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Sensoren positionieren das weltgrößte Radioteleskop

01  In einem Jahr sollen die Bauarbeiten am weltgrößten Radioteleskop abgeschlossen sein

01  In einem Jahr sollen die Bauarbeiten am weltgrößten Radioteleskop abgeschlossen sein

02  Auf den magnetostriktiven Sensoren der E-Serie basiert die Positionierung der 4 450 Aluminiumplatten

02  Auf den magnetostriktiven Sensoren der E-Serie basiert die Positionierung der 4 450 Aluminiumplatten

03  Prinzipieller Aufbau einer magnetostriktiven Messung mit einem ­Temposonics-Sensor mit den Elementen: Elektronik, Wellenleiter, ­positionsgebender Dauermagnet und Torsionsimpulswandler

03  Prinzipieller Aufbau einer magnetostriktiven Messung mit einem ­Temposonics-Sensor mit den Elementen: Elektronik, Wellenleiter, ­positionsgebender Dauermagnet und Torsionsimpulswandler

Die Arbeiten am „Five hundred meter Aperture Spherical Telescope“, kurz „FAST“, die 2008 begonnen haben, gehen in die letzte Bauphase. Schon im kommenden Jahr soll das mit einem Durchmesser von 500 m dann größte Radioteleskop der Welt in der chinesischen Provinz Guizhou in Betrieb genommen werden. Bei seiner Ausrichtung spielen magnetostriktive Sensoren eine wichtige Rolle.

Radioteleskope besitzen einen Reflektor, der alle darauf auftreffenden Radiowellen bündelt und diese direkt zu einer in seinem Zenit installierten Antenne weiterleitet. „FAST“ wird, wie der Name bereits sagt, einen Reflektor mit einem Durchmesser von 500 m haben (Bild 1). Wenn es Mitte 2016 fertiggestellt ist, wird es das empfangsflächengrößte Radioteleskop der Welt sein – erheblich größer als das aktuell größte Radioteleskop im Arecibo-Observatorium in Puerto Rico. Zudem wird es drei mal tiefer und genauer ins All blicken können. Dies bedeutet, dass es in der Lage sein wird, Funksignale aus Entfernungen von über 7 Mrd. Lichtjahren aufzufangen.
Wegen der Gesamtgrößenordnung musste „FAST“ in die vorhandene Landschaft integriert werden. Das Tele­skop wird eine Reflektorfläche von insgesamt fast 1 km 2 haben. Bei einer ­konventionellen Radioteleskop­konstruktion wäre hierfür eine Tragfläche mit einem Gewicht von insgesamt 11 000 t nötig. Daher wird das Tele­skop nicht frei stehend gebaut, sondern in ein weites Tal­becken eingepasst, das sich quer über 800 m erstreckt. Der Reflektor bündelt die Radiowellen aus dem Weltall (in ­einem Frequenz­bereich von 300 MHz bis 5,1 GHz) und führt diese einer an Seilen aufgehängten Antenne zu. Die Antenne kann mithilfe der Seile über den Reflektor hinweg verfahren werden, um so den Brennpunkt anzupassen. Die Aufstellung in einer geeigneten Talsenke war jedoch nicht der einzige geografische Faktor, den es bei der Standortauswahl von „FAST“ zu berücksichtigen galt. Da sich der gewählte Einbauort in einer Entfernung von 170 km zur nächstgelegenen größeren Stadt befindet, sind kaum Stör­einflüsse zu befürchten. Somit werden die empfangenen Daten nicht durch technische Funkstörungen verfälscht.

Ausrichtung mithilfe von ­4 450 Aluminiumplatten
Die Planung dieser astronomischen Forschungsanlage wurde bereits 1994 in Angriff genommen. Die Grundsteinlegung erfolgte am 26. Dezember 2008. Die ersten Ausschachtarbeiten in der Talsenke erfolgten im Frühjahr 2011 und mit den Bauarbeiten wurde im weiteren Verlauf des Jahres begonnen. „FAST“ übertrifft in seiner Größenordnung selbst die größten konventionellen Radioteleskope (wie etwa das Lovell-Teleskop des Jodrell-Bank-Observatoriums in Großbritannien oder das Green-Bank-Observatorium in West Virginia, USA). Aufgrund der gigantischen Abmessungen des Parabolreflektors und der Tatsache, dass das Teleskop in eine Talsenke eingebaut wird, kann es nicht bewegt werden, wie dies in der Vergangenheit bei Radioteleskopen der Fall war. Daher musste eine Alternativmethode gefunden werden, um den Reflektor so auszurichten, dass bestimmte Bereiche des Weltalls erforscht werden können. Aus diesem Grund ist die reflektierende Fläche bei „FAST“ keine massive Einzelkonstruktion, sondern besteht aus 4 450 zusammengesetzten Aluminiumplatten. Jede dieser Platten kann separat über ein eigenes Antriebssystem bewegt werden, sodass in unterschiedlichen Richtungen ­reflektierende Parabolspiegel entstehen.
Dank seiner Reflektorplatten ermöglicht „FAST“ künftig die Erforschung aller Teilbereiche des Nachthimmels mit einer Ablenkung von bis zu 40° vom Zenit des Teleskops. Die maximale Ablenkung vom Zenit in Arecibo (bei einer vollständig unbeweglichen Reflektorfläche) beträgt vergleichsweise 20°. Somit ist es in der Lage, gleichzeitig astronomische Daten aus 19 verschiedenen Himmelsarealen zu erfassen, wohingegen das Observatorium in Puerto Tico insgesamt nur sieben erforschen kann.

