Extrem großes Teleskop (ELT): Das größte Wunder der Astronomie

Das Extrem große Teleskop wird astronomische Rekorde brechen

Der Fortschritt der Astronomie ist zu einem großen Teil mit dem technischen Fortschritt bei der Herstellung von Teleskopen synchronisiert. Von den frühen, von Galileo handgefertigten Modellen bis hin zur heutigen technologischen Leistungsfähigkeit durch internationale Zusammenarbeit gilt das weiterhin.

Ein weiterer Schritt war, Teleskope aus der Erde heraus in die Umlaufbahn zu verlegen, wie beim Hubble‑Teleskop und jüngst beim James‑Webb-Weltraumteleskop (folgen Sie dem Link für eine detaillierte Analyse dieses wissenschaftlichen Megaprojekts).

Der Grund, warum Weltraumteleskope effektiver sind, liegt darin, dass sie nicht von der Erdatmosphäre und dem Wetter beeinflusst werden, die die Bildqualität mindern können.

Allerdings haben erdgebundene Teleskope noch einige Vorteile gegenüber weltraumbasierten. Insbesondere ihre potenzielle Größe, da das Heben großer Ausrüstung in den Orbit nach wie vor ein extrem komplexer und teurer Vorgang ist.

Stromversorgung, Wartung und technische Aufrüstungen lassen sich am Boden ebenfalls wesentlich leichter durchführen, während Weltraumteleskope praktisch unmöglich zu reparieren oder später zu verändern sind, besonders solche, die Millionen Kilometer von der Erde entfernt sind, wie das James‑Webb‑Weltraumteleskop.

Noch im Bau befindet sich ein Projekt namens Extremely Large Telescope (ELT), das das Potenzial erdgebundener Teleskope demonstriert. Es hat seinen Sitz in Chile, wird das weltweit größte jemals gebaute Teleskop sein, mehrere Male größer als der bisherige Rekord, und stellt ein Wunderwerk der Ingenieurskunst dar.

Eine lange Reihe großer chilenischer Teleskope

Das ELT ist das neueste Projekt der internationalen Gemeinschaft von Astronomen, um die Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln.

Im selben Gebiet, in dem das ELT steht, befindet sich das Paranal‑Observatorium, betrieben von der European Southern Observatory (ESO), und 23 Kilometer (14 Meilen) vom Bauplatz des ELT entfernt.

Quelle: ESO

Paranal ist der Standort des Very Large Telescope (VLT), dem Vorgänger des Extremely Large Telescope (ELT), das sich derzeit im Bau befindet. Der VLT wird seit 1998 von der ESO betrieben und nutzte damals einen rekordverdächtigen Hauptspiegel von 8,2 Meter (27 ft) Durchmesser.

Das ELT wird den VLT bei weitem übertreffen, mit einem segmentierten Hauptspiegel von 39,3 Meter Durchmesser (130 ft).

Warum Chile?

Der gleiche chilenische Standort wird vom Vera C. Rubin Observatory genutzt, einem Survey‑Teleskop, der den gesamten sichtbaren Himmel gleichzeitig beobachtet und fortschrittliche KI einsetzt, um Änderungen in der Sternaktivität zu erkennen.

Das ELT wird ebenfalls in Chile liegen, das einige der besten Bedingungen für die Astronomie bietet.

Der gewählte Standort hat im Durchschnitt 270 klare Nächte pro Jahr.

Vera C. Rubin, VLT und bald das ELT befinden sich alle in großer Höhe, wobei das ELT auf 3.046 m (9.993 ft) über dem Meeresspiegel gebaut wird.

Der Cerro Armazones lag einst 10.052 ft (3.064 m) über dem Meeresspiegel, doch im Juni 2014 wurde die Spitze weggefegt, um den Gipfel für den Bau zu ebnen, wodurch 60 ft (18 m) seiner Höhe entfernt und etwa 220.000 m³ Gestein (263.000 sq yd) abgetragen wurden.

