Effelsberg - 40 Jahre Geschichte
Der Bau des 100m-Radioteleskops in Effelsberg
Richard Wielebinski & Bernd H. Grahl
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Prof. Hachenberg begann in Bonn sofort mit der Planung eines 80-m- Radioteleskops. Hohe Genauigkeit der Oberfläche war dabei sein Hauptziel, und er konnte sich dazu auf Erfahrungen mit dem 36-m-Transitspiegel in Adlershof stützen. Der 25-m-Spiegel auf dem Stockert, der seit 1956 von den Bonner Astronomen genutzt wurde, war nur bis 11cm Wellenlänge nutzbar. Er war in gewisser Hinsicht nur die Vergrößerung des 7,5-m-"Würzburg-Riese" , einer deutschen Radarantenne aus dem Kriege. Dank dem Staatssekretär Leo Brandt wurden Planung und Vorarbeiten für ein neuen Teleskop durch die Landesregierung von Nordrhein Westfalen finanziert. Deutsche Stahlbaufirmen wurden angesprochen und um Konstruktionsvorschläge für ein derart großes Instrument gebeten. Wichtig war dabei die Spezifikation, daß das Instrument noch bis 23 GHz (1cm Wellenlänge) einsetzbar sein sollte. Grund war die damalige starke Entwicklung der Radiospektroskopie bei kurzen Wellen im cm - Bereich. Die symmetrische Struktur des 36-m-Spiegels in Berlin-Adlershof war für Prof. Hachenberg richtungweisend bei den Diskussionen für die neue Konstruktion. Dort war der Reflektor vor der Montage Belastungstests unterworfen worden, wozu er auf Betonsockeln abgesetzt war (Gresse-Kranbau, Dessau). Diese Untersuchungen hatten gezeigt, daß sich symmetrische Strukturen beim Kippen in vorhersehbarer Weise verformen. Die Firmen Krupp und MAN wurden um jeweils mehrere Entwürfe gebeten. Ing. Ben Hooghoudt wurde als beratender Ingenieur für das Projekt berufen. Die Krupp-Arbeitsgruppe unter der Leitung von Dipl. lng. Geldmacher legte einen Entwurf von Dipl-Ing Helmut Altmann vor, der den Spezifikationen genügte. Maßgeblich war, daß bei diesem Entwurf statt einer steifen Stahlkonstruktion eine flexible Lösung gefunden wurde, bei der die Elastizität dafür sorgte, daß die parabolische Form des Reflektors beim Kippen erhalten bleibt. Damit ergab sich die realistische Möglichkeit, den Reflektor auf 90 m Durchmesser zu erhöhen, wenn die Finanzierung es ermöglichen sollte. Das veranlaßte die Bonner Professoren F. Becker, W. Priester und O. Hachenberg im Jahre 1964 einen Antrag an die "Stiftung Volkswagenwerk" zu richten, um Finanzmittel für den Bau eines Großinstruments für die Radioastronomie zu bekommen
Etwa zur gleichen Zeit erhielt die Stiftung noch einen zweiten Antrag für ein radioastronomisches Großinstrument. Dr. Sebastian von Hoerner plante einen 160-m-Spiegel für niedrigere Frequenzen im Zusammenhang mit einem Ruf an die Universität Tübingen. Zunächst wurden beide Projekte als förderungswürdig erkannt. Im Hinblick auf den hohen Aufwand für den zukünftigen Betrieb derartiger Instrumente mußte jedoch ein geeigneter Träger gefunden werden. Die Max-Planck-Gesellschaft fand sich bereit, ein entsprechendes Institut zu schaffen. Dank der bereits geleisteten Vorarbeit und der Unterstützung durch das Land NRW kam es zur Gründung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. Die Pläne für das Tübinger Projekt wurden dann aufgegeben. Deshalb konnten für das Bonner Projekt höhere Finanzmittel der Stiftung bereitgestellt werden. Da Berechnungen gezeigt hatten, daß auch für einen 100-m-Reflektor eine ausreichend genaue Oberfläche erreichbar sein würde, kam es zu dem Entscheid für den Bau eines 100-m - Radioteleskops.
