Mapowanie gwiazd, galaktyk i czarnych dziur we Wszechświecie dzięki precyzji silników i systemów firmy FAULHABER

To zadanie ma kosmiczne proporcje: W ciągu najbliższych pięciu lat program SDSS V będzie obserwować cztery miliony gwiazd i 300 tysięcy czarnych dziur, analizować widma i budowę materii, rekonstruować historię powstawania kosmosu i weryfikować fizyczne modele narodzin galaktyki.

W ramach tego międzynarodowego projektu zostaną wykorzystane między innymi dwa duże teleskopy optyczne na półkuli północnej i południowej. Światłowody odbierają światło ciał niebieskich. Za niezwykle precyzyjne ustawienie każdego z włókien światłowodu odpowiada 500 małych robotów napędzanych silnikami FAULHABER.

SDSS to skrót od „Sloan Digital Sky Survey” (cyfrowy przegląd nieba im. Sloana) – kooperatywy astrofizyków z całego świata. W ciągu ostatniego roku zaprezentowali oni największą trójwymiarową mapę Wszechświata, co stanowi kamień milowy w badaniach astronomicznych. Mający do dyspozycji liczne teleskopy i inne przyrządy naukowe badacze stale pracują nad różnymi projektami.

Najnowszy z nich to SDSS V, którego celem jest umożliwienie kolejnego skoku jakościowego w zrozumieniu procesów fizycznych zachodzących w przestrzeni kosmicznej. Projekt umożliwi „pierwszą spektroskopową obserwację całego nieba w różnych astronomicznych wymiarach czasu w widmie optycznym i podczerwieni”. Łącznie zbadane ma zostać ponad sześć milionów obiektów.

Jak powstają planety
Jednym z celów tego przedsięwzięcia jest rekonstrukcja historii naszej macierzystej galaktyki – Drogi Mlecznej. Co więcej, naukowcy planują prześledzić powstawanie pierwiastków chemicznych, odkryć, co dzieje się we wnętrzu gwiazd, zbadać powstawanie planet i odpowiedzieć na wiele pytań dotyczących czarnych dziur, które jak dotąd pozostają bez odpowiedzi.

Kolejnym aspektem projektu będzie mapowanie międzygwiazdowych mas gazu w Drodze Mlecznej – z dokładnością tysiąc razy większą niż dotychczas – w celu opisania „samoregulujących się mechanizmów galaktycznych ekosystemów”. Dane związane z czarnymi dziurami i pomiarami Drogi Mlecznej mają być gromadzone przez dwa duże teleskopy: Apache Point w stanie Nowy Meksyk i Las Campanas w Chile.

„Dzięki podwójnej perspektywie z półkuli północnej i południowej możemy oglądać niebo we wszystkich kierunkach” – wyjaśnia Jean-Paul Kneib, profesor astrofizyki w Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii. „Również w poprzednich projektach SDSS wykorzystywaliśmy dwa teleskopy. Dzięki projektowi SDSS V dokonujemy teraz prawdziwego skoku kwantowego w zakresie efektywności obserwacji i ilości zgromadzonych danych”.

Wypatrywanie supernowych
Wewnątrz teleskopów znajdują są włókna optyczne nakierowane na określone obiekty we wszechświecie. Można prowadzić precyzyjne obserwacje poszczególnych gwiazd lub jasnych dysków akrecyjnych czarnych dziur. „Wcześniej musieliśmy zlecać wykonanie specjalnych płyt do każdego rodzaju obserwacji. Przygotowanie każdej płyty zajmowało kilka tygodni. Następnie włókna optyczne były mocowane do płyty ręcznie – bardzo złożony i czasochłonny proces” – wspomina Jean-Paul Kneib.

Dzięki nowej technologii opracowanej specjalnie dla SDSS V zmiana układu włókien zajmie nie więcej niż minutę zamiast kilku tygodni. Teraz położenie włókien optycznych w każdym z dwóch teleskopów jest regulowane przez 500 małych maszyn – nazywanych przez astronomów „robotami”. Pozwala to również naukowcom błyskawicznie reagować na nieprzewidziane zjawiska astronomiczne.

Jeśli na przykład inne teleskopy wykryją takie zdarzenie jak wybuch supernowej, jeden z elementów optycznych można na nie nakierować praktycznie natychmiast. Umożliwia to szczegółową analizę procesów fizykochemicznych w okresie rozwoju supernowej, która nie była wcześniej możliwa przy użyciu tego typu przyrządów.

Precyzja co do mikrometra
Każdy z małych robotów składa się z dwóch smukłych cylindrów ustawionych jeden za drugim z zakrzywionym przedłużeniem z przodu. Grubszy tylny cylinder jest przymocowany do płyty teleskopu. Tworzy jednostkę alfa i obraca centralną oś robota. Z przodu zamontowana jest mimośrodowo jednostka beta. Przesuwa końcówki włókien optycznych w zakrzywionym końcu po torze kołowym.