Quelle: ELT

Diese große Höhe hilft, atmosphärische Störungen zu reduzieren, zusätzlich begünstigt durch die sehr niedrige Luftfeuchtigkeit der Wüstenregion, und bietet zudem einen relativ isolierten Standort, weit entfernt von der Lichtverschmutzung großer Städte.

Der Standort des Cerro Armazones in der trockenen chilenischen Wüste in großer Höhe macht ihn ideal für astronomische Beobachtungen.

Die Höhe des Standorts über dem Meeresspiegel stellt keine logistischen Probleme für den Betrieb dar, erfüllt jedoch die wissenschaftlichen Anforderungen an niedrigen präzipitierbaren Wasserdampf und niedrige Betriebstemperaturen.

Der Niederschlag pro Jahr liegt bei etwa 100 mm, bei einem mittleren relativen Luftfeuchtigkeitswert von 15 %.

ELT‑Übersicht

Konstruktion

Seit 2005 diskutiert, wurde das ELT‑Projekt 2010 gestartet, nachdem mehrere Standorte in Chile und anderen Ländern (Argentinien, Kanarische Inseln, Marokko, Antarktis) zunächst in Betracht gezogen wurden, bevor die Spitze des Cerro‑Armazones‑Gipfels gewählt wurde, teilweise wegen seiner Nähe zur bestehenden Infrastruktur des Paranal‑Observatoriums.

Quelle: ELT

2012 wurde das Projekt vom ESO‑Rat genehmigt und die Bauarbeiten begannen 2014.

Ursprünglich hieß es European Extremely Large Telescope (E‑ELT), der Projektname wurde 2017 auf ELT verkürzt.

Der Bau erreichte 2023 die 50‑%‑Marke, und das erste Segment des Spiegels kam 2024 nach Chile, wobei der Sekundärspiegel voraussichtlich 2025 fertiggestellt wird.

Weitere Fortschritte werden 2026 erwartet, wenn die Struktur endlich fertig ist, und 2027, wenn die tertiären Spiegel sowie M4 und M5 fertiggestellt sind, ebenso wie der Hauptprimärspiegel.

Das ELT soll 2029 „first light“ erhalten und 2030 die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen durchführen. Es sollte ab diesem Zeitpunkt mehr als 30 Jahre betrieben werden.

Quelle: Cosmos Magazine

Insgesamt ist die gesamte Konstruktion massiv, fast so hoch und viel größer als die Freiheitsstatue.

Quelle: Space.com

Während dieser Anfangsphase wurden Designoptionen von den Wissenschaftlern und Partnerländern des Projekts diskutiert.

Das aktuelle Design wurde einem ambitionierteren, aber weniger realistischen Konzept, dem Overwhelmingly Large Telescope, mit einem massiven Spiegel von 100 m (328 ft) Durchmesser, vorgezogen, da dieses als zu teuer und zu komplex zum Bau angesehen wurde.

Obwohl die meisten technischen Probleme inzwischen gelöst sind, war es ein komplexes Unterfangen, das die Arbeit von mehr als 170 Wissenschaftlern, organisiert in mehreren Arbeitsgruppen, zusammenbrachte, um eine Simulation des zukünftigen Teleskops und seiner Bildgenerierungskapazität zu erstellen.

Quelle: ELT

Insgesamt wird das ELT voraussichtlich rund 1,45 Mrd. € kosten, wobei das Budget bereits vollständig gesichert ist.

ELT‑Ziele

Das Extremely Large Telescope ist darauf ausgelegt, einige der größten Fragen der Astronomie zu beantworten. Seine wichtigsten wissenschaftlichen Ziele umfassen:

1. Das Sonnensystem

Untersuchung der Atmosphären von Gasriesen, vulkanischer Aktivität auf den Monden des Jupiter und Saturn, des Asteroidengürtels und gefrorener Kuiper‑Gürtel‑Objekte.

