der Benutzung auf dem Markt erhältlicher Komponenten ermöglicht.

Das spektroskopische Teleskop für Himmelsbeobachtungen ist auf einem sogenannten Prime Focus Instrument Package (PFIP) montiert. Es verfügt über zwei Spektrografen mit mittlerer und hoher Auflösung. Eine weitere Kosteneinsparung wurde dadurch ermöglicht, dass auf die Bewegung des 85 Tonnen schweren Teleskops in der zweiten Achse verzichtet wurde. Das heisst, dass der Spiegel immer in die gleiche Höhe von 55 Grad über dem Horizont schaut, aber gleichzeitig horizontal voll schwenkbar ist. Daher können 70 Prozent des Himmels beobachtet werden. Das vom Hauptspiegel gesammelte Licht wird oberhalb des Hauptspiegels gebündelt und dort mittels einer speziellen Hilfsoptik abgegriffen und über Lichtleiter zu den Spektrographen geführt. Diese Hilfsoptik ist im sogenannten „Tracker“ montiert (siehe Abbildung 3), der in sechs Achsen beweglich ist. Der Spiegel folgt also nicht dem Objekt, sondern das Objekt bewegt sich über den Kreis.

Momentan wird das HET einer Weitwinkel-Aufrüstung unterzogen, die den Bildwinkel auf 22 Bogenminuten und die nutzbare Blendenöffnung auf 10 Meter erhöht. Für künftige Forschungsprojekte wird dann die grösstmögliche Lichtmenge per Glasfaserkopplung gesammelt werden, um spektroskopische Beobachtungen zu revolutionieren. So wollen Wissenschaftler mithilfe des neu aufgerüsteten HET, die sogenannte „ Dunkle Energie“ besser verstehen. Nach aktuellen Hypothesen macht „ Dunkle Energie“ fast drei Viertel der Materie und Energie des Universums aus, und sie gilt als die rätselhafte Kraft, die das Universum mit zunehmendem Alter immer schneller auseinanderdriften lässt.

HETDEX blickt ins Universum

Um diesem Mysterium auf die Spur zu kommen, wurde das HETDEX-Projekt (Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment ) ins Leben gerufen. Von 2012 bis 2015 wird ein Bereich des Himmels intensiv im Gebiet des „Grossen Wagens“ mit HET gescannt. Ziel des Forschungsprojekts sind 1 Million Galaxien in circa 10 bis 11 Milliarden Lichtjahren Erdentfernung – die bis ins kleinste Detail kartographiert werden sollen. Das Projekt ist aus einer Zusammenarbeit der Universität von Texas (Austin), der Pennsylvania State Universität, der Texas A&M Universität, der Universitäts-Sternwarte München, dem Astrophysikali-schen Institut Potsdam und dem Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik entstanden.

Die internationalen Wissenschaftler wollen mehr über die Vorgänge im Universum erfahren. Das gross angelegte Forschungsprojekt soll aufklären, ob die derzeit angenommenen Schwerkraftgesetze korrekt sind. Ausserdem sollen neue astronomische Einzelheiten über den Urknall enthüllt werden. Am Observatorium auf dem texanischen Mount Fowlkes wird hierfür das Licht in der HETDEX-Kamera nicht auf einem Fotochip, sondern auf 33‘400 Glasfasern geleitet. Die Hoffnung der Experten besteht darin, dass nicht Dunkle Materie, sondern bisher unbekannte Schwerkraftwirkungen unseren Kosmos expandieren lassen könnten. Frühestens 2016 wird es erste Anhaltspunkte für die eine oder andere These über die Dunkle Materie geben – oder eine Antwort, die jenes Phänomen schlüssig für nichtexistent erklärt.

Konstruktion des PFIP
Das Prime Focus Instrument Package sitzt auf einer Tracking-Vorrichtung am oberen Ende des Teleskops und ent-hält eine Weitwinkelkorrektur, eine Erfassungskamera, Messgeräte und eine Brennebenen-System. Das PFIP ist eine eigenständige Automatisierungseinheit mit 12 Subsystemen und 24 Bewegungsachsen. Bewegungsregler und modulare E/A-Systeme sind über das CANopen-Meldeprotokoll verbunden. Die gesamte Kommunikation zwischen den Systemen am Boden und den PFIP-Subsystemen ist entweder als Point-to-Point über Ethernet ausgelegt oder läuft über Ethernet-/CAN-Gateways ab, die für CANopen-Meldungen transparent sind.