Dzięki połączeniu dwóch ruchów osiowych końcówki światłowodów mogą być dowolnie ustawiane w obrębie okręgu. Każdy okrąg objęty przez jednego robota częściowo pokrywa się z okręgami sąsiednich jednostek. Dzięki temu można automatycznie nakierować teleskop na każdy punkt na niebie znajdujący się w jego zasięgu.

Wewnątrz małego robota rozmieszczone są trzy światłowody. Jeden przeznaczony jest do światła w zakresie widzialnym, a drugi do widma w podczerwieni. Trzeci służy do kalibracji. Z jego pomocą końcówki światłowodów są ustawiane w odpowiedniej pozycji z dokładnością do kilku mikrometrów w trzech etapach: Podczas wstępnego strojenia oba silniki obracają się, aż włókno optyczne przeznaczone do obserwacji zostanie nakierowane na obiekt docelowy z dokładnością do około 50 mikrometrów. Kamera w teleskopie skierowana na przednie końce robota wykrywa teraz końcówkę włókna optycznego podlegającego kalibracji i mierzy jego położenie. Na kolejnych dwóch etapach pozycjonowania głowica robota jest przesuwana w odpowiednie położenie z dokładnością większą niż pięć mikrometrów.

Szybsze prowadzenie badań
„Ponieważ dzięki automatycznemu strojeniu oszczędzamy ogromną ilość czasu, możemy prowadzić obserwacje o wiele większej liczby obiektów i wykonać odpowiednio większą liczbę pomiarów” – wyjaśnia Jean-Paul Kneib. „Efekt ten ma jeszcze większe znaczenie dzięki wysokiej precyzji. Średnica włókien optycznych wynosi sto mikrometrów. To tyle samo, co średnica punktu świetlnego obserwowanego obiektu kosmicznego odbieranego przez teleskop. Im dokładniej te dwie małe powierzchnie są ze sobą wyrównane, tym większy strumień świetlny mamy do dyspozycji na użytek pomiarów i tym szybciej uzyskujemy prawidłowe wyniki”.

Warunki techniczne dla tej wyjątkowej dokładności zapewniają silniki i przekładnie firmy FAULHABER, a także mechanika opracowana specjalnie dla tego zastosowania przez MPS, spółkę zależną firmy FAULHABER. Obie osie robota są napędzane przez serwomotory bezszczotkowe DC 1218 ... Seria B w przypadku osi alfa i 0620 ... B w przypadku osi beta. Pierwsze dwie cyfry oznaczenia typu wskazują średnicę mikronapędów: dwanaście i sześć milimetrów. Ich siła napędowa przenoszona jest na mechanikę robota za pomocą odpowiednich przekładni planetarnych. Zastosowana tutaj konstrukcja robotów została opracowana i wykonana przez MPS. Zintegrowane enkodery przesyłają informacje o położeniu obrotowym silników do kontrolera.

Precyzja dzięki brakowi luzu
„Aby osiągnąć wymaganą precyzję, musieliśmy wyeliminować luz w systemie” – wyjaśnia Stefane Caseiro, który był odpowiedzialny za projekt komponentów w firmie MPS. Inżynierowie osiągnęli to między innymi dzięki zastąpieniu konwencjonalnego sprzęgła między wałami przekładni i osiami mechanicznymi robota połączeniami zaciskowymi oraz zamontowaniu sprężyny dociskowej zapewniającej brak luzu na przekładni. „Samo dobranie odpowiednich sprężyn trwało kilka miesięcy” – wspomina inżynier z firmy MPS.

Poszukiwanie odpowiedniego partnera do prac rozwojowych zajęło zespołowi profesora Kneiba mniej czasu. „Na całym świecie jest tylko kilka firm, które potrafią wyprodukować silniki miniaturowe o wymaganej jakości i trwałości” – mówi astrofizyk. „Firma FAULHABER oczywiście znalazła się na krótkiej liście producentów poproszonych o przedstawienie oferty. Z firmą MPS już współpracowaliśmy przy poprzednim projekcie. Fizyczna bliskość tych specjalistów jest kolejną zaletą – siedziba firmy MPS w Biel znajduje się zaledwie półtorej godziny drogi samochodem od uniwersytetu w Lozannie. Oprócz doskonałej jakości produktów i pozytywnie układającej się współpracy decydującym argumentem było to, że firma FAULHABER ze swoją spółką zależną MPS zapewniają dostawę całości zamówienia z jednego źródła”.

  Zapytaj o więcej informacji…