2. Exoplaneten

Direkte Abbildung felsiger Planeten in habitablen Zonen und Analyse ihrer Atmosphären auf Wasserdampf, Sauerstoff und Methan mittels des ANDES‑Spektrografen.

3. Sterne

Untersuchung, wie Sterne in verschiedenen Umgebungen entstehen und sich entwickeln.

4. Schwarze Löcher

Beobachtung von Sternen, die nahe dem Sagittarius A* kreisen, um das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße besser zu verstehen.

5. Galaxien

Identifizierung extrem entfernter Galaxien und Ausbau der Entdeckungen des James‑Webb‑Weltraumteleskops.

6. Dunkle Materie

Erforschung der Verbindung zwischen dunkler Materie und Gammastrahlenausbrüchen.

7. Fundamentale Physik

Test, ob Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit und das Proton‑zu‑Elektron‑Massenverhältnis sich über kosmische Zeiträume verändert haben.

8. Überraschungen, die noch kommen

Wie Hubbles unerwartete Entdeckung der dunklen Energie 1998 könnte das ELT völlig neue Phänomene enthüllen.

ELT‑Technische Daten

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Der Hauptspiegel des ELT mit einem Durchmesser von 39,3 Meter (128 ft) wird aus 798 hexagonalen Spiegelsegmenten gebaut und ergibt eine Lichtsammlungsfläche von 978 Quadratmetern (10.527 Quadratfuß).

Zusammen verbrauchen alle Spiegel des ELT 140 Tonnen des Glas‑Keramiks Zerodur (Lithium‑Aluminosilikat‑Glas‑Keramik) in den Teleskopspiegeln, ein Produkt der deutschen Firma Schott AG, einer Tochtergesellschaft der Carl Zeiss‑Stiftung, die Experte für Präzisionsglas‑Gießereitechnologie ist.

Quelle: ELT

Dieses Teleskop ist dafür ausgelegt, sichtbares und nahes Infrarotlicht einzufangen und zu analysieren. Es wird 20‑mal mehr Licht sammeln als ein VLT‑Einheit, 8 Millionen‑mal mehr Licht als Galileos Teleskop und 100 Millionen‑mal mehr als das menschliche Auge.

Unter weiteren beeindruckenden Kennzahlen des ELT können genannt werden:

• 30 Millionen Schrauben wurden für die Kuppelstruktur verwendet, die 6.100 Tonnen wiegt.
• Die Hauptstruktur wiegt etwa 3.700 Tonnen, insgesamt werden 10.000 Tonnen Stahl eingesetzt.
• Die Teleskope und zugehörigen Systeme nutzen 500 km (310 Meilen) Elektrokabel und 1.500 km (930 Meilen) Glasfaser.

Quelle: ELT

ELT‑Spiegel

Das ELT wird ein 5‑Spiegel‑Design verwenden, das die Sternenbilder durch ein komplexes System vergrößert und schließlich das Bild an einer festen Stelle reflektiert.

Der M1‑Spiegel fängt das Sternenlicht ein und leitet es zum konvexen Spiegel M2 weiter, dem größten Sekundärspiegel, der je an einem Teleskop eingesetzt wurde, welcher das Bild auf M3 reflektiert.

Das Bild wird dann zum adaptiven Flachspiegel (M4) darüber gesendet, der seine Form tausendmal pro Sekunde anpasst, um Verzerrungen durch atmosphärische Turbulenzen zu korrigieren.

Schließlich wird das Bild zu M5, einem flachen, neigbaren Spiegel, gesendet, der das Bild stabilisiert und zu den ELT‑Instrumenten leitet.

M1

Dieser Spiegel besteht aus 798 einzelnen hexagonalen Segmenten, jedes 1,4 Meter breit. Jedes Segment wiegt 250 kg und ist etwa 5 cm (2 in) dick.

Quelle: ELT

Da jedes Segment als ein einheitlicher Spiegel funktionieren muss, muss seine Position extrem präzise gesteuert werden. Sie muss über den gesamten 39‑Meter‑Durchmesser eine Genauigkeit von Zehnteln Nanometer (10 000‑mal dünner als ein menschliches Haar) beibehalten.

