Skysensor goes Dobson:
Ein 12-Zoll-Leichtbau-Newton mit GoTo-Steuerung

Von Dietmar Böcker und Ernst von Voigt
Erschienen in "Sterne und Weltraum", Juli 2003

Mobilität ist heute für Amateurastronomen oberstes Gebot - zumindest, wenn man gelegentlich der lichtverseuchten Zivilisation entfliehen und einen dunklen Sternenhimmel genießen will. Möchte man dabei ein großes Teleskop benutzen, ohne dabei zum Lastesel zu mutieren, so bietet sich dem rein visuellen Beobachter ein Newton-Teleskop auf einer Dobson-Montierung als praktische Lösung an. Der Artikel beschreibt den Bau eines Leichtbau-Dobson mit integrierter Goto-Steuerung.

Auch im Bereich der Dobsons stellen die meisten kommerzielle Teleskope bei 12 Zoll Öffnung uafgrund des Gewichts des Tubus von 25 kg und des Gewichts der Rockerbox von mindestens 15 kg eine Herausforderung für den Rücken dar. Selbst Gitterstrukturen bringen in dieser Größenklasse keinen signifikanten Gewichtsvorteil - zudem erhöhen sie den Aufwand beim Aufbau und der Kollimation des Teleskops.

So ist das Entwicklungsziel schnell definiert: Ein möglichst leichtes und steifes Newton-Teleskop mit einem Volltubus auf einer Dobson-Montierung zu bauen. Außerdem soll es mit einer integrierten Goto-Steuerung betrieben werden.

Das Material: CFK-Sandwich

Nach eingehenden Recherchen über mögliche Materialien wurde klar, dass nur CFK-Sandwich-Platten [1] einen signifikanten Gewichtsvorteil bei hoher Steifigkeit bieten: Das spezifische Gewicht dieses Materials beträgt mit 0,16 g/cm³ weniger als ein Zehntel von Voll-CFK, und die Steifigkeit entspricht derjenigen von Stahl gleicher Wandstärke. Diese Werte werden durch ein spezielles Herstellungsverfahren erreicht: Zwischen zwei dünnen Deckschichten aus CFK-Gewebe wird eine Wabenstruktur aus Aramid-Fasern (in der Luftfahrt als Nomex-Wabe bekannt) geklebt und als Ganzes laminiert. Als Ergebnis erhält man eine extrem steife und leichte Struktur, die zudem auch noch einen vernachlässigbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.

Da Tuben aus diesem Material in jedem Fall Sonderanfertigungen sind, können Parameter wie die Dicke der Waben und der Deckschichten sowie deren Anzahl frei bestimmt werden: Für den hier beschriebenen Tubus wurden eine Wabendicke von 8 mm sowie als Deckschicht jeweils zwei Lagen CFK-Gewebe mit je 0,1 mm Dicke gewählt.

Die Herstellung des Tubus ist Handarbeit: Auf ein Kernrohr (in diesem Fall handelt es sich um ein handelsübliches PVC-Rohr mit 355 mm Außendurchmesser und 2000 mm Länge) werden nacheinander die CFK-Schichten und die Waben aufgebracht und mittels Vakuumtechnik verklebt. Der fertige Tubus wird anschließend auf 1600 mm Länge gekürzt und an den Enden versiegelt. Er besitzt nun einen Innendurchmesser von 355 mm und eine Wandstärke von 8,5 mm. Ein vergleichbarer Tubus aus 3 mm starkem Aluminium (rho=2,7 g/cm³) oder Vollmaterial-CFK (rho=1,8 g/cm³) brächte immerhin 15 kg beziehungsweise 10 kg auf die Waage. Die Masse des hier beschriebenen Tubus aus CFK-Sandwich-Material ist wesentlich geringer und beträgt nur 2,5 kg!

Die Bearbeitung

Neben dem geringen Gewicht und der hohen Steifigkeit sprechen weitere Pluspunkte für dieses Material: Zum einen bietet es durch seine Wabenstruktur in der Mitte eine sehr gute thermische Isolation, zum anderen ist es sehr leicht zu bearbeiten. Bedingt durch die dünnen Deckschichten lässt es sich ausgezeichnet und ohne Gefahr von Ausbrüchen bohren und sägen. So konnte beispielsweise das Loch für den Okularauszug mittels eines einfachen Topfbohrers mit einem Durchmesser von 62 mm sauber ausgebohrt werden.