Bei den Konstruktionsarbeiten mußten völlig neue Wege begangen werden. Es ging um die Abkehr von der klassischen Reflektorbauweise , wie sie zu der Zeit beim Mark I - Teleskop in Jodrell Bank und beim Parkes-Teleskop verwirklicht waren. Der 100-m-Spiegel sollte schließlich eine Oberflächengenauigkeit von 1 mm bekommen. Bei der Firma Krupp war die kleine Gruppe von Dipl. Ing. Geldmacher zielgerecht zu einer endgültigen radialsymmetrischen Struktur für den Reflektor gelang. Ein gesonderter Kipprahmen sollte axial den Reflektor halten. Dieser Entwurf ermöglichte besonders einfache Berechnungen der elastischen Verformung beim Kippen. Die "soft spots" des komplizierten Gitters von Rohren wurden ermittelt, und die Abmessungen wurden so variiert, daß eine optimale Verformung des Reflektors erreicht wurde. Dipl. Ing. Altmann bekam für diesen Entwurf 1965 ein Patent erteilt. Zu einem theoretischen Ansatz für die Lösung des Problems der Konstruktion von großen Reflektoren mit elastischer Verformung kam Sebastian von Hoerner. Für die optimale Verformung prägte er den Begriff "Homologie". Bei der Konstruktion des 100m-Teleskops führten Verbesserungen schrittweise an das theoretische Optimum einer homologen Verformung heran. Für die letzten Schritte stand dabei eine neue IBM-Software (FRAN) zur Verfügung. Wegen der damaligen geringen Leistung der Computer konnten allerdings nur jeweils Rechnungen für einzelne Sektoren durchgeführt werden. Später bestätigten ausführlichere Verformungsrechnungen mit verbesserter Komputerleistung die ursprünglichen Ergebnisse.
Mit der Suche nach einem geeigneten Aufstellungsort war schon 1966 begonnen worden. Es war klar, daß kein Berg in Frage kam, wie der Stockert, sondern nur ein Tal, das Abschirmung gegen Störstrahlung bot. Eine Reihe von Plätzen wurde in Betracht gezogen. Schließlich fiel die Wahl auf ein nord-südliches Tal in der Nähe von Bad Münstereifel bei dem Dorf Effelsberg. Vorteilhaft war, daß dieses Gelände mit 15,4 ha größtenteils gerade noch innerhalb der Landesgrenzen von Nordrhein-Westfalen lag. in dem Tal bildete der Rothbach die Landesgrenze, sein Bett mußte für den Bau des Teleskops verlegt werden. Damit steht das Teleskop selbst im Land Nordrhein-Westfalen und die Beschaffung und Erschließung des Geländes wurde in erheblichem Maße von der Landesregierung gefördert.
Etliche neue Ideen kamen bei dem Entwurf des 100-m-Teleskops zum Tragen. Der Kipprahmen bildete zusammen mit den Fokusstützbeinen einen Oktaeder, der durch eine Kreuzstruktur im Inneren stabilisiert wurde. Außerdem enthielt diese Konstruktion auch das Gegengewicht zum Reflektor. Der Kipprahmen wurde an zwei Punkten auf A-Bock-Stützen gelagert. An diesen Lagern sollte auch die Anbringung der Elevationsencoder erfolgen. Der Reflektor sollte wie ein Regenschirm vom Kipprahmen axial gehalten werden, einmal am Ballastpunkt und außerdem nur noch mit einer gleitenden Lagerung am Kreuzpunkt nahe dem Apex des Parabols. Das war eine entscheidende Idee von Dipl. Ing. Altmann. Für die Kippbewegung wurden schwimmende Antriebe (floating wheel) über einen Zahnkranz an einem Arm des Oktaeders gewählt. (Ursprünglich wurden vier Antriebseinheiten vorgesehen, aber Schwingungen erzwangen später die Reduzierung auf zwei Antriebe. Dieser Wechsel beeinflußte jedoch nicht die Genauigkeit der Positionierung und der astronomischen Nachführung des Teleskops.) Für den Azimutantrieb wurden am Grundrahmen vier Fahrwerke mit 16 Motoren und 32 Rädern vorgesehen, mit einer Belastung von ~100 Tonnen pro Rad.
Das Fundament wurde als Betonring ausgeführt, der auf Betonpfeilern ruht. Dieser Ring sollte die Azimut-Laufschiene von 64 m Durchmesser tragen. Im Zentrum des Ringes wurde ein pyramidenförmiger Sockel für den Königszapfen gesetzt, der die radiale Positionierung der Fahrwerke auf der Laufschiene garantiert. An diesem Lager wurden Encoder für Azimut gesetzt und außerdem ein Kabeltwist installiert, um die azimutale Bewegung zu ermöglichen. Im Fundament entstanden Räume für die Stromversorgung und Werkstätten. Ein Tunnel vom Fundament zum Betriebsgebäude wurde geschaffen, um notwendige Kabel unterzubringen. Hierbei wurden Energiekabel, Kabel für digitale Signale und koaxiale Hochfrequenzleitungen getrennt und mit Weicheisen abgeschirmt verlegt, um gegenseitige Störungen zu vermeiden. Schließlich wurden auch noch Kabeltwiste für die Teleskopkippung im Bereich der Elevationslager vorgesehen.