Exakte Positionierung erforderlich
Die genaue Position der Reflektorplatten ist von ausschlaggebender Bedeutung, da selbst der kleinste Fehler potenziell gewaltige Auswirkungen auf die Qualität der erfassten ­Daten haben kann. Genauso wichtig ist die langfristige Betriebs­sicherheit der Reflektor-Stellmechanismen. In Anbetracht der unzähligen beteiligten Reflektorelemente muss das Risiko einer unzureichend zuverlässigen Positionierung dieser Elemente auf ein absolutes Minimum begrenzt werden. Andernfalls können die Kosten für Ausfallzeiten und Reparaturen ins Unermessliche steigen.
Zur Steuerung der Bewegung der Reflektorflächen sind unter allen „FAST“-Reflektorplatten Hydraulikzylinder und elektrohydraulische Stellglieder zur Bewegung der Reflektorplatten eingebaut. Jeder Zylinder enthält einen magnetostriktiven Positionssensor aus der E-Serie (Bild 2) von MTS Sensors, der auf der Temposonics-Technologie des Unternehmens basiert.
Dank des innovativen Temposonics-Sensormechanismus lässt sich die Position durch die kurzzeitige Interaktion zwischen zwei Magnetfeldern präzise bestimmen. Dabei wird das eine Feld von einem beweglichen Permanentmagneten erzeugt, der außen am Sensor entlangfährt. Das andere Feld entsteht durch einen Stromimpuls entlang eines ferromagnetischen Wellenleiters, der parallel zur Bewegungsrichtung des Permanentmagneten verläuft. Die Interaktion dieser beiden Magnetfelder erzeugt einen Torsionsschallimpuls, der durch den Wellenleiter läuft und vom Sensorelement erfasst wird (Bild 3). Aus der präzisen Messung der Zeit zwischen der Erzeugung des Stromimpulses und dem Eintreffen des Torsionsimpulses kann man die genaue Entfernung zum beweglichen Magneten ableiten.

Kontaktlose und robuste Positionsmessung
Dieses von MTS Sensors entwickelte magneto­striktive Messverfahren bietet eine äußerst genaue, kontaktlose Methode der Positionsmessung, die für anspruchsvollste Anwendungen ideal geeignet ist. Sensoren, die diese Technologie nutzen, arbeiten praktisch verschleißfrei. Sie sind beständig gegenüber Erschütterungen, starker Stoßbelastung, Hochdruck sowie hohen Temperaturen ohne an Zuverlässigkeit und Leistung einzubüßen. Da das Ausgangssignal der auf dieser Methode basierenden Sensoren einer absoluten Position entspricht und keinen Relativwert darstellt, brauchen diese Sensoren nicht nachkalibriert zu werden.
Die für das „FAST“-Projekt eingesetzten Sensoren der E-Serie verbinden Robustheit, Kosteneffizienz und kompakten Aufbau. Sie sind in einem Gehäuse eingebaut, das die Schutzart IP69K aufweist, wo sie vor eindringenden Flüssigkeiten, hohen Temperaturen und hohen Drücken geschützt sind. Dank ihrer Edelstahlkonstruktion eignen sie sich ideal für den Einbau in Hydraulikzylinder. Mit ihrer hohen Langzeitgenauigkeit – einem Linearitätsfehler von < 0,02 % (vom Messbereichsendwert) und einer Reproduzierbarkeit von 0,005 % (vom Messbereichsendwert) – sind diese Sensoren branchenführend. Sie verfügen jeweils über eine synchronserielle Schnittstelle (SSI), die die Systemintegration erleichtert und hohe Signalqualität gewährleistet.
Die Messlängen von Sensoren der E-Serie reichen von 50 mm bis zu 2 500 mm. Sie sind bis 100 g schlag- und bis 15 g erschütterungsbeständig bei Frequenzen von 10 Hz bis 2 000 Hz. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen –40 °C und 75 °C. Die relative Feuchtigkeit beträgt 90 %. (no)

Robert Luong ist Marketing Manager für ­Industrieprodukte bei der MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG in Lüdenscheid info.de@mtssensor.com

Robert Luong ist Marketing Manager für ­Industrieprodukte bei der MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG in Lüdenscheid info.de@mtssensor.com