Ein Quantum Vakuumtechnik

Was haben James Bond und Vakuumtechnik von adixen gemeinsam? Beide sind am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) im Norden Chiles präsent. Während Daniel Craig während des 24. Abenteuers im Geheimdienst ihrer Majestät allerdings nur ein kurzes Gastspiel gibt, sind ölfreie Vorpumpen, magnetgelagerte Turbomolekularpumpen und Helium-Lecksuchgeräte von adixen wichtige Bestandteile des VLT-Instrumentariums.

Vakuum für tiefste Einblicke ins All

Turbomolekularpumpen ermöglichen den Betrieb von Infrarot-Detektoren

Die 1962 gegründete europäische Südsternwarte ESO ist eine zwischenstaatliche Organisation aus 14 Mitgliedsländern. Ihre Observatorien in der chilenischen Atacama-Wüste bieten an 350 klaren Nächten des Jahres optimale Bedingungen für die Astronomie. Das Very Large Telescope auf dem Cerro Paranal besteht aus vier großen und mehreren kleinen Teleskopen. Die Spiegel der vier großen Einzelteleskope haben einen Durchmesser von je 8,2 Metern und sind 17,5 cm dick.

Abb. 1: Sonnenuntergang über dem Großteleskop VLT der ESO am Cerro Paranal in Chile (Quelle: ESO)

Um die Leistung dieser 20 Tonnen schweren Giganten ausnutzen zu können, sind die Scheiben als aktive Optik konzipiert und ruhen auf jeweils 150 Lagerpunkten, die computergesteuert optimiert werden können. Wenn die Teleskope zu einem Interferometer verbunden werden, wird eine optische Leistung erreicht, die einem Fernrohr mit einem Durchmesser von etwa 200 Metern entspricht. Vakuumtechnik benötigen die Teleskope zum Beispiel für Infrarot-Detektoren, die aus CCD-Feldern bestehen. Diese Detektoren werden je nach Art des Instruments bei Temperaturen zwischen 4 und 60 Kelvin betrieben. Neben der thermischen Isolierwirkung dient Vakuum auch als Schutz vor Verunreinigung der höchstempfindlichen Detektoren.

Der Abpumpprozess wird vor und während der ersten Stunden des Einkühlens durchgeführt. Die Instrumente werden über mehrere Monate bei tiefen Temperaturen gehalten. Während dieses Zeitraums wird das Vakuum periodisch überprüft und gegebenenfalls nachevakuiert. Für den kritischen Pumpvorgang am tiefkalten Instrument werden ölfreie Pumpsysteme eingesetzt.

Rückdiffusion von Kohlenwasserstoffen aus ölgeschmierten Pumpen würde zu Kondensation auf den CCDs führen. Bereits an Monolagen von Schichten aus Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffen findet Reflexion statt. Jede Schichtbildung auf den Detektoren reduziert die Lichtempfindlichkeit der CCDs und führt zu enormem Leistungsverlust der Teleskope.

Um während des laufenden Betriebs pumpen zu können, wird ein Pumpsystem mit minimalsten Vibrationen eingesetzt, das gleichzeitig die schnellsten Winkelgeschwindigkeiten des Teleskops aushält. Dieses Anforderungsprofil wird ausschließlich von aktiv magnetgelagerten Turbomolekularpumpen erfüllt. Das ESO setzt das Modell ATH 400M von Alcatel ein. Vor dem Feldeinsatz wurden intensive Tests durchgeführt. Der Prüfstand am ESO-Hauptquartier in Garching bei München ist eine Kopie des Instrumententrägers in den chilenischen Observatorien. Das Instrument erlaubt detaillierte Simulationen in Bezug auf Schwingungsverhalten und Radialbeschleunigung der einzusetzenden Pumpen. Die Tests wurden mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten und -beschleunigungen durchgeführt. Die Maglev-Turbppumpe ATH 400M hat Langzeittests mit der doppelten Praxisbelastung ohne jede Störung verkraftet.

Abb. 2: Schema des Prüfstands der Eso für Turbomolekularpumpen in Garching.

Sämtliche Bodenvibrationen verstärken sich beträchtlich über das 15 Meter lange Teleskop auf die installierten Pumpen. Die Vibrationstests am Simulator zeigen, dass die ATH 400M nur sehr geringe Schwingungen bei relativ hohen Frequenzen erzeugt. Damit ist sie in astronomischen Anwendungen besser geeignet als alle früher eingesetzten Pumpen. Das Schwingungsverhalten ist besonders wichtig bei interferometrischen Untersuchungen, bei denen Vibrationen die extreme Leistung des Teleskoparrays stark beeinträchtigen würden. Der Betrieb auf einem 2635 Meter hohen Berggipfel in der Atacama-Wüste stellt zusätzlich extreme Anforderungen an Betriebsicherheit und Langzeitstabilität der eingesetzten Vakuumpumpen.

Stand der Technik sind mittlerweile Turbopumpen mit batteriefreiem Controller. Bei Stromausfall wirkt die Pumpe als ihr eigener Generator und versorgt das Steuergerät mit Strom. Damit wird die Pumpe auch bei Netzausfall sanft und kontrolliert abgebremst. Die bewährte Erdbebenstabilität an dieser geologisch aktiven Zone des Erdmantels stellte sich als durchaus gewünschter Nebeneffekt der extremen Steifigkeit des Magnetlagers der ATH 400M heraus.

Die Autoren:

Jean-Louis Lizon à L’Allemand, Dr. Rudolf Konwitschny und Jutta Uecker