Die Technik des Riesen: Extrem scharf sehen im Infraroten mit dem ELT

In dem neuen Teleskop-Riesen „Extreme Large Telescope“ steckt viel neue Technik, die auf Bewährtes zurückgreift. Doch diese Größe stellt ganz neue Herausforderungen an die Techiker und Entwickler, um präzise Arbeit zu leisten.

Die Astronomen haben klare Anforderungen an den neuen Star unter den Teleskopen, erklärt Mark McCaughrean von der Universität Exeter: „Das 42-Meter-Teleskop muss so groß sein, um auch noch sehr schwache Objekte zu erfassen. Zudem muss es perfekt scharf sehen.“

Adaptive Optik für das ELT

Dazu schalten die Astronomen mit der adaptiven Optik die Luftunruhe aus. Ein extrem biegsamer und zweieinhalb Meter großer Spiegel wird von mehr als 5000 Stempeln bis zu 1000 Mal pro Sekunde so verformt, dass er genau das Flimmern der Atmosphäre kompensiert. „Dann sieht unser Teleskop so scharf, als wäre es im Weltraum“, erklärt der Chefwissenschaftler Roberto Gilmozzi. Aber er räumt auch ein: „Das ist die größte technologische Herausforderung, die wir zu meistern haben.“

Laser mimt künstlichen Stern

Zwar gibt es schon heute adaptive Optik an den Teleskopen in Chile – doch die arbeitet mit 150 Stempeln. Denn bisher kommt die adaptive Optik nur in den ans Teleskop angebauten Instrumenten zum Einsatz. Beim neuen Riesenteleskop wird die adaptive Optik direkt Teil des Teleskops sein und immer in Betrieb sein. Dazu muss sich die Qualität dieser Technik, also Schnelligkeit und Präzision der Bildanalyse sowie Verformung des Korrekturspiegels in Echtzeit, mindestens verdoppeln, in manchem gar vervierfachen.

Ein Spiegel aus 906 Teilen

Die Astronomen und Ingenieure setzen in diesem Projekt auf enorme Innovationen bei Optik, Elektronik und Mechanik. Ursprünglich hatte ESO sogar ein 100 Meter großes Teleskop mit Namen „OWL“ (Overwhelmingly Large Telescope) geplant. Da dieses Projekt innerhalb von zehn Jahren nicht realisierbar schien, favorisiert man jetzt eine kleinere Variante von „nur“ 42 Metern Durchmesser. Roberto Gilmozzi baut mit seinem Team ein gigantisches Puzzle: „Der Spiegel besteht aus 906 Teilen – jedes hat 1,45 Meter Durchmesser. Die Teile sind sechseckig und bilden den Spiegel fast so wie beim Auge eines Insekts.“ Heute sind die größten Einzelspiegel gut acht Meter groß – doch ein 42-Meter-Spiegel ist als Einzelstück technisch unmöglich, schon die 10-Meter-Spiegel der Keck-Teleskope in Hawaii bestehen aus vielen kleinen Segmenten. Stellmotoren richten die 906 Spiegelteile perfekt aus – technisch äußerst anspruchsvoll, denn das muss auf einige hunderttausendstel Millimeter genau geschehen.

Konkurenz-Projekt TMT

Roberto Gilmozzi hat zudem ein noch viel gewichtigeres Problem: „Das Teleskop wiegt gut 5000 Tonnen. Es ist extrem aufwändig, so ein Instrument mit höchster Präzision auf die Himmelsobjekte auszurichten.“ Zwar bringen einige Radioteleskope sogar mehr als 7000 Tonnen auf die Waage. Aber bei den langen Wellenlängen, die die Radioastronomie benutzt, kommt es bei der Präzision der Steuerung des Teleskops lediglich auf einige Millimeter an. Im Bereich des sichtbaren Lichts oder des nahen Infrarots sind die Anforderungen viel höher. Alle optischen Teile des neuen Riesenteleskops sind gezielt zu steuern, um das Instrument immer perfekt scharf zu stellen.

5000 Tonnen vom Winde verweht

Denn selbst vermeintlich ganz banale Dinge werden bei diesem Projekt zum großen Problem, stöhnt Gilmozzi: „Der Wind ist ein kniffliges Problem für alle Teleskope. Er lässt das ganze Teleskop leicht schwingen.“ Früher hätten die Astronomen die fast 80 Meter aufragende Teleskopstruktur in einer dichten Kuppel komplett gegen Wind geschützt. Doch dann machen aus der Kuppel aufsteigende Luftblasen das Bild unscharf. Heute gilt sanft durch das Teleskop wehender Wind als optimal, weil er die Temperatur ideal ausgleicht. Dafür muss das Teleskop gegen Vibrationen und vor allem gegen tückische Eigenschwingungen geschützt sein. Die Astronomen planen des ganze Instrument im Computer und berechnen dann das Verhalten bei unterschiedlichem Wetter und der sich jeweils ändernden Ausrichtung an den Himmel, also ob das Teleskop in den Zenit guckt oder recht tief an den Horizont.

„Das machen wir wie beim Flugzeugbau – der Airbus 380 wurde komplett im Computer entworfen, bevor er das erste Mal abgehoben hat. Jetzt hoffen wir, dass unser Teleskop am Ende auch „fliegt“…“, erklärt Mark McCaughrean.