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Teleskoptechnik
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Temperaturanpassung und Tubusseeing eines 8-Zoll-Newton-Teleskops

Stichwort : Schlieren, Tubusseeining

von J. S. Schlimmer 

(aus NightSky 2/2004)

Einleitung

Durch den großen Temperaturunterschied zwischen Spiegel- und Umgebungstemperatur entstehen in unmittelbarer Nähe des Spiegels Luftschlieren, die sich negativ auf die Abbildungsqualität eines Newton Teleskops auswirken. Während der Vorgang der Temperaturanpassung oft mehrere Stunden dauert, handelt es sich bei den Schlieren um kurzzeitige Vorgänge, die je nach Temperaturdifferenz in hoher Anzahl auftreten können. Mit Hilfe einer Webcam ist es leicht möglich, solche schnell ablaufenden, dynamische Prozesse aufzuzeichnen, zu analysieren oder zu dokumentieren. In dieser kurzen Studie möchte ich mich mit der Häufigkeit und Ausprägung der Schlieren in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Spiegel- und Umgebungstemperatur näher befassen. 

Das Teleskop

Bei dem Teleskop handelt es sich um einen 8-Zoll-Newton der Firma Vixen. Mit einem Öffnungsverhältnis von f/4 und einer Abschattung von ca. 30 % ist es nicht für die Beobachtung mit hohen Vergrößerungen geeignet. 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.
Zur schnelleren Temperaturanpassung und der damit verbundenen Minimierung des Tubusseeings wurde in die hintere Abdeckplatte des Spiegels ein rundes Loch geschnitten und ein Lüfter befestigt (Abbildung 1). 


Abbildung 1 : Hintere Ansicht des Vixen R200SS mit Lüfter

Der Abstand zwischen Spiegel und Abdeckplatte beträgt ca. 15 mm. 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. 

Durchführung der Messungen

Zur Temperaturbestimmung werden zwei PT100 Temperaturwiderstände am Teleskop angebracht. Der erste Sensor befindet sich an der Tubusöffnung, der zweite befindet sich auf der Rückseite des Hauptspiegels. Eine detaillierte Beschreibung der Handhabung dieser Sensoren findet der Leser unter [1].
Zum Auskühlen wird der Newton auf den Balkon gestellt und auf den hoch am Himmel stehenden Stern Vega gerichtet. Durch die nahezu horizontale Ausrichtung des Spiegels wird eine richtungsabhängige Ausprägung der Schlieren verhindert. Zur Beobachtung der Schlieren wird das Sternbild extrafokal defokussiert, so daß das Beugungsscheibchen gut zu sehen ist. Zu verschiedenen Zeitpunkten wird ein kurzes Video aufgenommen. Zunächst bleibt bei der Aufnahme der Lüfter ausgeschaltet, danach wird der Lüfter für eine weitere Videoaufnahme kurzzeitig eingeschaltet um zu sehen, wie sich der Luftstrom auf die Schlieren auswirkt. Nach der Videoaufzeichnung wird der Lüfter sofort wieder ausgeschaltet, damit der Prozeß der Temperaturanpassung möglichst auf natürliche Weise erfolgt. Während den Messungen zogen häufig Wolkenfelder über den Himmel, die eine Auskühlung der Luft verhinderten. Die Umgebungstemperatur war idealer weise während der Messungen konstant.

Ergebnisse

In Abbildung 2 sind typische Einzelbilder aus den jeweiligen Videosequenzen dargestellt. Die Temperaturdifferenz ist unter dem jeweiligen Bild angegeben. 


Abbildung 2 : Luftschlieren im extrafokalen Beugungsscheibchen zu Beginn der Messung, nach 30 Minuten, nach 130 Minuten und nach 150 Minuten mit laufendem Lüfter, die Temperaturdifferenzen sind unter dem jeweiligen Bild angegeben.

