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Ein Lüfter an einem 8-Zoll-Newton-Teleskop

von J. S. Schlimmer 

(aus Sterne und Weltraum 6/2002)

Neben Bewölkung und Lichtverschmutzung ist das Seeing der größte Feind der beobachtenden Astronomen. Oft ist schlechtes Seeing jedoch vermeidbar: Dann nämlich, wenn es im Teleskop selbst entsteht. Eine mögliche und auch erfolgreiche Gegenmaßnahme gegen Tubusseeing ist die Belüftung des Tubus mit einem Ventilator.

Die Wolken lösen sich auf und die Nacht verspricht sternklar zu werden. Schnell wird das Teleskop auf den Balkon oder in den Garten gestellt, damit es sich der Außentemperatur anpaßt. Wer kennt das nicht ? Doch wie lange dauert dies und wie groß darf die Temperaturdifferenz zwischen Spiegel und Außenluft sein ? Bei offenen Systemen wie z. B. bei Newton-Teleskopen können sich Temperaturdifferenzen in Form von Luftschlieren negativ auf die Abbildung auswirken. Im Gegensatz zu den Refraktoren müssen die Lichtstrahlen den Tubus zweimal durchlaufen, wodurch sich der Einfluß der  Luftschlieren verdoppelt . Daher ist eine bestmögliche Temperaturanpassung des Spiegels an die Außenluft wichtig. 
Meist fällt die Temperatur während der ganzen Nacht, so daß die Spiegeltemperatur der Außentemperatur stets nachläuft. Zur schnelleren Temperaturanpassung wurde daher ein PC Lüfter an das Teleskop montiert. Das Ziel war es, eine Temperaturdifferenz kleiner 1° C in möglichst kurzer Zeit zu erreichen. Die Messungen und die Erfahrungen die ich hierbei gemacht habe, sind Gegenstand dieses Artikels.

Das Teleskop

Bei dem Teleskop handelt es sich um ein 8-Zoll-Newton-Teleskop der Firma Vixen (Abbildung 1). Ich besitze dieses Teleskop nun seit 2,5 Jahren. Es hat sich in erster Linie in der Deep-Sky-Fotografie im Primärfokus bewährt. 


Abbildung 1 : Das Newton Teleskop R200SS von Vixen


Bei einer Filmempfindlichkeit von 400 ASA liegen die Belichtungszeiten je nach Objekt und Himmelsregion (visuelle Grenzgröße ca. 5,5 mag) zwischen 2,5 und 10 Minuten. Der Tubus besteht aus dünnwandigem Blech mit einem freien Durchmesser von 220 mm. Bei einem Spiegeldurchmesser von 200 mm ergibt sich ein Abstand vom Spiegelrand zum Tubus von 10 mm. In diesem Bereich kann die Warmluft außerhalb des Strahlengangs aus dem Tubus abziehen. Durch den Volltubus wird eine Anpassung des Spiegels an die Außentemperatur erschwert. Der Spiegelträger selbst besteht aus Pyrex und hat eine Dicke von 18 mm. Das Gewicht des Spiegels beträgt 1250 g.

Der Lüfter

Als Lüfter verwende ich einen normalen PC-Lüfter von der Größe 80 mm x 80 mm x 25 mm, der in Elektronik Geschäften bezogen werden kann. Die Leistung beträgt 2,64 W. Mit max. 3000 U/Minute werden 62,4 m3 Luft pro Stunde angesaugt. Der Tubus wird am hinteren Ende von einer ringförmigen Hauptspiegelfassung abgeschlossen. In dieser sitzt eine runde Metallplatte. Hinter der Metallplatte befindet sich die eigentliche Spiegelzelle mit dem Spiegel. Der Lüfter wurde außen an die Abdeckplatte des Newtons befestigt, in die zuvor ein rundes Loch geschnitten wurde (Abbildung 2). Zwischen Spiegelzelle und Rückplatte befindet sich ein kleiner Spalt von 1-2 mm, dessen Breite durch die Justage des Spiegels variiert werden kann. Bei der Montage des Lüfters muß dieser Spalt abgedichtet werden, andernfalls wird die Luft auch durch diesen Spalt angesaugt, was einem strömungstechnischem Kurzschluß entspräche. Der Lüfter saugt die warme Luft aus dem Tubus ab. Dabei wird kühlere Außenluft zwischen Spiegel und Spiegelzelle an der Spiegelrückwand entlang geführt, wodurch sich der Spiegel schneller abkühlt. 