Um ein Biegen oder thermische Ausdehnung zu verhindern, wird jedes Segment von einem 27‑Punkt‑Whiffletree getragen, einem Mechanismus, der die Unterstützung gleichmäßig über die Rückseite des Segments verteilt.

Insgesamt nutzt der Spiegel 2.500 Positionierungs‑Aktuatoren (PACTs) und 9.000 Rand‑Sensoren, um die Spiegel­elemente perfekt ausgerichtet zu halten.

M2 & M3

Diese beiden gekrümmten Spiegel werden verwendet, um aus dem vom M1‑Spiegel gesammelten Licht ein nutzbares Bild zu erzeugen.

M2 ist ein 4,25‑Meter‑Durchmesser‑Spiegel, der größte optische Sekundärspiegel, der je an einem Teleskop eingesetzt wurde.

M3 hat einen Durchmesser von 4 Meter und wiegt jeweils etwa 3 Tonnen.

Quelle: ELT

Eine zusätzliche Schwierigkeit bestand darin, M2 verkehrt herum über M1, 60 m über dem Boden, zu suspendieren.

Um den M2‑Spiegel auszurichten, wird die gesamte Baugruppe mit sechs Positionierungs‑Aktuatoren (Hexapoden) bewegt. Die relative Genauigkeit dieses Hexapoden, das alle paar Minuten bewegt wird, liegt im Sub‑µm‑Bereich.

M4

M4 ist der größte adaptive Spiegel, der je gebaut wurde, und wird atmosphärische Turbulenzen sowie die Rest‑Vibration des Teleskops korrigieren.

„Adaptiver Spiegel“ bedeutet, dass seine Oberfläche verformt werden kann, dank mehr als 5.000 Aktuatoren, die die Form des Spiegels bis zu 1.000 mal pro Sekunde ändern.

Der M4‑Spiegel nutzt das gleiche Prinzip wie ein Lautsprecher; der Spiegel besteht aus einer sehr dünnen Schale, die 90 Mikrometer von seiner Referenzfläche schwebt (dies entspricht der Dicke eines Standard‑A4‑Papierblatts) und wirkt wie eine Membran, die sich unter dem Einfluss von etwa 5.000 Stimmspulen‑Aktuatoren verformt.

M4 misst 2,4 Meter im Durchmesser (8 ft). Er besteht aus sechs dünnen Segmentspiegeln, jeweils nur 1,95 mm (0,1 in) dick und aus Keramikglas gefertigt.

Um die erforderlichen Korrekturen zu bestimmen, erzeugt das Teleskop „künstliche Sterne am Himmel“, indem leistungsstarke Laser Natrium‑Atome in der oberen Erdatmosphäre anregen und deren Unschärfe messen. Je stärker die Laser, desto mehr Natrium‑Atome werden angeregt, wodurch der künstliche Stern heller wird und die Turbulenzkorrektur verbessert wird.

Quelle: ELT

M5

Dieser Spiegel ist dafür verantwortlich, das endgültige, von M4 korrigierte Bild an die digitale Kamera zu übermitteln, die das Bild aufzeichnet.

M5 wird ein flacher, elliptischer Spiegel mit den Maßen 2,7 × 2,2 Meter sein, gebaut aus sechs leichten Silizium‑Karbid‑Segmenten, die zusammengelötet sind.

Die Einheit stabilisiert zudem die Bildbewegungen, die durch Teleskopmechanismen und windbedingte Vibrationen entstehen, indem sie die Neigungs‑ und Kippwinkel des Spiegels auf einige Zehntel Milli‑Bogensekunden genau einstellt.

ELT‑Partner

Zur Herstellung dieser ultra‑präzisen Steuerungsmechanismen und des ebenso ultra‑spezialisierten „Glases“ waren Industriepartner, überwiegend europäische Firmen, für das Projekt unverzichtbar.

