Kühlung für Lasersysteme des größten Teleskops der Welt

Entscheidend für die wissenschaftliche Forschung, die im Extremely Large Telescope bald betrieben wird, ist die Lage. Ausgewählt wurde der Berg Cerro Armazones in der Atacama-Wüste in Chile. Das durch Sprengung abgeflachte Plateau liegt auf knapp 3.000 m Höhe und bietet ideale Voraussetzungen für das ELT. Dazu gehören vor allem die Wetterbedingungen: Die Atacama-Wüste hat über 300 wolkenlose Nächte pro Jahr und ermöglicht einen klaren Blick in den Sternenhimmel. Die Lufttemperatur ist generell niedrig, mit einem Jahresmittelwert von ungefähr 9 °C in der Nacht. Die Luft ist trocken, da es sehr wenig regnet, nur ungefähr 100 mm pro Jahr. Zudem ist Cerro Armazones sehr abgelegen, was Störungen durch Lichtverschmutzung ausschließt. Auch die Höhenlage ermöglicht ideale Bedingungen für astronomische Beobachtungen.

Ein perfekter Standort mit großen Herausforderungen

Doch die Atacama-Wüste bringt auch Herausforderungen mit sich. Der feine Wüstensand und -staub kann für die Teleskoptechnik mit ihren hochsensiblen optischen Spiegeln und Geräten gefährlich werden. Starke Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht, Schnee im Winter sowie die seismisch aktive Lage Chiles erfordern zusätzliche Schutzmaßnahmen, um einen optimalen Betrieb des Observatoriums zu gewährleisten. Neben einer Vielzahl an mechanischen Lösungen gehören dazu auch hochspezialisierte Lüftungsanlagen, die die Technik mit reiner, perfekt temperierter Luft versorgen und Ausfälle verhindern – auch bei Erdbeben.

Der Bau des ELT auf 3.000 m Höhe und in der Wüste bringt einige Herausforderungen mit sich. Bild: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

Hochsensible Instrumente erfordern präzise Klimatisierung

Aufgabe des Haupt- und der fünf Nebenspiegel ist es, das Licht von astronomischen Objekten einzufangen, zu korrigieren und zu stabilisieren. Turbulenzen in der Erdatmosphäre machen es den Forschenden aber schwer, die feinen Details zu erkennen. Deswegen kommt hier die Methode der adaptiven Optik zum Einsatz, bei der hochentwickelte, computergesteuerte Spiegel die Verzerrungen in Echtzeit korrigieren. Dafür benötigt das System allerdings einen Referenzstern, an dem es die Verzerrung genau messen kann. Das ELT erzeugt diesen Stern selbst: Dafür werden bis zu acht so genannte Leitstern-Lasersysteme Lichtstrahlen in die Erdatmosphäre „schießen“ und dort die künstlichen Sterne erzeugen. 

Über das Extremely Large Telescope

Das Extremely Large Telescope (ELT) wird momentan in der Atacama-Wüste in Chile auf dem Berg Cerro Armazones gebaut. Es ist der Nachfolger des Very Large Telescope (VLT) mit seinem 8,2 m großen Hauptspiegel. Betreiberin des ELT ist die Europäische Südsternwarte ESO, die Fertigstellung ist für 2028 erwartet. Die geschätzten Kosten liegen bei 1,5 Mrd. €. Hauptziele sind die Untersuchung der ersten Sterne und Galaxien, Erforschung von Exoplaneten und der so genannten Dunklen Materie. Dazu verfügt das ELT über den größten optischen Spiegel der Welt mit 39 m Durchmesser, bestehend aus 789 Einzelspiegeln. Dazu kommen fünf weitere Spiegel und diverse optische Instrumente zur Auswertung der Informationen. Die ESO erwartet, mit dem ELT so bedeutende Entdeckungen zu machen wie Galileo Galilei, als er mit dem ersten Teleskop das heliozentrische Weltbild bestätigte. Denn das ELT könnte das erste Teleskop sein, dass Hinweise auf Leben außerhalb unseres Sonnensystems findet.

Dabei entsteht viel Wärme. Deshalb kühlen insgesamt 46 hochspezialisierte RLT-Geräte, darunter 24 AHUs (Air Handling Units) und vier AHPUs (Air Handling and Purification Units) diese unverzichtbaren Laser. Das Unternehmen Ocram Clima aus Portugal ist Experte für solche speziellen Lüftungs- und Klimasysteme und hat sie für das ELT entwickelt: „Unsere Anlagen werden die Laser konstant mit perfekt temperierter, reiner Luft versorgen“, erklärt Marco Lopes, CEO von Ocram. „Bereits eine minimale Temperaturschwankung oder kleinste Kontamination, wie ein Staubpartikel, könnte die Arbeit der Forschenden am ELT erschweren. Bei diesem besonderen Auftrag gab es überhaupt keinen Spielraum für Fehler. Daher haben wir nach einem absolut zuverlässigen Partner für die in den Anlagen befindlichen Ventilatoren gesucht.“