Abbildung 2 : Hauptspiegelfassung, Metallplatte mit Lüfter


Meßaufbau

Viele Thermometer haben im Gehäuse einen Temperaturfühler und einen weiteren als Außenfühler. Vergleicht man beide Werte bei einer gegebenen Temperatur miteinander, so sind Abweichungen von 0,5° bis 1 ° C durchaus normal. Desweiteren besitzen beide Fühler oft eine unterschiedliche Auflösung. Diese Thermometer sind für die Bestimmung von Temperaturdifferenzen nicht geeignet. Meine Wahl fiel deshalb auf zwei PT100 Präzisions-Temperatursensoren (Abbildung 3). 


Abbildung 3 : Ein PT100 Temperaturwiderstand

Bei dem PT100 handelt es sich um einen temperaturabhängigen Platinwiderstand, der bei 0° C einen Widerstand von 100 Ohm besitzt. Er ist im Temperaturbereich von –70° bis +500° C einsetzbar und hat im Bereich von 0° bis 100° C eine Genauigkeit von 0,1°C. Seine Kennlinie  ist linear, was die Handhabung sehr einfach gestaltet. Der Widerstand läßt sich mit einem Multimeßgerät einfach ablesen. Die Temperatur kann anschließend über die Kennlinie ermittelt werden. Diese berechnet sich wie folgt :
R = RLeitung + R0 (1 + alpha dt)) 
R - temperaturabhängiger Widerstand
RLeitung - Leitungswiderstand
R0 - 100 Ohm bei 0° C 
alpha - Temperaturkoeffizient 0,00385 K
dt - Temperaturdifferenz 
Es bietet sich an, eine Tabelle zu erstellen, in der jedem Widerstandswert eine Temperatur zugeordnet ist. 

Kalibrierung der Sensoren

Durch die Leitungen und Anschlüsse vergrößern sich die Widerstände. Zunächst werden daher die tatsächlichen Widerstandswerte gemessen (Abbildung 4). Hierzu gibt es zwei markannte Punkte : den Eispunkt und den Siedepunkt. Den Eispunkt kann man mit einem Eiswasser- Gemisch bestimmen. Während der Messung sollte das Gemisch leicht geschüttelt werden, andernfalls können sich Temperaturdifferenzen bis zu 1°C zwischen den Sensoren einstellen. Für beide Sensoren ergab sich ein Widerstand von 100,5 Ohm. Die Bestimmung des Widerstands am Siedepunkt kann sehr leicht mit Hilfe eines Wasserkochers erfolgen. Hierzu werden beide Sensoren nahe des Deckels in den heißen Wasserdampf gehalten. Damit die Sensoren dem schnellen Temperaturanstieg folgen können, sollte die Wassermenge mindestens 0,5 Liter betragen. Hier ergab sich für beide Sensoren ein Wert von 138,1 Ohm, was einer Temperatur von 97,7°C entspricht. Eine kleine Differenz zwischen der Temperatur des Wasserdampfes und des Siedepunktes ist möglich, aber hier nicht von Bedeutung.
Nun liegen zwei Sensoren vor, die innerhalb eines großen Bereichs bei einer gegebenen Temperatur definitiv den gleichen Messwert liefern. Dies ist die Voraussetzung für eine genaue Vergleichsmessung ! Die Meßgenauigkeit der Widerstandsmessung ist bei meinem Multimeßgerät mit 0,1 Ohm angegeben. Aus der Kennlinie ergibt sich damit eine Genauigkeit für die Temperaturbestimmung von 0,26° C. 