Der Baubeginn für den Stahlbau erforderte die Errichtung eines 130 m hohen Kranes. Die Montagearbeiten und Fertigungsarbeiten auf dem Gelände, gehörten zum Verantwortungsbereich der Fa. MAN. Eine Maschine in einer Hütte am Rande des Montagefeldes diente dazu, die komplizierten Zuschnitte der Rohre für den Reflektor herzustellen. Schrittweise wurden sie zur Reflektorstruktur verschweißt, bis schließlich sektorförmige Baugruppen entstanden. Größere Konstruktionselemente mit rechteckigem Querschnitt, so z. B. die Bockkonstruktion des Teleskops, wurden in den Werkstätten der Fa. Krupp in Rheinhausen aus Stahlblech gefertigt und nach Effelsberg transportiert. Im Laufe des Jahres 1969 wurden die A-Bock-Konstruktion und der Kipprahmen montiert (siehe Fig.3). In dieser Zeit gingen auf dem Gelände die Schweißarbeiten für den Reflektor voran. Sie erforderten hohe Präzision, damit der Reflektor passgenau zusammengefügt werden konnte. Speziell die Winkelgenauigkeit, mit der die Rohre zusammengefügt und verschweißt wurden, war sehr kritisch. Schließlich stapelten sich die Reflektorsektoren auf dem Montagefeld, teilweise wurden sie bereits am Boden mit Reflektorpaneelen belegt (siehe Fig. 4). Beim Zusammenfügen des Reflektors wurden die Sektorbaugruppen abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten montiert (siehe Fig. 5). Dazu mußten bereits im Frühstadium der Teleskopmontage Fahrbewegungen im Azimut ermöglicht werden. Der letzte Sektor des Reflektors wurde 1970 montiert. Eine Lücke von nur 0,5 cm zeigte, mit welcher bemerkenswerten Genauigkeit die Stahlkonstruktion gebaut worden war. Nun konnten die restlichen Paneele montiert werden. Abschluß war schließlich die Einmessung der Reflektorfläche mit Theodolit.
Einige wichtige Komponenten des Teleskops benötigen besondere Erwähnung. Die auf dem Ringfundament montierte Laufschiene mit 64 m Durchmesser (Querschnitt 28 cm x 14 cm) wurde in 20 Teilstücken geliefert und vor Ort mit Thermitschweißung verbunden. Bei der Justierung der Schiene wurde schließlich eine Nivelliergenauigkeit von 0,1 mm erreicht. Die Achsen des Teleskops wurden mit einer Genauigkeit von 0,2 mm ausgerichtet. Die Reflektorpaneele waren ein weiterer kritischer Punkt der Konstruktion. Die Paneele der insgesamt 17 Ringe waren von unterschiedlicher Bauart. Die inneren Ringe 1 bis 9 (bis 60 m Durchmesser) wurden von der Firma Dornier in Honeycombtechnik (mit verklebtem Aluminiumdeckblech) gefertigt. Die Paneele des nächsten Bereichs bis 80 m Durchmesser (Ring 10 - 14) lieferte die Fa. MAN mit einer Aluminium-Rahmenkonstruktion. Die Paneele der äußersten drei Ringe (Ring 15 - 17) fertigte die holländische Firma Aviolanda mit Drahtnetz auf Stahlrahmen. Die Honeycomb-Paneele hatten mehr als 0,2 mm Genauigkeit. Die Genauigkeit der Aluminium-Rahmenpaneele lag bei ~ 0,3 mm. Jedes Paneel wurde an den vier Ecken mit Bolzen gehalten, die eine Justierung von der Innenseite des Reflektors erlaubten. Für den Anstrich der Paneele wurde eine besondere weiße Farbe gewählt für optimale Reflexion von Infrarotstrahlung. Der Reflektor bekam am Rand noch einen 1,8 m hohen Kragen mit Drahtnetz, um Nebenzipfel der Antennencharakteristik und damit Störeinstrahlung zu verringern. Bei der Wahl eines Gregorysystems war die Möglichkeit entscheidend, nicht nur den Sekundärfokus sondern auch den Primärfokus zu nutzen. Der Subreflektor bekam einen Durchmesser von 6,5m. Zum Einsetzen von Empfängern im Primärfokus diente eine zentrale Öffnung von 1 m Durchmesser im Subreflektor. Ein großes Lager ermöglichte die Drehung dieser Empfänger. Beträchtlichen Aufwand erforderte die Ausgestaltung der beiden Kabinen für den Primär- und den Sekundärfokus. Hierzu mußte das Institut erhebliche Eigenleistungen erbringen.