Nachfolgend eine kurze Beschreibung der Ergebnisse :

a) Schlierenbildung ohne Lüfter

  • Zu Beginn der Messung beträgt die Temperaturdifferenz 8,1 K. Es findet eine permanente Bildung von Schlieren statt, die den Eindruck eines kochenden Beugungsscheibchens hervorrufen. Der Rand des Beugungsscheibchens und der Schatten der Fangspiegelhalterung werden stark deformiert (Abbildung 2a). 
  • Nach 30 Minuten beträgt die Temperaturdifferenz noch 5,0 K. Die Entstehung der Schlieren ist immer noch sehr ausgeprägt, jedoch mit schwankender Häufigkeit. Das Beugungsscheibchen wird weniger deformiert wie oben (Abbildung 2b). 
  • Nach 130 Minuten hat sich die Temperatur auf 1,1 K angeglichen. Es bilden sich kaum noch Schlieren (Abbildung 2c). Die Fluktuationen, die durch das atmosphärische Seeing erzeugt werden sind im Beugungsscheibchen gut zu erkennen und überwiegen gegenüber dem Tubusseeing ! Eine Deformation des Beugungsscheibchens findet nicht mehr statt. 
b) Schlierenbildung bei laufendem Lüfter
  • Bei größeren Temperaturdifferenzen (³ 5,0 K) trägt der Lüfter neben einer schnelleren Temperaturanpassung auch zum Formerhalt des Beugungsscheibchens bei, wobei die Deformationen nicht ganz verhindert werden können.
  • Durch den Betrieb erwärmt sich der Lüfter, wodurch im Teleskop erneut Schlieren erzeugt werden (obwohl die Luft aus dem Tubus gesaugt wird !). Bei geringen Temperaturdifferenzen (£ 1,1 K) können diese, vom Lüfter verursachten Schlieren im Beugungsscheibchen beobachtet werden. Ihre Häufigkeit hängt von der Leistungsaufnahme des Lüfters ab und kann im Extremfall zur kurzzeitigen Deformation des Beugungsscheibchens führen ! Wird der Lüfter mit geringer Leistung betrieben, können diese Schlieren minimiert bzw. ganz vermieden werden.
  • Zur besseren Temperaturanpassung wird nach 130 Minuten Auskühlzeit der Lüfter dauerhaft eingeschaltet. 10 Minuten später beträgt die Differenz nur noch 0,8 K. Die Aufnahme des Beugungsscheibchens (Abbildung 2d) erfolgt bei laufendem Lüfter.
  • Wird der Lüfter ausgeschaltet, so kommt es im Teleskop für eine längere Dauer zur starken Bildung von Schlieren, die die Abbildungsqualität erheblich verringern können. 
Einsatz in der Praxis

Eine gute Temperaturanpassung des Spiegels wirkt sich bereits bei mittleren Vergrößerungen positiv auf die Beobachtung und Fotografie von Objekten aus und gewinnt mit Zunahme der Vergrößerung an Bedeutung.


Abbildung 3 : Zwei Kompositaufnahmen von Jupiter (08.01.03) und Saturn (11.01.03). Beide wurden mit einer Brennweite von lediglich 1500 mm aufgenommen. Bei der Aufnahme des Jupiters sind drei seiner Monde zu erkennen, bei Saturn konnten 5 (?) Monde aufgezeichnet werden. 

Fazit 

Temperaturunterschiede zwischen Spiegel und Außenluft die größer als 5 K sind, führen zu einer sehr starken Bildung von Schlieren. Erst bei einer Temperaturdifferenz von 1 K und weniger bilden sich kaum noch Schlieren aus und man kann von einer guten Temperaturanpassung sprechen. Während des Betriebes des Lüfters erwärmt sich dieser. Obwohl bei meiner Anordnung die Luft durch den Tubus angesaugt wird, werden im Teleskop Schlieren verursacht, die auf den Betrieb des Lüfters zurückzuführen sind und von dessen Leistungsaufnahme abhängen. Der Lüfter sollte daher zunächst zur Anpassung des Spiegels an die Umgebungstemperatur benutzt werden und nach einiger Zeit mit Hilfe eines Potentiometers auf eine niedrigere Drehzahl eingestellt werden. Auf keinen Fall sollte der Lüfter nach längerem Betrieb ausgeschaltet werden, da es hierbei erneut zur starken Bildung von Schlieren kommt. 


Literatur

[1] J.S. Schlimmer, Ein Lüfter an einem 8-Zoll-Newton-Teleskop, Sterne und Weltraum 6/2002

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