Zu den wichtigsten gehörten die deutsche Firma Schott AG und das französische Safran. VDL ETG Projects B.V. in den Niederlanden ist verantwortlich für die Produktion und Prüfung der Segment‑Träger, die das Rückgrat des Spiegels bilden.

Viele weitere Industrie‑ und Forschungspartner des ELT stellten Design, Logistik, Bau, Spezialausrüstung, Messwerkzeuge, mechanische Vorrichtungen, Wärmetauscher, Kameras usw. bereit.

Quelle: ELT

ELT‑Instrumente

Neben dem Spiegel, der das Licht ferner Planeten und Sterne einfängt, werden zahlreiche Instrumente das Licht analysieren, damit Wissenschaftler es untersuchen können. Die wichtigsten Instrumente für das ELT sind:

• MORFEO (Multiconjugate Adaptive Optics Relay For ELT Observations): Dieses Instrument erzeugt selbst kein Bild, sondern hilft, die durch atmosphärische Turbulenz verursachten Lichtverzerrungen zu kompensieren, die astronomische Bilder unscharf machen.
• HARMONI (High Angular Resolution Monolithic Optical and Near‑infrared Integral field Spectrograph): Dieses Instrument kann ein Bild mit hoher Auflösung in einzelne Segmente zerlegen und für jedes die einzelnen Wellenlängen mit einem leistungsstarken Spektrografen analysieren, wodurch die Zusammensetzung von Planeten und Sternen offenbart wird.
• MICADO (Multi‑AO Imaging Camera for Deep Observations): Es wird hochauflösende Bilder des Universums im nahen Infrarot aufnehmen, dabei Exoplaneten identifizieren, einzelne Sterne in anderen Galaxien unterscheiden und das geheimnisvolle Zentrum der Milchstraße untersuchen.
• METIS (Mid‑infrared ELT Imager and Spectrograph): Ein Bild‑ und Spektrografensystem, das im mittleren Infrarot arbeitet. Es wird die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Objekten wie Exoplaneten, dem Sonnensystem, Zirkumstellar‑Scheiben, Sternentstehungsregionen, Braunen Zwergen, dem Zentrum der Milchstraße, der Umgebung entwickelter Sterne und aktiven galaktischen Kernen analysieren.
• ANDES (ArmazoNes High Dispersion Echelle Spectrograph): Ein leistungsstarker Hochauflösungs‑Spektrograf, der zum Nachweis von Lebenszeichen erdähnlicher Exoplaneten, zur Suche nach den ältesten Sternen im Universum, zum Testen möglicher Variationen fundamentaler physikalischer Konstanten und zum direkten Nachweis der Beschleunigung der Universums­expansion eingesetzt wird.
• MOSAIC: Dieser Multi‑Object‑Spectrograph kann bis zu 100 Ziele gleichzeitig untersuchen und wird verwendet, um das Wachstum von Galaxien und die Materieverteilung vom Urknall bis heute zu verfolgen. Er wird zudem Synergien mit kommenden Multi‑Wellenlängen‑Einrichtungen (einschließlich Euclid, Rubin, Roman, SKAO) bieten.

Was das ELT für die Astronomie bedeutet

Das ELT wird das weltweit größte Teleskop sein und könnte mindestens ein Jahrzehnt lang diese Position behalten, da konkurrierende Projekte verzögert werden.

Damit wird es zu einem der wichtigsten astronomischen Instrumente und wahrscheinlich die Quelle für Erkenntnisse über felsige Exoplaneten, Lücken in unseren kosmologischen Modellen und ein viel tieferes Verständnis unseres eigenen Sonnensystems, etwa der immer noch mysteriösen (aber geologisch aktiven) Monde des Saturn und Jupiters.

Es ist zudem ein bemerkenswerter technischer Erfolg, der das technisch Machbare erweitert und den wissenschaftlichen Wert ultra‑präziser Fertigungsmethoden, Spezialgläser und nanometer‑genauer Messinstrumente demonstriert.