Abbildung 4 : Zur Kalibrierung der Temperaturwiderstände dienen Schmelzwasser und Kochwasser


Messungen

Zur Durchführung der Messungen wurde ein Temperatursensor mit Sekundenkleber auf die Seite des Spiegels geklebt. Dieser konnte später mit einem scharfen Messer entfernt und wieder verwendet werden. Der zweite Temperatursensor befand sich außerhalb des Teleskops und bestimmte die Außentemperatur. Von Oktober bis Dezember 2000 wurden mehrere Messungen auf dem Balkon bei meist klarem Wetter durchgeführt. In der Regel wurden beide Sensoren alle 15 Minuten abgelesen.

Ergebnisse

Temperaturanpassung aus meßtechnischer Sicht

Zunächst stand die Frage im Raum, wie gut sich der Spiegel des serienmäßigen – also noch nicht modifizierten – Newton-Teleskops der Außentemperatur anpaßt. Abbildung 5 zeigt die Temperaturverläufe der Außenluft und des Spiegels. Hierbei fällt auf, daß sich die Außenluft nicht gleichmäßig abkühlt. Relative Maxima wechseln sich mit relativen Minima ständig ab. Die Wärmestrahlung der Erde wirkt der Abkühlung der Luft entgegen, so daß letztlich eine langsame Temperaturabnahme erfolgt. Dieser Prozeß ist generell zu beobachten und unabhängig vom Standort (Balkon, Garten, Feld). Die Ausprägung der relativen Extremwerte kann dabei sehr unterschiedlich sein. Bei Windstille sind die Extremwerte im freien Gelände oft sehr deutlich ausgeprägt (Differenz bis zu 2,0° C), während der Temperaturabfall bei Wind flacher verläuft. Diesen Temperaturschwankungen kann der Spiegel nicht folgen. Nach 60 Minuten beträgt der Unterschied 2,6°C, nach 180 Minuten sind es immerhin noch 1,8°C. 

Abbildung 5 : Temperaturverlauf der Luft (blau) und des Spiegels (rot) ohne Lüfter am 03.Oktober 2000. Es war sternklar und windstill.

Abbildung 6 zeigt exemplarisch einen typischen Temperaturverlauf mit eingeschaltetem Lüfter. Deutlich erkennt man die bessere Temperaturanpassung des Spiegels an die Außenluft, dennoch dauert es ca. 70 Minuten bis die Differenz weniger wie 1°C ist. Auch hier läuft die Temperatur des Spiegels der Außentemperatur stets nach. Ferner gibt der Sensor nur die Temperatur des Spiegelrandes wieder. Da Pyrex jedoch ein schlechter Wärmeleiter ist, dürften im Spiegel Temperaturgradienten existieren.
Da an jedem Tag die Luftabkühlung etwas anders verläuft , ist es nicht sinnvoll, zwei Messungen direkt miteinander zu vergleichen. Aus meßtechnischer Sicht sind diese Ergebnisse daher enttäuschend. 

Abbildung 6 : Temperaturverlauf der Luft (blau) und des Spiegels (rot) mit Lüfter am 16. November 2000, der Himmel war wieder sternklar. Zwei Stunden nach dem Ende der Messung zog Bewölkung auf.

Tubusseeing und visuelle Abbildungsqualität

Wie sich die Kühlung des Spiegels mit Lüfter auf visuelle Beobachtungen auswirkt, soll zunächst exemplarisch an folgenden Beispielen dargestellt werden : 

