adixen-Maglevs sorgen für scharfe Bilder

Das European Southern Observatory ist eine Forschungsgemeinschaft aus zehn europäischen Ländern und betreibt in La Silla und Cierro Paranal zwei Hochleistungs-Observatorien für die Weltraumforschung. An Infrarot-Instrumenten setzt das ESO Hochleistungs-Turbomolekularpumpen ein. Der vorliegende Bericht beschreibt den Test einer adixen ATH 400 M für den Einsatz am VLT in El Paranal.

Die 1962 gegründete europäische Südsternwarte ESO ist eine zwischenstaatliche Organisation der folgenden Mitgliederstaaten: Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Italien, Großbritannien, Niederlande, Portugal, Schweden und die Schweiz. Die Observatorien des ESO an den Standorten La Silla und Paranal bieten an 350 klaren Nächten des Jahres in der extrem trockenen Luft der chilenischen Atacama-Wüste optimale Bedingungen für die Astronomie. An Infrarot-Instrumenten betreibt das ESO Hochleistungs-Turbomolekularpumpen. Der vorliegende Bericht beschreibt den Test einer adixen ATH 400 M für den Einsatz auf dem Cierro Paranal. Die Untersuchungen wurden von Jean-Louis Lizon, Vakuumverantwortlicher bei der ESO am Hauptquartier in Garching bei München durchgeführt.

Zu einer abschließenden Diskussion der Ergebnisse trafen sich Jean-Louis Lizon sowie von Seiten adixen Rainer Mathes (Entwicklungsleiter Maglev), Paul Gillot (Produktmanager Turbomolekularpumpen) und Rudolf Konwitschny, (Gebietsvertriebsleiter).

Konwitschny: „Warum benötigt ein astronomisches Instrument wie ein Teleskop überhaupt Vakuum?“

Lizon: „Das Herzstück unserer Instrumente ist natürlich eine Hochleistungs-optik. Unser Very Large Telescope besteht aus einem Array von vier Teleskopen. Die Spiegel dieser Einzelteleskope haben einen Durchmesser von 8,2 Metern und sind 17,5 cm dick.

Um die Leistung dieser 20 Tonnen schweren Giganten aus-nutzen zu können, sind die Scheiben als aktive Optik konzipiert und ruhen auf jeweils 150 Lagerpunkten, die computergesteuert optimiert werden können. Damit haben wir zur Zeit das weltweit leistungsfähigste erdgebundene Teleskop. Wenn die Teleskope zu einem Interferometer verbunden werden, erreichen wir eine optische Leistung, die einem Fernrohr mit einem Durchmesser von etwa 200 Metern entspricht.

Vakuumtechnik benötigen wir an den Teleskopen zum einen bei der wiederholten Beschichtung von verspiegelten Flächen und in analytischen Geräten, die wir zur Signaldetektion einsetzen. Ein Beispiel dafür sind Infrarot-Instrumente, die aus großen CCD-Detektorfeldern bestehen. Diese Detektoren werden je nach Art des Instruments bei tiefen Temperaturen zwischen 4 und 60 Kelvin betrieben. Vor dem Einkühlen werden die Instrumente evakuiert. Dabei werden als Isoliervakuum Drücke im Hochvakuumbereich benötigt. Weiter dient das Vakuum als Schutz vor Verunreinigungen unserer höchstempfindlichen Detektoren. Der Abpumpprozess wird während der ersten Stunden des Einkühlens fortgesetzt. Die Instrumente werden über mehrere Monate bei den oben angegebenen tiefen Temperaturen gehalten. Während dieses Zeitraums wird das Vakuum periodisch überprüft und gegebenenfalls nachevakuiert.“

Konwitschny: „Warum benötigen Sie High-End Pumpen wie die Maglev-Turbopumpen mit aktiver Regelung des Magnetlagers?“

Lizon: „Der Pumpvorgang am tiefkalten Instrument ist sehr kritisch. Es ist dringend notwendig, für diese Prozesse völlig ölfreie Pumpsysteme einzusetzen. Rückdiffusion von Kohlenwasserstoffen aus ölgedichteten Pumpsystemen würde zu Kondensation auf den Instrumenten und enormem Leistungsverlust der Teleskope führen. Bereits an Monolagen von Schichten aus Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffen findet Reflexion statt. Jede Schichtbildung auf den Detektoren reduziert die Lichtempfindlichkeit unserer Instrumente. Die adixen-Maglev mit ihrem Magnetlagerkonzept und ölfreien Notlauflagern erfüllt diese Ansprüche hervorragend.

Konwitschny: „Gibt es weitere Anforderungen an das Pumpsystem?

Lizon: „Um den Pumpvorgang am Teleskop während des laufenden Betriebs durchführen zu können, wird ein Pumpsystem mit minimalsten Vibrationen eingesetzt, das gleichzeitig die schnellsten Winkelgeschwindigkeiten des Teleskops aushält. Wir haben beide Parameter an unserem Testaufbau überprüft.“ Der Prüfstand ist eine Kopie des Instrumententrägers, wie er auch in den Observatorien in Chile eingesetzt wird. Das Instrument erlaubt detaillierte Simulationen in Bezug auf Schwingungsverhalten und Radialbeschleunigung der einzusetzenden Pumpen. Für die Tests wird die Pumpe mit ihrer Rotationsachse senkrecht zur Hauptachse des Prüfbehälters installiert. Danach wird der Behälter am Teleskop-Simulator installiert, der Drehungen um die horizontale Achse ermöglicht.

