Astronomische Instrumente

Das Stratosphären Observatorium Für Infrarot-Astronomie (SOFIA) war eine einzigartige, fliegende Sternwarte für die Beobachtung des Weltalls im infraroten Wel­len­längenbereich. Den zentralen Teil des Observatoriums bildete ein Spiegelte­les­kop mit einem 2,7 m großen Hauptspiegel, das in einem offenen Schacht einer umgebauten Boeing 747SP untergebracht war. Aus einer Flughöhe von 12 bis 14 Kilometer lieferte das Observatorium Erkenntnisse über die Entstehung von Ster­nen und Sonnensystemen, und zwar weitgehend losgelöst von atmosphärischen Störungen, die eine Beobachtung vom Boden aus im infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums erschweren oder unmöglich machen.

SOFIA befindet sich derzeit in der Nachbereitungsphase. Es ist hierbei weiterhin ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt e.V. (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Der deutsche Anteil wird im Auftrag des DLR mit Mitteln des Bundes (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart ausgeführt. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert unter dem BMWi-Förder­kennzeichnen 50OK0901 speziell den wissenschaftlichen Betrieb auf deutscher Seite, auf amerikanischer Seite wird der Betrieb von dem NASA Ames Research Center (ARC) und der Universities Space Research Association (USRA) verantwortet. Das gesamte Projekt wird zu 80% von der NASA und zu 20% von dem DLR finanziert; dies betrifft sowohl den Bau des Observatoriums als auch den laufenden 20-jährigen Betrieb.

Die Professur wirkt an technischen Fragestellungen von SOFIA mit, die vor allem das Teleskop betreffen. Die Bewegungserfassung des Teleskops ist dabei von besonderem Interesse, da das optische System während des Beobachtungsbetriebs möglichst ruhig gehalten werden musste. Zugehörige Arbeitsschwerpunkte sind:

• Faserkreisel-Messeinheit zur inertialen Stabilisierung des Teleskops: Kalibrierung, Modellierung, Datenprozessierung,
• hochwertige Bewegungserfassung der Teleskopstruktur mittels Mess­datenfusion.

Literatur:

• Temi, P. et al.: SOFIA at Full Operation Capability: Technical Performance. In: Journal of Astronomical Instrumentation 7 (2018), Nr. 4 S. 1840011.1 - 1840011.24
• Kaswekar, P.; Wagner, J.: Sensor fusion based vibration estimation using inertial sensors for a complex lightweight structure. In: Trommer, G. (Hrsg.): Proc. of the 2015 DGON Inertial Sensors and Systems. Karlsruhe: IEEE, 2015, S. 10.1-10.20
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• Wagner, J.; Kärcher, H.; Britz, A.: Die Sternwarte SOFIA. In: mobiles 38 (2015), S. 56-62
  Zusammenfassung
• Kärcher, H.J.: SOFIA, das stratosphärische Observatorium. Wie konstruiert man ein Flugzeugteleskop? Sterne und Weltraum 50 (2011), Nr. 7, S. 42-52
• Harms, F. et al.: Performance Evaluation of the Fiber Optic Gyroscopes Integrated into the SOFIA Telescope Assembly. In: Trommer, G. (Hrsg.): Proc. of the Symposium Gyro Technology. Karlsruhe: Universität Karlsruhe / Deutsche Gesellschaft für Ortung und Navigation, 2009, S. 11.1-11.19
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• Titz, R.; Röser, H.-P.: SOFIA – Astronomie und Technologie im 21. Jahrhundert. Berlin: Wissenschaft und Technik Verlag, 1998

Ein zweites Arbeitsgebiet zu SOFIA ist die strukturmechanische Modellierung des Teleskops. Da dieses Präzisionsinstrument während seiner Betriebsdauer von gut 8 Jahren immer wieder Modifikationen unterworfen war, mussten die damit verbundenen Änderungenen der dynamischen Eigenschaften verlässlich vorhergesagt und analysiert werden können. Dazu existiert ein detailliertes Finite-Ele­men­te-Modell, das entsprechend seiner Verwendung weiter ausgebaut und mit im Betrieb anfallenden Messdaten abgeglichen wurde. Schwerpunkte hierbei waren:

• Modellierung, Identifikation und Optimierung der Sekundärspiegeleinheit,
• Modellierung, Identifikation und Bewegungssimulation der Gesamtstruktur.

Literatur:

• Lammen, Y. et al.: Increasing the SOFIA Secondary Mirror Mechanism's Fast Steering Capability by Identification of a Structural Resonance and its Subsequent Elimination Through Mass Redistribution. In: Journal of Astronomical Instrumentation 7 (2018), Nr. 4, S. 1840001.1 – 1840001.11
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• Greiner, B. et al.: A New Finite Element Model of the SOFIA Primary Mirror Cell to Investigate Dynamical Behavior. In: Marshall, H.; Spyromilio, J.; Gilmozzi, R. (Hrsg.): Ground-based and Airborne Telescopes VII, Proc. of SPIE. Vol. 10700. Bellingham, WA: SPIE, 2018, S. 107000K.1-107000K.10
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• Keas, P. et al.: SOFIA Telescope Modal Survey Test and Test-Model Correlation. In: Angeli, G.; Dierickx, P. (Hrsg.): Modeling, Systems Engineering, and Project Management for Astronomy IV, Proc. of SPIE. Vol. 7738. Bellingham, WA: SPIE, 2010, S. 77380K.1- 77380K.26
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Die Multi-Adaptive Optics Imaging CAmera for Deep Observations (MICADO) ist als eines der ersten Beobachtungsinstrumente für das Extremly Large Telescope (ELT), Primärspiegeldurchmesser 39 m, vorgesehen, und zwar in Kombination mit der Multi-Conjugate Adaptive Optics RelaY (MAORY). Das MICADO-Konsortium hat im Oktober 2015 die Vorentwurfsphase für das Instrument begonnen.

Aufgrund der azimutalen Montierung des ELT ist es bei den für lichtschwache Objekte typischen längeren Beobachtungszeiten erforderlich, das Sichtfeld des Instruments um die Sichtlinie zu drehen. Hierzu dient ein so genannter Derotator. Für das derzeitige Konzept von MICADO – ein Kryostat, der die Hauptoptik und das Detektor-Array trägt – soll der Derotator am zentralen Ringflansch des Kryostaten ansetzen.

Die Professur hat in den zurückliegenden Jahren vor allem an folgenden Fragestellungen mitgewirkt:

• Auswahl eines geeigneten konstruktiven Konzepts zum mechanischen Aufbau des Derotators aus technisch machbaren Möglichkeiten.
• Statische und dynamische Analyse sowie Optimierung der mechanischen Struktur des Derotators.
• Aufbau eines Mehrkörpermodells zum simulativen Nachweis, dass die An­for­de­run­gen mit der erar­beiteten Derotatorauslegung erfüllt werden können.
• Erprobung des Simulationsverfahrens durch Vergleich von simulierten und experimentellen Daten, und zwar anhand eines Versuchstandes mit einer verkleinerten, modellhaften Ausführung des De­rotators.

Die Arbeiten wurden mit Mittteln des DAAD gefördert.

Literatur:

• Barboza, S.: Design and prototyping of the image derotator for the ELT infrared instrument MICADO. Universität Stuttgart, Diss., 2018
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• Barboza, S. et al.: Design of a large image derotator for the E-ELT instrument MICADO. In: Evans, C.; Simard, L.; Takami, H. (Hrsg.): Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy VI, Proc. of SPIE. Vol. 9908. Bellingham, WA: SPIE, 2016, S. 99089H.1-99089H.14
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