  • An einem klaren Novemberabend stellte ich das Teleskop gegen 20.00 h auf den Balkon zum Auskühlen. Der Lüfter wurde nicht eingeschaltet. Gegen 21.30 h richtete ich das Teleskop auf den immer noch tief stehenden Orion. Das Seeing war nicht besonders gut, doch war es ein leichtes, mit meinem 60/700-mm-Refraktor, dem normalerweise die Aufgabe der Nachführkontrolle zukommt, den Doppelstern Lambda Orionis (4”,4) zu trennen. Im Newton hingegen erschien dieser Doppelstern lediglich als ein einziger Klecks ! Die Temperaturmessung ergab eine Differenz zwischen Spiegel- und Außentemperatur von 2,6°C ! Sofort schaltete ich den Lüfter ein. Nach 15 Minuten aktiver Kühlung konnte ich Lambda Orionis gut trennen. Sobald ich den Lüfter jedoch ausschaltete, verschlechterte sich die Abbildungsqualität erheblich.
  • An einem anderem Abend ließ sich der Zentralberg eines Mondkraters erst auflösen, nachdem der Lüfter eingeschaltet wurde. Der vermeintliche Zentralberg bestand aus drei einzelnen Erhebungen im Zentrum des Kraters. Die feinen Vibrationen, die der Lüfter verursachte, beeinträchtigten hingegen die Beobachtung bei 180facher Vergrößerung weit weniger als erwartet. 
Kleine Temperaturunterschiede führen zu Luftschlieren, die als turbulente Strömung über dem Spiegel aufsteigen. Dieses als Tubusseeing bezeichnete Phänomen beeinträchtigt die Abbildungsleistung eines Newton-Teleskops mit einem Öffnungsverhältnis von 1:4  in ganz erheblichem Maße. Die erwärmte Luft steigt des Weiteren an der Oberseite des Tubus auf, wobei sich in Abhängigkeit von der Deklination im Querschnitt des Tubus ein Temperaturgradient einstellt. Hierdurch werden die Lichtstrahlen unterschiedlich stark gebrochen, was ebenfalls zur Verminderung der Abbildungsleistung führt. Durch den Lüfter wird die turbulente Strömung in eine laminare Strömung gewandelt, wobei auch der Temperaturgradient im Tubus beseitigt wird. Diesen Vorgang kann man bei großen Temperaturunterschieden im defokussierten Sternbild sehr gut beim Einschalten des Lüfters beobachten. 
Diese Erfahrungen stimmen sehr gut mit den Ergebnissen von Bryan Greer [1] überein. Er hat das Auskühlen eines 6-Zoll-Spiegels mittels der Schlierenmethode im Labor untersucht. Bei Temperaturdifferenzen unterhalb 1° C ließen sich kaum noch Schlieren erkennen. 
Wie bei allen elektrischen Geräte wird auch beim Lüfter ein Teil der aufgenommenen Energie in Wärme umgesetzt. Solange die kühlere Luft durch den Tubus angesaugt wird, spielt die Erwärmung des Lüfters keine Rolle, da die Wärme an die Außenluft abgegeben wird. Schaltet man den Lüfter jedoch aus, so gibt dieser seine Wärme an die Innenluft ab. Die Luft steigt dann an der Rückseite des Spiegels im Tubus auf, wobei sich das Tubusseeing  wieder verschlechtert. Nach 40 Minuten Betrieb konnte ich nach dem Ausschalten des Lüfters eine Erwärmung am Lüftergehäuse von 7°C feststellen. Letztlich verhindert gerade der Lüfter den vollständigen Temperaturausgleich im Tubus, sofern der Lüfter hinter dem Spiegel am Teleskop befestigt ist. Solches ist jedoch auf Teleskoptreffen häufig zu beobachten ! 
In seinem Artikel über die Zwangsbelüftung eines offenen 10-Zoll-Newton-Teleskops (1:6) weist Kurt Schreckling [2] ebenfalls auf eine starke Verschlechterung der Abbildungsleistung beim Abschalten des Lüfters hin. Bei seiner Anordung sind Lüfter und Teleskop jedoch mechanisch mit Hilfe eines Faltschlauches voneinander entkoppelt, wodurch der Lüfter seine Wärme nicht an das Teleskop abgeben kann. Zudem wird die Luft durch den Tubus geblasen. 

