Die Antenne im Tal

Der Bau des 100-Meter-Radioteleskops vor vier Jahrzehnten zeugt von hoher Ingenieurskunst

3. Mai 2011

Das Effelsberger 100-Meter-Teleskop hat zwei Generationen von Radioastronomen gedient und zu Tausenden von wissenschaftlichen Veröffentlichungen geführt. Im Mai 1971 offiziell in Betrieb genommen, zählt es noch heute dank sorgfältiger Wartung und ständiger Verbesserungen zu den astronomischen Präzisionsinstrumenten erster Güte. Die Historie des Teleskops ist ein spannendes Stück Technikgeschichte.

Das Fundament des 100-Meter-Radioteleskops während der Bauzeit (1968).

 

Als Galileo Galilei im Sommer des Jahres 1609 sein bescheidenes „Sehrohr“ auf die Sterne richtete, eröffnete er einen neuen Himmel. Er beobachtete Dinge, die nie zuvor ein Mensch gesehen hatte: Berge und Krater auf dem Mond, die Phasen der Venus, einzelne Sterne der Milchstraße. Galileo Galilei hatte das Fenster zum Weltall weit aufgestoßen. Der Forscher konnte nicht ahnen, dass sein Fernrohr nur eine winzige Oktav in der kosmischen Klaviatur des Lichts wahrnahm. Denn das elektromagnetische Spektrum, das wir aus dem Weltall empfangen, reicht über zwölf Größenordnungen: am einen Ende das hochenergetische Gammalicht mit Wellenlängen von 0,01 Nanometer (Milliardstel Meter), am anderen der Radiobereich mit Wellenlängen von mehreren Metern.

Dieses Radiofenster erschloss in den frühen 1930er-Jahren Karl Jansky. Im Auftrag der Telefongesellschaft Bell Phone hatte der amerikanische Ingenieur ein 30 Meter langes Ungetüm aus Holz und Draht gebaut und damit nach Störsignalen im Kurzwellenband gelauscht. Tatsächlich verfing sich in Janskys Antenne ein Zischen. Es stammte aber nicht von einer intergalaktischen Radiosendung der Aliens, sondern aus dem Zentrum der Milchstraße.

Heute fahnden Forscher aus dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie mit Hightech-Schüsseln nach den Signalen vom langwelligen Ende des elektromagnetischen Spektrums. Herz des Bonner Instituts ist die 1971 eingeweihte Antenne nahe Effelsberg in der Eifel – mit einem Durchmesser von 100 Meter jahrzehntelang das größte vollbewegliche Radioteleskop der Welt. (Den Rang abgelaufen hat ihm vor wenigen Jahren das amerikanische Greenbank-Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von etwas mehr als 100 Metern.)

Im Vergleich zu anderen europäischen Ländern fasste die Radioastronomie in Deutschland spät Fuß. Das lag an technischen Beschränkungen, die den Forschern infolge des Zweiten Weltkriegs von den Besatzungsmächten auferlegt wurden. Erst Mitte der 1950er-Jahre wurde eine vollbewegliche Antenne mit 25 Meter Durchmesser auf dem Stockert errichtet, einer Anhöhe nördlich von Bad Münstereifel. Zur selben Zeit baute das Heinrich-Hertz-Institut in Berlin-Adlershof ein 36-Meter-Transitinstrument, das für galaktische Forschung vorgesehen war.

Geschweißte Reflektorbaugruppen warten am Boden auf das Anheben. Man beachte den Arbeiter in der rechten Ecke.

Im Jahr 1962 unterbreitete die Denkschrift zur Lage der Astronomie den Vorschlag, ein Großinstrument für Radioastronomie zu errichten. Darauf begann Otto Hachenberg, Leiter des Instituts für Radioastronomie an der Universität Bonn, mit der Planung eines 80-Meter-Teleskops. Die Landesregierung von Nordrhein-Westfalen finanzierte Planung und Vorarbeiten. Die Firma Krupp legte einen Entwurf vor, der statt einer steifen Stahlkonstruktion eine flexible Lösung vorsah, sodass die parabolische Form des Reflektors beim Kippen erhalten blieb. Damit ergab sich die Möglichkeit, den Antennendurchmesser auf 90 Meter zu erhöhen. Im Jahr 1964 stellte Hachenberg gemeinsam mit seinen Kollegen Friedrich Becker und Wolfgang Priester einen Antrag an die VolkswagenStiftung, um Finanzmittel für den Bau dieses Großinstruments zu bekommen.