Lediglich in einem Punkt muss man auf das Material Rücksicht nehmen: Sollen Anbauteile durch Verschraubung an den Tubus gebracht werden, so muss man auf eine großflächige Verteilung der Drucklasten achten, zum Beispiel durch eine möglichst große und dem Tubusdurchmesser angepasste Unterlegscheibe.

Um das ohnehin schon günstige thermische Verhalten weiterhin zu optimieren, wurde der Tubus zusätzlich außen mit einer reißfesten Aluminium-Spiegelfolie aus dem Baumarkt beklebt. Diese verringert nicht nur die thermische Abstrahlung am Tage und in der Nacht. Sie ist auch ein effektiver Schutz für den Tuvus beim Transport. Einen zusätzlichen Schutz bieten die Hartschaumringe an beiden Enden des Tubus (vgl. Abbildung 1).

Der Hauptspiegel und die Spiegelzelle

Als Hauptspiegel dient ein Parabolspiegel aus Astro Sital mit einem Durchmesser von 304 mm (12 Zoll) und einer Brennweite von 1560 mm (f/5,2). Die Dicke beträgt 28 mm, und das Gewicht 4,5 kg. Astro Sital ist das russische Pendant zu Zerodur und besitzt einen äußerst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6 x 10^-8 pro Kelvin.

Der Träger der Spiegelzelle ist eine CFK-Sandwich-Platte mit einer Dicke von 35 mm. Ihr Durchmesser wurde mit 345 mm so bemessen, dass zwischen der Platte und der Innenwand des Tubus noch genügend Platz für die Luftzirkulation ist. Auf dieser Platte sind 27 Keramikplättchen mit einem Durchmesser von 15 mm aufgeklebt - die Klebepunkte wurden entsprechend der frei im Internet verfügbaren Optimierungsprogramme „Cell" von David Chandler [2] und „Plop" (Plate Optimizer) von David Lewis [3] berechnet.

Das Verkleben von Spiegeln auf einem Träger wird häufig kontrovers diskutiert. Aufgrund der Einfachheit dieses Verfahrens wurde jedoch das Wagnis eingegangen, und so wurde der Spiegel mittels hochwertigem Silikonkleber auf die 27 Keramikplättchen mit einer Klebedicke von etwa 2 mm aufgeklebt. Selbst in Horizontallage des Teleskops sind keinerlei Verspannungen fest zustellen, wie ein Test auf der optischen Bank von Wolfgang Rohr zeigte

Die Spiegelzelle ist über drei Mikrometer-Messschrauben von innen an den Tubus geschraubt: Diese erlauben eine absolut spielfreie Kollimation im Bereich von Hundertstel Millimetern und ersparen so gleichzeitig das Anziehen von Sicherungsschrauben.

Außerdem wurden in die Spiegelzelle Lüftungsöffnungen gebohrt, von denen drei mit regelbaren Lüftern versehen sind. Damit ergibt sich eine äußerst effektive Temperaturanpassung des Spiegels, wie die permanenten Temperaturmessungen der Außen- und der Spiegelrückseite beweisen.

Der Fangspiegel und seine Halterung

Der Fangspiegel besteht, ebenso wie der Hauptspiegel, aus Astrositall und weist eine Genauigkeit des Schliffs von 1/8 Lambda Peak to Valley (Wellenfront) auf. Die kleine Achse beträgt 66 mm, was einer zentralen Obstruktion von 21,7 Prozent entspricht.

Dieser Fangspiegel wurde ebenfalls mit Silikonkleber auf einer Spinne befestigt, die aus drei, jeweils um 90° versetzten, CFK-Streben mit 1 mm Stärke besteht. Durch Anziehen der dem Okularauszug gegenüber liegenden Strebe erreicht die Fangspiegelhalterung, in Verbindung mit der Einstellung des gewünschten Offsets von ca. 3 mm, eine sehr hohe Steifigkeit, so dass die okularseitige Strebe wegfallen kann. Als Träger für den Fangspiegel dient eine Multibeam-Wellenkupplung, auf die ein um 45° Grad abgeschrägter Zylinder aufgebracht ist.