All dies ist gleichermaßen wichtig für die Entwicklung überlegener photonischer und Quanten‑Computer, Laser, 3‑D‑Drucker usw.

Investition in fortschrittliche Optik

Corning Incorporated

Während Teleskope die Grenzen der Präzisionsfertigung in fortschrittlichem Glas verschieben, eröffnet das auch zahlreiche industrielle Möglichkeiten in so unterschiedlichen Sektoren wie Automobil, Halbleiter, KI, Verteidigung, Biotechnologie und Gesundheitswesen. Der Markt für fortschrittliche Optik ist ein 310 Mrd. $‑Markt, der bis 2032 voraussichtlich um 9,2 % CAGR wachsen wird.

Corning ist ein Glas‑ und Optikunternehmen, das seit 170 Jahren existiert. Im Laufe seiner Geschichte produzierte es die ersten Glühbirnen für Thomas Edisons elektrische Lampe, die erste verlustarme optische Faser, die Zell‑Substrate, die Katalysatoren ermöglichen, und das erste stoßfeste Deckglas für Mobilgeräte.

Quelle: Corning

Heute konzentriert sich das Unternehmen auf Kerntechnologien im Bereich Glas‑ und Keramikfertigung sowie optische Physik, die gemeinsame Fertigungsprozesse und Endmärkte teilen.

Quelle: Corning

Diese Verknüpfung von Technologien ermöglicht es dem Unternehmen, gemeinsame Fertigungs‑, Forschungs‑ und Engineering‑Fähigkeiten zwischen den verschiedenen Produktlinien zu teilen. Mit über 52.000 Mitarbeitern, mehr als 77 Produktionsstandorten weltweit und über 10 F&E‑Einrichtungen ist das Unternehmen ein großer Akteur in seiner Nische.

Quelle: Corning

Das Unternehmen profitiert vom Boom in KI und dem Bau von Rechenzentren (optische Fasern) sowie vom allgemeinen Verbrauch von Spezialglas in Bildschirmen und Biotechnologie.

Corning wird durch Zölle kaum beeinträchtigt, da 90 % der US‑Umsätze aus Produkten mit US‑Ursprung stammen. Nur ein sehr geringer Teil der in China getätigten Verkäufe stammt aus US‑Anlagen, wobei 80 % der chinesischen Verkäufe in China selbst erfolgen.

Zölle könnten sogar helfen, da Corning in den Solarmarkt einsteigt, mit der strategischen Kontrolle von Hemlock Solar, um in den USA hergestellte Paneele zu produzieren, während asiatische Solarpaneele (nicht nur chinesische) mit vierstelligen Zöllen belegt werden. 80 % der Kapazität wurde bereits durch Kundenverpflichtungen gesichert.

Solar macht für das Unternehmen viel Sinn, da Silizium ein Kernkompetenzbereich ist; das Unternehmen produziert seit 60 Jahren Polysilizium, einschließlich ultra‑reinem Silizium (99,9999999999 % rein) und startet nun die Produktion von Silizium‑Wafern, einem Produkt, das in den USA zu 100 % importiert wird.

Quelle: Corning

Das Unternehmen prüft zudem weitere fortschrittliche Technologien, bei denen seine Expertise in Glas und Keramik einen soliden Vorsprung bieten könnte, darunter biegsames Glas, AR, Kohlenstoffabscheidung usw.

Quelle: Corning

Insgesamt ist Corning ein hoch technisches Unternehmen mit lokaler Fertigung, das nicht von der Deglobalisierung betroffen sein sollte. Es erschließt zudem neue Märkte, die zu seinen Kernkompetenzen passen, insbesondere Solar‑ und optische Kommunikation / KI‑Infrastruktur. Das macht es sowohl zu einem relativ konservativen Unternehmen, das tiefer in seine Nische vordringt, als auch zu einer potenziellen Wachstums‑Aktie in Hochtechnologiemärkten.

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