Etwa zur selben Zeit ging bei der Stiftung noch ein zweiter Antrag ein: Sebastian von Hoerner aus Tübingen plante einen 160-Meter-Spiegel. Zunächst wurden beide Projekte als förderungswürdig erkannt. Im Hinblick auf den hohen Aufwand für den Betrieb derartiger Instrumente musste jedoch ein geeigneter Träger gefunden werden. Die Max-Planck-Gesellschaft erklärte sich bereit, ein entsprechendes Institut zu schaffen. Dank der bereits geleisteten Vorarbeit und der Unterstützung durch das Land Nordrhein-Westfalen kam es zur Gründung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. Otto Hachenberg wurde zum Direktor berufen.

Weil die Pläne für das Tübinger Projekt aufgegeben wurden, standen für das Bonner Projekt höhere Finanzmittel bereit. Berechnungen hatten gezeigt, dass sich auch für einen 100-Meter-Reflektor eine ausreichend genaue Oberfläche erreichen ließ – und so wurde dessen Bau beschlossen.

Mit der Suche nach einem geeigneten Aufstellungsort begann man 1966. Es war klar, dass nur ein Tal in Frage kam, das Abschirmung gegen Störstrahlung bot. Die Wahl fiel schließlich auf ein nord-südliches Tal in der Nähe von Bad Münstereifel bei dem Dorf Effelsberg. Das 15,4 Hektar große Gelände lag größtenteils gerade noch innerhalb der Landesgrenzen von Nordrhein-Westfalen.

Bei den Konstruktionsarbeiten mussten die Techniker völlig neue Wege beschreiten. Es ging um die Abkehr von der klassischen Reflektorbauweise , wie sie zu der Zeit beim Mark-I-Teleskop in Jodrell Bank/England und beim Parkes-Teleskop in Australien verwirklicht waren. Der 100-Meter-Spiegel sollte schließlich eine Oberflächengenauigkeit von einem Millimeter bekommen. Bei der Firma Krupp war eine Arbeitsgruppe zielgerecht zu einer endgültigen radialsymmetrischen Struktur für den Reflektor gelangt. Ein gesonderter Kipprahmen sollte axial den Reflektor halten. Dieser Entwurf ermöglichte besonders einfache Berechnungen der elastischen Verformung beim Kippen.

Der Kipprahmen bildete zusammen mit den Fokusstützbeinen einen Oktaeder, der durch eine Kreuzstruktur im Innern stabilisiert wurde. Außerdem enthielt diese Konstruktion auch das Gegengewicht zum Reflektor, der wie ein Regenschirm vom Kipprahmen axial gehalten werden sollte. Für die Kippbewegung wurden schwimmende Antriebe (floating wheel) über einen Zahnkranz an einem Arm des Oktaeders gewählt. Für den Azimutantrieb wurden am Grundrahmen vier Fahrwerke mit 16 Motoren und 32 Rädern vorgesehen, mit einer Belastung von ungefähr 100 Tonnen pro Rad. Ein Betonring sollte die Azimut-Laufschiene von 64 Meter Durchmesser tragen. Im Fundament entstanden Räume für die Stromversorgung sowie Werkstätten.

Ansicht des fast fertigen Teleskops im Frühjahr 1971. Das Betriebsgebäude ist links zu sehen, außerdem der Tunnel als Verbindung zum Fundamentbereich, durch den die Kabelverbindungen laufen.