Drei von oben zugängliche Inbus-Schrauben, die durch die Multibeam-Kupplung vorgespannt sind, erlauben eine sehr schnelle, einfache und bleibende Justierung des Fangspiegels.

Okularauszug und Höhenräder

Als Okularauszug wird ein JMI-NGF-DX2-Auszug mit Motofocus verwendet. Dieser ist auf eine Alu-Adapterplatte geschraubt, die wiederum auf den Tubus geklebt ist. Die Höhenräder mit einem Durchmesser von 295 mm stammen von Gerd Neumann, wurden maschinell überdreht und mittels Aluklötzen am Tubus angeschraubt.

Eine Zwischenbilanz

Durch den Einsatz leichter Materialien wiegt der „gebrauchsfertige" optische Tubus inklusive aller Anbauteile weniger als 14 kg. Davon sind mit 2,5 kg der eigentliche Tubus, der Hauptspiegel mit 4,5 kg sowie die Höhenräder mit 3 kg die schwersten Einzelteile. Die restlichen knapp vier Kilogramm gehen auf das Konto der Hauptspiegelzelle, der daran befestigten Mikrometerschrauben und Lüfter, des Fangspiegels samt Halterung und Spinne, des Okularauszugs, des Suchers und diverser Kleinigkeiten wie Schrauben, Temperaturanzeige, Spiegelfolie und Hartschaumringe.

Rockerbox

Natürlich liegt es nahe, auch die Rockerbox aus demselben Material zu bauen wie den Tubus. Doch würde hierdurch die Struktur sehr aufwendig und damit teuer. Deshalb ist die Rockerbox eher „klassisch" aus Multiplexplatten mit Dicekn von 21 und 18 mm gefertigt.

Aber auch hier wurde auf höchstmögliche Steifigkeit bei der Konstruktion geachtet. So bringt zum Beispiel die vordere U-förmige Versteifung der Seitenteile eine signifikante Verbesserung der Schwingungsanfälligkeit: Die Ausschwingzeiten des Tubus und der Rockerbox liegen bei ca. einer Sekunde.

Die Höhenräder werden links und rechts unterschiedlich gelagert: Links wird Ebony-Folie auf Teflon-Pads eingesetzt, rechts befinden sich – aus Gründen, die später im Abschnitt „Die Antriebe" erläutet werden – Kugellager.

Die axiale Lagerung in Azimut erfolgt über drei Kugellager von 19 mm Aussendurchmesser auf einem Wirkkreis von 420 mm, die auf einem Hart-PVC-Ring laufen; die Radiallagerung erfolgt über ein Gleitlager mit 36 mm Innendurchmesser.

Als zusätzlicher Komfort wurde eine zuschaltbare Heizung im Bereich der Okularablage integriert. Diese besteht aus zwei 12V-Heizmatten, welche ca. 1 A Strom benötigen und sehr effektiv ein Beschlagen der Okulare bei Feuchtigkeit verhindern.

Das Gesamtgewicht der Rockerbox samt Antrieben, Verkabelung und Heizung liegt bei knapp 10,5 kg.

Die Antriebe

Eine besondere Herausforderung ist die Ansteuerung des Dobsons. Von den Qualitäten des Skysensor 2000 PC der Firma Vixen aufgrund der Erfahrungen an verschiedenen parallaktischen Montierungen überzeugt, sollte diese Steuerung auch an einem Dobson ihr Können unter Beweis stellen. Es handelt sich um das nach unserer Kenntnis einzige kommerzielle Produkt, das mit einer alt-azimutalen Montierung zurecht kommt und zudem eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht.

Da die Original-Motoren der Steuerung bereits in einer anderen Montierung ihren Dienst versehen, wurde der Dobson mit Gleichstrommotoren der Firma Maxon ausgestattet. Diese besitzen integrierte Encoder und vorgeschaltete Stirnradgetriebe, sind elektrisch zu den original MT-2-Motoren kompatibel und können vom Skysensor angesteuert werden.