Von den 24 Bewegungsachsen des PFIP sind 15 motorisiert. Die Bewegungen müssen gleichmässig und präzise bei verschiedenen Geschwindigkeiten, insbesondere bei extrem langsamen Geschwindigkeiten, ablaufen. Die Bewegungssteuerung muss verschiedene Operationen in unterschiedlichen Situationen durchführen können, so zum Beispiel die exakte Verfolgung einer Geschwindigkeitskurve (Blendensteuerung), präzises Anfahren und Halten einer absoluten Position oder die Verfolgung einer multiaxialen Positions- und Geschwindigkeitskurve.

Die in den PFIP-Subsystemen verwendeten Antriebe sind maxon-Motoren der bürstenlosen EC-Serie, die nach Bedarf mit Getrieben, magnetischen Inkrementalencodern und elektrisch betätigten Bremsen ausgestattet werden können. Gleichmässige Bewegungen bei geringen Geschwindigkeiten werden mittels Sinuskommutierung erzeugt. Daher wird zusammen mit den standardmässig in den bürstenlosen maxon-Motoren verbauten Hallsensoren ein optionaler Inkremental-Encoder verwendet. Inkrementalencoder geben der Bewegungssteuerung zusätzliche Positionsdaten.

Exakte maxon-Positionssteuereinheiten

Alle Regler sind Positionssteuereinheiten des Typs maxon EPOS2 50/5. Zusätzlich zu den geschlossenen Regelkreisen für Strom, Geschwindigkeit und Position verfügen die Steuerungen über einen Interpolations-Bewegungsmodus, mit dem sie eine programmierte, multiaxiale Bewegungskurve verfolgen können. Die EPOS2 verfügt ausserdem über analoge und digitale Eingabe- und Ausgabegeräte, die über die CANopen-Schnittstelle zugänglich sind. Programmierte Reaktionen auf digitale Eingangssignale wie positive/negative Grenzwerte, Ausgangsposition, Schnellstopp und Aktivierung/Deaktivierung von Antrieben sind ebenfalls möglich. In der PFIP-Anwendung gehören zu den modularen E/A-Stationen CAN-open-Buskoppler, mit denen alle zusätzlichen E/A-Geräte direkt über den CAN-Bus oder über ein ether-netbasiertes CAN-Gateway angesprochen werden können. Das Gateway verwendet ein einfaches ASCII-Protokoll für die Konfigurierung und zum Versenden von Meldungen in beide Richtungen.

In dieser Anwendung sind Hardwaregeräte an den CAN-Bus angeschlossen und werden in einer Master-/Slave-Konfiguration durch den PFIP-Steuerungscomputer (PCC) kontrolliert. Bei einer multiaxialen Bewegung würde der PCC beispielsweise mehrere Bewegungssteuerungen für die gewünschte Bewegung konfigurieren und sie simultan mit einem einzigen CANopen-Befehl auslösen. Im Allgemeinen arbeitet die PFIP-Bewegungssteuerung mit einer 24-Volt-Gleichstromversorgung. Für höhere Trägheitslasten wie die Blende ist eine Versorgung mit 48 Volt möglich und mit den EPOS2 50/5-Steuerungen kompatibel. Um die Spezifikationen für PFIP und HET zu erfüllen, müssen alle Hardwarekomponenten auch bei Temperaturen von -10°C oder darunter funktionieren. maxon motor verfügt über ein breites Angebot von Produkten, die solche Temperaturanforderungen erfüllen und deren Qualität, Betriebssicherheit und Ro-bustheit den Anforderungen industrieller Automatisierungsanlagen genügen.

Die Architektur des HET ist insgesamt sehr flexibel. Durch Hinzufügen oder Entfernen von Bewegungssteuerungen, E/A-Modulen oder Spannungsversorgungen sind erhebliche Änderungen sehr leicht möglich. Die Komponenten sind klein und leicht genug, sodass in der Ausgangskonstruktion zusätzliche Teile für spätere Erweiterungen vorgesehen werden können.

 © maxon motor ag

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