Hexapoden exakt ansteuern 13 Milliarden Lichtjahre im Fokus

Die Antennen des ALMA-Observatoriums empfangen elektromagnetische Strahlen mit Millimeter- und Submillimeterlänge. Diese liefern Erkenntnisse in bisher unerreichter Auflösung über die Entstehung neuer Galaxien, Sterne und Planeten, aber auch über Sternensysteme des frühen Universums, die zum Teil mehr als 13 Milliarden Lichtjahre entfernt sind.

Mit fünfzig Antennen ist das ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) die größte bodengebundene Teleskopanlage. Sie befindet sich auf dem Chajnantor-Plateau in der Atacamawüste in den nordchilenischen Anden. Diese internationale astronomische Einrichtung wird gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen. Die Konstruktion und der Betrieb der Antennen werden für Europa von der europäischen Südsternwarte (ESO) geleitet. Am 13. März 2013 wurde ALMA offiziell in Betrieb genommen.

Um entsprechend exakt messen zu können, kommen hochpräzise Hexapoden und Controller von Physik Instrumente (PI) zum Einsatz. Sie positionieren unter extremen Umgebungsbedingungen die Subreflektoren zu den großen Hauptreflektoren der Radioteleskope. Die Anforderungen an die Leistung der Technik sind hoch: Geringer Luftdruck, Temperaturunterschiede von bis zu 50 K, starke Winde, Staub, Regen und Schnee sind zusätzliche Herausforderungen in 5000 m über dem Meeresspiegel.

Die Subreflektoren kompensieren äußere Einflüsse auf die Mechanik, um den Strahlengang stets optimal zu halten. Abweichungen entstehen beispielsweise durch das Nachführen der Antennen, um die Erdrotation auszugleichen, durch 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 6-D-Positionierung mit Auflösungen im Submikrometer- und Bogensekundenbereich (Bild 1). 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. Daher spricht das System schneller an und besitzt eine 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

Die Bauteile der Digitalcontroller zur Ansteuerung und Positionsregelung der Hexapoden wurden speziell an den verminderten Luftdruck angepasst (Bild 2). Diese Digitaltechnik, kombiniert mit inkrementellen Positionssensoren und optischen Referenzsensoren in den Einzelbeinen der Hexapoden, führen zu einem hochauflösenden Mess- und Regelungssystem, das eine präzise Positionierung der Subreflektoren ermöglicht.

Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Positioniersysteme konnte 
PI vor Inbetriebnahme des Observatoriums in der ALMA-VertexRSI- 
Testantenne der General-Dynamics-Tochter Vertex Antennentechnik zeigen. Auch das technologische Vorläuferprojekt von ALMA, das Radioteleskop des APEX (Atacama Pathfinder Experiment) in Chile, nutzt dieses sechsachsige Positioniersystem.

Die bisher erhobenen Messdaten und die daraus gewonnen Erkenntnisse des ALMA-Observatoriums sind von hoher wissenschaftlicher Bedeutung und belegen die Leistungsfähigkeit der Radioteleskope und ihrer Präzisionsbauteile.