Schema des Prüfstands der ESO für Turbomolekularpumpen/ Garching bei München, Deutschland.

Die Pumpen werden ganz oben am Teleskop angebaut und erhalten so natürlich einen riesigen Hebel. Sämtliche am Boden spürbare Vibrationen verstärken sich beträchtlich über das circa 15 Meter lange Teleskop. Unsere Vibrationsuntersuchungen am Simulator zeigen, daß die ATH 400 M in unserem Testaufbau nur sehr geringe Schwingungen unterhalb von 1 mg erzeugt. Das Schwingungsspektrum zeigt nur vergleichsweise hohe Frequenzen. Damit ist die Pumpe in unserer Applikation mit ihren typischerweise sehr niedrigen Frequenzen optimal geeignet und besser als alle anderen Pumpen, die wir bisher eingesetzt haben.

Die ATH 400 M ist eine Turbomolekularpumpe mit aktiver Regelung des Magnetlagers auf fünf Achsen in der inertiellen Achse der Pumpe. Das ist besonders wichtig bei interferometrischen Untersuchungen, wo Vibrationen die extreme Leistung des Teleskoparrays stark beeinträchtigen würden.“

Mathes: „Natürlich kann das Schwingungsverhalten einer Pumpe nicht isoliert betrachtet werden. Wir wissen aber aus vorherigen Tests an Hochleistungs-Elektronenmikroskopen, daß unsere Pumpen bezüglich des Schwingungsverhaltens vergleichsweise besser sind als die Produkte der Mitbewerber.“

Lizon: „Was uns ebenfalls gut an der Pumpe gefällt, ist ihre Betriebsstabilität und Ausfallsicherheit. Ist unsere aktuell eingesetzte Pumpe ausgefallen, mußten wir Batterien in der Steuerung austauschen.

Das haben wir routinemäßig einmal pro Jahr gemacht. Bei Stromausfällen, die wir etwa einmal pro Monat haben, kann der Wechsel aber häufiger nötig sein. Sie müssen aber auch unsere Betriebsbedingungen berücksichtigen. Wir sitzen auf einem 2.635 Meter hohen Berggipfel in der Atacama-Wüste 130 km von der nächsten Stadt Antofagasta entfernt. Stellen Sie sich vor, was passiert, wenn uns einmal die Batterien ausgehen.“

Mathes: „Das kann mit unserer Pumpe nicht passieren. Bei Stromausfall wirkt die Pumpe als ihr eigener Generator und versorgt das Steuergerät mit Strom. Das reicht aus, um die Pumpe sanft und kontrolliert abzubremsen und in die Notlauflager zu fahren. Unter welchen Bedingungen steigen denn die aktuell eingesetzten Pumpen aus?“

Lizon: „Das passiert uns etwa 2-3 mal im Jahr, wenn wir Erdbeben haben, die eine Stärke von 5,4 auf der Richter-Skala überschreiten.

Gillot: „In Bezug auf Erdbebenstabilität können wir Sie beruhigen. In Kalifornien haben wir regelmäßig Beben mit Stärken um die 5,0 auf der Richter-Skala, bei denen nie etwas mit unseren Pumpen passiert.

Bei dem großen Beben in Taiwan vom 21. September 1999 mit einer Stärke von über 7,0 auf der Richterskala wurde die taiwanesische Halbleiterproduktion mit ihren 28 Fabs nachhaltig gestört und es wurden teilweise starke Schäden beobachtet. Aber auch unter diesen Bedingungen ist keine einzige Maglev-Pumpe von adixen ausgefallen. Grund dafür ist die hohe Steifigkeit des Magnetlagers, das auch Lufteinbrüche mit Flüssen von mehreren tausend sccm toleriert.“

Konwitschny: „Sie hatten vorhin Tests an sich bewegenden Teleskopträgern angesprochen. Welche Erfahrungen haben Sie denn unter diesen Bedingungen gesammelt?“

Lizon: „Die Tests wurden mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten zwischen 0,1 deg/min und 5 deg/s durchgeführt. Normalerweise bewegen wir unsere Teleskope nur sehr langsam, wenn wir das Objekt verfolgen, das uns gerade interessiert. Die hohen Geschwindigkeiten haben wir nur, wenn wir von einem Objekt zum nächsten springen. Die maximal getestete Winkelbeschleunigung betrug 1 deg/s2. Dies entspricht etwa dem doppelten des in der Praxis erzielten Werts. Wir haben die Tests mit den schwie-rigsten Parametern je 10 mal wiederholt. Die Pumpe hat diese Tortur ohne jede Störung verkraftet.“

Konwitschny: „Herr Lizon, wir danken Ihnen für dieses Gespräch“