Komplexe Anforderungen an die Lüftungsanlagen

Die Anforderungen an die Lüftungsanlagen und ihre Ventilatoren sind komplex und hoch. Dazu gehört zum einen die Höhenluft: Bereits ab 2.500 m Höhe verringert sich der Luftdruck um 25 %. Die Anlagen müssen darauf eingestellt sein und zuverlässig den nötigen Druck liefern. Feine Filter, die das Eindringen von Wüstensand verhindern, fordern zusätzliche Leistung. Erdbeben, wie sie in der Region häufig vorkommen, dürfen den Anlagen nichts anhaben. Zudem arbeiten die Systeme in einer Umgebung mit viel empfindlicher Elektronik und Sensorik, weshalb sie auf keinen Fall elektronische Interferenzen verursachen dürfen.

ebm-papst Portugal nahm sich dieser technischen Komplexität an und konnte mit einer Plug-&-Play-Lösung überzeugen. Mit Unterstützung von einem Entwicklungsteam aus Mulfingen lieferten die Lufttechnik-Experten insgesamt 28 FanGrid mit insgesamt 168 EC-Ventilatoren an Ocram. Hauptaufgabe des Teams war es, die komplexen Anforderungen für den Auftraggeber aufseiten der Ventilatoren zu lösen, indem sie beispielsweise unterschiedlichen Komponenten, wie Kondensatoren, direkt in die EC-Ventilatoren integrierten. „Bei der ursprünglich angedachten Lösung hätten wir durch außenliegende Einzelteile einen zusätzlichen Installationsaufwand und somit auch ein erhöhtes Risiko gehabt. Wir suchten nach einer Lösung, die uns Arbeit abnimmt“, so Marco Lopes.

Insgesamt 28 FanGrid werden in den von Ocram an das ELT gelieferten, hochspezialisierten RLT-Geräte verbaut. Alle RadiPac kommen standardmäßig mit Aktiv-PFC und automatischer Resonanzerkennung. Bild: ebm-papst

FanGrid und EC-Ventilatoren für die Betriebssicherheit

Die FanGrid Einheiten sorgen für die essenzielle Betriebssicherheit der Anlagen im ELT. Dabei werden in diesem Fall jeweils sechs einzelne EC-Ventilatoren aufeinandergestapelt und als Wand montiert. Diese Redundanzen garantieren selbst beim Ausfall eines einzelnen Ventilators stets die nötige Leistung. Zum anderen ermöglicht das den Betrieb der Ventilatoren in Teillast, was für eine hohe Effizienz und längere Lebensdauer sorgt. Insgesamt konzipierte ebm-papst zwei unterschiedliche FanGrid Einheiten für 24 AHU- und 4 AHPU-Systeme, die diverse Simulationen, technische Untersuchungen und Validierungen aufseiten der Stakeholder durchliefen.

Verbaut wurden in allen FanGrid hocheffiziente RadiPac EC-Radialventilatoren der neuesten Generation. Die überzeugten Ocram wegen ihrer hohen Energieeffizienz und damit einem deutlich geringeren CO₂-Fußabdruck als die ursprünglich angedachten AC-Ventilatoren. Aufgrund der genauen Vorgaben bezüglich der Luftdichte und der Grenzwerte für Stromoberschwingungen nahm das Team an den Modellen noch technische Veränderungen vor. Die Kondensatoren sind – im Vergleich zur vorher angedachten Lösung – in den Ventilator integriert. Das bietet Ocram den Vorteil, dass keine zusätzliche Verkabelung nötig ist, was den Aufwand bei der Qualifizierung der Lösung sowie später bei der Installation deutlich reduziert. Zum Schutz vor Vibrationen sind alle Ventilatoren mit automatischer Resonanzerkennung und wegen der empfindlichen technischen Instrumente des Teleskops mit 3-Phasen Aktiv-PFC ausgestattet. 

Erfolgreiche Zusammenarbeit auf höchstem technischem Niveau

Im Mai 2024 wurden die ersten Einheiten nach Chile verschifft und vom OCRAM-Team montiert. Nun finden vor Ort Messungen statt, um die Plug-&-Play-Lösung final zu validieren. Die erfolgreiche Zusammenarbeit von OCRAM und ebm-papst zeigt, dass hier an der Spitze der Technik gearbeitet wurde. Marco Lopes schließt: „ebm-papst hat den Job exzellent erfüllt. Wir sind stolz, gemeinsam an so einem visionären Projekt arbeiten zu dürfen. Ein Projekt, das weit über den Planeten Erde hinausgeht.“

Eine Information der ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KGaA & Co. KG, Mulfingen