Neue Verstärker schärfen die Sinne des Alma-Radioobservatoriums

Fraunhofer und Max-Planck entwickeln für die Europäische Südsternwarte die weltweit rauschärmsten Verstärker

Auf den Punkt gebracht

• Neue Verstärker: Ingenieurinnen und Ingenieure haben die bisher rauschärmsten Verstärker weltweit entwickelt, die beim Alma-Radioobservatorium in Chile eingesetzt werden. Diese Verstärker ermöglichen das Empfangen von schwacher Radiostrahlung.
• Technikentwicklung in Deutschland: Diese neu entwickelten Signalverstärker beruhen auf einer Zusammenarbeit des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik. Beide blicken auf eine 20-jährige Kooperation zurück, die die Institute unabhängig von außereuropäischen Anbietern macht.
• Auftrag der Europäischen Südsternwarte: Die Europäische Südsternwarte ist eine zwischenstaatliche Organisation mit Hauptsitz in Garching bei München. Sie hat die beiden Institute mit der Bereitstellung der neuen Verstärker beauftragt, die in ihrem Frequenzbereich konkurrenzlos und auf dem europäischen Markt frei verfügbar sind.

Viele Objekte und Phänomene – wie Staubscheiben in jungen Sternsystemen, komplexe Moleküle oder Magnetfelder in unserer Galaxis – geben ihre Geheimnisse vor allem im Radiolicht preis, bei Wellenlängen und Frequenzen, die das menschliche Auge nicht sehen kann. Da diese astrnomischen Objekte aber sehr weit entfernt sind und daher nur schwache Radiostrahlung aussenden, müssen die Signale, die die Teleskope empfangen, verstärkt werden. Ingenieurinnen und Ingenieure des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik haben neue rauscharme Verstärker für die Europäische Südsternwarte entwickelt. Diese weltweit empfindlichsten Verstärker lassen das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) nun noch schwächere Radiostrahlung empfangen als je zuvor.

High-Tech made in Germany

Das Alma-Observatorium gehört mit 66 Teleskopen zu den leistungsfähigsten Forschungsanlagen der Welt. Für einen neuen Satz von Empfängern, die Radiostrahlung mit Frequenzen von 67 – 116 Gigahertz (GHz) erfassen, konnten Ingenieure des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn und des Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, IAF, in Freiburg mit 145 extrem rauscharmen Verstärkern (Low-Noise Amplifiers) nun entscheidende Verbesserungen anstoßen. Diese Bauteile bilden die erste und damit entscheidende Verstärkerstufe: „Die Leistungsfähigkeit von Empfängern hängt maßgeblich von der Performance der ersten Hochfrequenz-Verstärker ab, die in ihnen verbaut sind“, erklärt Fabian Thome, Leiter des Teilprojekts am Fraunhofer IAF. „Unsere Technik zeichnet sich durch eine mittlere Rauschtemperatur von 22 Kelvin aus, die weltweit unerreicht ist.“ Mit den neuen Komponenten lassen sich die Signale bereits im ersten Schritt auf mehr als das 300-fache verstärken.

Das Herzstück der Verstärker sind integrierte Mikrowellenschaltungen, die das Fraunhofer IAF entwickelt hat. Die Ingenieure am Max-Planck-Institut für Radioastronomie konstruierten die komplexen Gehäuse, die in der hauseigenen Feinmechanikwerkstatt gefertigt wurden, und führten die hochpräzise Integration der Mikrowellenschaltungen und Signalleitungen mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern aus. Im Anschluss testeten sie jeden Verstärker bei Temperaturen von 15 Kelvin (etwa -258 Grad Celsius) – die Temperatur, auf welche die Empfänger des Alma-Observatoriums heruntergekühlt werden müssen. Die Low-Noise Amplifiers spielen eine entscheidende Rolle in einer neuen wichtigen Phase für Alma: Sie ebnen den Weg für die nächste Generation von Empfängern, die mit größeren Bandbreiten und erhöhter Empfindlichkeit in den 2030er Jahren zur Verfügung stehen sollen. „Unsere tolle Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAF zeigt, dass unsere Verstärker nicht nur ‚made in Germany‘, sondern auch weltweit die besten sind“, sagt Michael Kramer, geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Auftrag der Europäischen Südsternwarte 

Die Europäische Südsternwarte, ESO, die das Alma-Observatorium in Kooperation mit weiteren internationalen Einrichtungen betreibt, beauftragte das Max-Planck-Institut für Radioastronomie und das Fraunhofer IAF gemeinsam mit der Bereitstellung der rauscharmen Verstärkerstufen. Beide Forschungsinstitute profitierten dabei von ihrer etwa 20-jährigen Zusammenarbeit, in der dank gezielter Förderungen und Anstrengungen zusammen Expertise aufgebaut wurde, welche die Institute weitgehend unabhängig von außereuropäischen Anbietern macht. Die Verstärker-Module sind in ihrem Frequenzbereich weltweit konkurrenzlos und auf dem europäischen Markt frei verfügbar.