Deep-Sky-Fotografie

Wenn sich die visuelle Abbildungsqualität bei laufendem Lüfter selbst bei 180facher Vergrößerung  verbessert, liegt es nahe, den Lüfter auch während Deep-Sky-Aufnahmen im Primärfokus laufen zu lassen. Auf allen bisherigen Aufnahmen, die ich mit eingeschaltetem Lüfter gemacht habe, sind die Spikes um helle Sterne deutlich schärfer abgebildet. Ferner erscheinen helle Sterne auf den Aufnahmen am Rand weniger ausgefranst. Abbildung 7 zeigt eine so gewonnene Aufnahme des Orion-Nebels. Dirk Sprungmann hingegen ging in seinem Artikel [3] davon aus, daß schärfere Astro-Aufnahmen bereits mit abgeschaltetem Lüfter alleine durch die bessere Temperaturanpassung von Spiegel und Außenluft erreicht werden. Durch die Eigenerwärmung des Lüfters ist dies jedoch nur bedingt zu erwarten. 


Abbildung 7 : Der Orionnebel, 5 Minuten belichtet auf E200, gepusht auf 320 ASA


Nachteile
  • Bei hoher Luftfeuchtigkeit besteht die Gefahr, daß der Spiegel beschlägt. Bei meinem ersten Versuch ein Deep-Sky-Foto mit laufendem Lüfter anzufertigen, konnte ich weit im Tubusinneren nahe des Spiegels Eiskristalle feststellen. Die Außentemperatur betrug zu diesem Zeitpunkt ca. –10°C ! 
  • Eine weitere Gefahr stellen Schmutzpartikel und Pollen dar, die durch den Lüfter in den Tubus eingesaugt werden. Daher empfiehlt es sich, den Lüfter nicht permanent laufen zu lassen.
  • Bei einer Betriebsspannung von 12 V stören die Strömungsgeräusche bereits enorm. So beträgt der Schallpegel am Okularauszug für den Beobachter 57 dB(A)! 
  • Nach dem Abschalten des Lüfters gibt dieser seine Wärme an die Luft im Tubusinneren ab, wodurch sich erneut das Tubusseeing verschlechtert. Um diesen Nachteil zu umgehen, sollte man den Lüfter flexibel anbringen, so daß er jederzeit wieder abgenommen werden kann.
Fazit
  • Bereits kleine Temperaturunterschiede zwischen Außenluft und Spiegel verursachen im Tubus Turbulenzen, die bei einem 1:4-Newton-Teleskop zu einer deutlich sichtbaren Verminderung der Abbildungsqualität führen. Durch den Lüfter wird die turbulente Strömung in eine laminare Strömung überführt. Ferner werden Temperaturgradienten im Tubus verhindert. Dies kann bereits mit einer Bertiebsspannung des Lüfters von 6-12 V erreicht werden. Der Lüfter läuft dann mit stark verminderter Leistung. Somit lassen sich die Vibrationen, die Strömungsgeräusche und der Stromverbrauch minimieren. Auch die Erwärmung des Lüfters wird hierdurch stark vermindert (von 7° C auf 4,5° C über Umgebungstemperatur).
  • Auch bei der Deep Sky Fotografie wird die Abbildungsqualität durch das Tubusseeing begrenzt. Hier konnte mit Hilfe des Lüfters stets eine deutliche Verbesserung der Aufnahmen erzielt werden.
  • In der Praxis wird das Teleskop nach wie vor einige Stunden vor Gebrauch nach ins Freie gebracht, damit sich der Spiegel weitgehend von selbst der Außentemperatur anpassen kann. Der Lüfter wird erst eingeschaltet, wenn Objekte mit höherer Vergrößerung betrachtet oder wenn Deep-Sky-Fotos aufgenommen werden. Ein hundertprozentiger Temperaturausgleich zwischen Spiegel und Außenluft ist nicht zwingend notwendig und kann auch mit laufendem Lüfter aufgrund der ständigen Abkühlung der Außenluft nicht erreicht werden.

Literatur

[1] Bryan Greer, Understanding Thermal Behavior in Newtonian Reflectors, Sky & Telescop 9/2000, siehe auch : http://www.fpi-protostar.com/bgreer/
[2] Kurt Schreckling, Zwangsbelüftung, http://www.maxon.net/~sternkucker/bastelecke/belueftung/belueftung.html (nicht mehr verfügbar)
[3] Dirk Sprungmann, Ein Industrie-Newton wird zum Unikat !, Sterne und Weltraum 8/1999 
 
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