Der Baubeginn für den Stahlbau erforderte die Errichtung eines 130 Meter hohen Krans. Die Montagearbeiten und Fertigungsarbeiten auf dem Gelände gehörten zum Verantwortungsbereich der Firma MAN. Eine Maschine in einer Hütte am Rand des Montagefelds diente dazu, die komplizierten Zuschnitte der Rohre für den Reflektor herzustellen. Schrittweise wurden sie zur Reflektorstruktur verschweißt, bis schließlich sektorförmige Baugruppen entstanden. Größere Konstruktionselemente mit rechteckigem Querschnitt, so etwa die Bockkonstruktion des Teleskops, wurden in den Werkstätten der Firma Krupp in Rheinhausen aus Stahlblech gefertigt und nach Effelsberg transportiert.

Die Schweißarbeiten für den Reflektor auf dem Gelände erforderten eine hohe Präzision. Speziell die Winkelgenauigkeit, mit der die Rohre zusammengefügt und verschweißt wurden, war sehr kritisch. Schließlich stapelten sich die Reflektorsektoren auf dem Montagefeld, teilweise wurden sie bereits am Boden mit Reflektorpaneelen belegt. Beim Zusammenfügen wurden die Sektorbaugruppen abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten montiert. Dazu mussten bereits im Frühstadium der Teleskopmontage Fahrbewegungen im Azimut ermöglicht werden.

Im Jahr 1970 installierten die Techniker den letzten Sektor des Reflektors. Eine Lücke von nur fünf Millimetern zeigte, mit welcher bemerkenswerten Genauigkeit die Stahlkonstruktion gebaut worden war. Nun konnten die restlichen Paneele montiert werden. Zum Schluss wurde die Reflektorfläche mit dem Theodolit eingemessen.

Die Wissenschaftler und Techniker hatten für das Teleskop eine vollständige Computersteuerung vorgesehen. Dabei sollte sich die Antenne mit einer Genauigkeit von besser als zehn Bogensekunden ausrichten lassen. Das Antriebssystem stammte von der Firma AEG, die Encoder für die Teleskopachsen von der Firma Heidenhain. Als Prozessrechner wurde ein ARGUS 500-System der Firma Ferranti gewählt. Die astronomischen Steuerprogramme entwickelte das Institut, ebenso die Empfänger.

Am 23. April 1971 registrierte das neue Radioteleskop die ersten Signale bei einer Wellenlänge von elf Zentimetern, wobei nur ein einfacher Dipol im Primärfokus zum Einsatz kam. Während der offiziellen Eröffnung am 12. Mai 1971 war die Antenne dann voll im Betrieb, und zwar mit Messungen des Radiokontinuums bei 73 Zentimeter Wellenlänge. Während der Einweihung liefen Beobachtungen bei 408 Megahertz; sie führten am Ende zu einer berühmten Durchmusterung des gesamten Radiohimmels.

Das Effelsberger 100-Meter-Teleskop hat zwei Generationen von Radioastronomen gedient und führte zu tausenden von wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Die sorgfältige Wartung des Instruments durch die technischen Arbeitsgruppen hat seinen durchgehenden Betrieb gesichert. Im Lauf der vergangenen 40 Jahre nahmen die Forscher und Ingenieure außerdem ständig Verbesserungen vor – insbesondere hinsichtlich der Oberflächengenauigkeit des Reflektors. Im Jahr 2006 schließlich wurde der Subreflektor ausgewechselt. Der neue Reflektor erlaubt mit aktiv verstellbarer Oberfläche weitere Verbesserungen für Beobachtungen vom Sekundärfokus aus.

Lang ist die Reihe der Empfänger, die sowohl für den Primärfokus als auch für den Sekundärfokus entwickelt wurden, um alle in Betracht kommenden Frequenzbänder im Zentimeter-Wellenbereich zu erfassen. Das Effelsberg-Teleskop wurde sogar noch bei 86 Gigahertz (drei Millimeter Wellenlänge) mit Erfolg eingesetzt. Trotz seines Alters zählt es noch heute zu den erstklassigen astronomischen Präzisionsinstrumenten.

Autoren: Richard Wielebinski / Bernd H. Grahl

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