Von Anbeginn war vollständige Computersteuerung für das Teleskop geplant. Das Institut hatte Erfahrungen für den astronomischen Betrieb eines Instruments mit alt-azimutaler Montierung auf dem Stockert gesammelt. Für die gewünschte Winkelgenauigkeit besser als 10" waren jedoch besondere Anstrengungen nötig. Das Antriebssystem mit verspannten Motoren war ein Konzept der Firma AEG. Die inkrementalen Encoder für die Teleskopachsen kamen von der Firma Heidenhain. Sie hatten eine Winkelauflösung von 2 Winkelsekunden. Als Prozeßrechner wurde ein ARGUS 500 - System der Firma Ferranti gewählt. Die astronomischen Steuerprogramme wurden im Institut entwickelt. Empfänger wurden in der Elektronik-Abteilung des Instituts entwickelt . Erster Signalempfang gelang am 23. April 1971 bei 2,7GHz (11cm Wellenlänge), wobei nur ein einfacher Dipol im Primärfokus eingesetzt wurde. Während der offiziellen Eröffnung des Teleskops am 12. Mai 1971 war das Teleskop voll im Meßbetrieb und zwar mit Messungen des Radiokontinuums bei 408MHz (73cm Wellenlänge).
Die Optimierung der Eigenschaften des Teleskops erforderte noch einigen Aufwand. Anfänglich traten bei Teleskopbewegungen Schwingungen der Elevationsantriebe auf. Dieses Problem wurde mit Ing. Ben Hooghoudt als Berater gelöst. Auf zwei der Antriebsgruppen wurde verzichtet, außerdem mußte die elektrische Steuerung entsprechend modifiziert werden. Zur Vermessung des Reflektors dienten Marken, die mit einem Meßband gesetzt wurden. Die Einmessung mit einem Theodoliten im Apex ergab, daß die Spezifikation von 1 mm RMS erreicht worden war. Astronomische Beobachtungen ergaben, daß die Parabolform des Reflektors beim Kippen erhalten blieb. Sie bestätigten die vorhergesagten Änderungen des Fokus beim Kippen des Teleskops (um etwa 90 mm in der Kipprichtung und um 20 mm in axialer Richtung) . Die Positioniergenauigkeit des Instruments lag absolut bei 10" und bei ±2" im Nachführbetrieb. Tatsächlich übertrafen die Teleskopeigenschaften die ursprünglichen Spezifikationen. Im Anschluß an die ersten 2,7 GHz - Messungen liefen während der Einweihung Beobachtungen bei 408 MHz. Sie führten am Ende zu einer berühmten Durchmusterung des gesamten Radiohimmels die in gewisser Weise das Logo des MPIfR darstellt.
Das 100-m Radioteleskop hat zwei Generationen von Radioastronomen gedient und führte zu tausenden von wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Die sorgfältige Wartung des Instruments durch die technischen Arbeitsgruppen hat seinen durchgehenden Betrieb gesichert. Im Laufe der 40 Jahre wurden außerdem ständig Verbesserungen vorgenommen. Insbesondere wurde die Oberflächengenauigkeit noch verbessert und schließlich wurde im Jahr 2006 der Subreflektor ausgewechselt. Der neue Reflektor erlaubt mit aktiv verstellbarer Oberfläche weitere Verbesserungen für Beobachtungen vom Sekundärfokus. Lang ist die Reihe der Empfänger, die sowohl für den Primärfokus als auch für den Sekundärfokus entwickelt wurden, um alle in Betracht kommenden Frequenzbänder im cm-Wellenbereich zu erfassen. Das Effelsberg-Teleskop wurde sogar noch bei 86 GHz (3 mm Wellenlänge) mit Erfolg eingesetzt. Das 100-m Radioteleskop ist ein Zeugnis für die Schöpfungskraft all jener Ingenieure und Wissenschaftler, die zum Bau und inzwischen 40-jährigem Betrieb dieses Präzisionsinstruments beigetragen haben.
Ausgewählte Literatur:
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