Auf den Abtriebswellen der Getriebe sitzen Zahnriemenscheiben mit 40 Zähnen, die einen HTD-Zahnriemen mit 9 mm Breite und einem Modul von 3 mm antreiben. Da in diese Zahnriemen Stahldrähte einvulkanisiert sind, lässt sich kein Dehnungsverhalten feststellen. Die Zahnriemen werden über Aluringe von 295 mm gelegt, welche für die Elevation seitlich an ein Höhenrad und für den Azimut in der Drehachse gelagert sind.

Die Übersetzung der Getriebe liegt bei 900, die des Zahnriemenantriebes bei 7.5, so dass eine Gesamtübersetzung von 6750 erreicht wird.

Die Vorspannung der Zahnriemen werden über eine exzentrische Lagerung erreicht. In der notwendigen Vorspannung liegt auch der Grund für die Rollenlagerung der Höhenräder auf der Antriebsseite: Durch das Spannen des Riemens würde das Höhenrad zu stark auf das Teflonpad gepresst, was sich in einer relativ hohen Reibung äußern würde. Durch die Kugellagerung ist dies jedoch elegant zu beherrschen.

Die GoTo-Steuerung erreicht sowohl gute Nachführungswerte (auch bei 400-facher Vergrösserung bleibt das Objekt im Blickfeld), als auch sehr hohe Schwenkgeschwindigkeiten von 5° pro Sekunde.

Zum Initialisieren muss der Tubus lediglich horizontal nach Westen ausgerichtet werden. Anschließend wird eine Zwei-Stern-Initialisierung vorgenommen. Selbst eine sehr ungenaue Ausrichtung wirkt sich dann auch in langen Beobachtungsnächten nicht nachteilig auf die Positioniergenauigkeit aus.

Will man das Teleskop ganz ohne Elektronik benutzen, so muss man lediglich die Zahnriemen abnehmen, und man hat einen klassischen Dobson, der extrem leichtgängig ist, aber trotzdem auch bei Okularwechsel keine Balanceprobleme hat.

Zusammenfassung

Das Ergebnis dieses Projektes zeigt, dass im Teleskopbau durch den Einsatz moderner Materialien extreme Gewichtseinsparungen bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und optimalem thermischen Verhalten möglich sind. So konnte ein optisch und mechanisch hochwertiger 12"-Dobson mit schneller Goto-Steuerung und einem Gesamtgewicht von weniger als 25 kg realisiert werden. Damit wiegt das Teleskop, inklusive der konventionell gebauten Rockerbox und des Antriebs, etwa 40 Prozent weniger als die meisten kommerziell erhältlichen Systeme.

Auch das Handling ist sehr benutzerfreundlich: Das Teleskop ist innerhalb von zwei Minuten betriebsbereit, so dass selbst einem schnellen Blick in die Sterne durch eine Wolkenlücke nichts entgegen steht.

Weitere Informationen

[1] Dipl-Ing. Herbert Funke: „Sandwich-Leichtbauteile in Wabenbauweise - Eine allgemeingültige Einführung in die Leichtbauweise mir Aramid-Waben", http://download.r-g.de/waben.pdf
[2] Programm "Cell" von David Chandler: http://www.davidchandler.com/cell.htm
[3] Programm "Plop" von David Lewis: http://www.davidlewistoronto.com/plop/

Bezugsquelle für Skysensor-kompatible Motoren:

Die verwendeten Motoren stammen von der Firma Maxon Motor. Dabei handelt es sich um DC-Motoren Typ F 2140 (siehe Datenblatt) mit 40mm Durchmesser und Graphitbürsten. Die Bestellnummer lautet: 2140.934-58.236-050. An den Motoren ist hinten ein 2-Kanal-Encoder mit 100 Impulsen angeflanscht (Bestellnummer 103935). Das Stirnradgetriebe ist vom Typ GS 38 (siehe Datenblatt), der in Übersetzungen von 1:6 bis 1:900 erhältlich ist.

Die Motoren wurden mit einem Skysensor 2000 PC als Ersatz für die ursprünglichen MT-2-Motoren getestet. Sie sollten auch als Ersatz für MT-4-Motoren funktionieren, da diese nach Aussage von Vixen Europe untereinander elektrisch kompatibel sind. Über eine Verwendbarkeit der Maxon-Motoren anstelle der kurzzeitig von Vixen verwndeten MT-3-Motoren liegen keine Erkenntnisse vor.