Hochgenaue Filterpositionierung über HEIDENHAIN-Längenmessgeräte

Mit dem neuen DKIST-Sonnenteleskop auf Hawaii wollen Sonnenforscher einen noch genaueren Blick auf die Sonnenoberfläche werfen. Das Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik in Freiburg entwickelt dafür einen Visible Tunable Filter. Die Einstellung des Filters steuern Längenmessgeräte von HEIDENHAIN mit einer Genauigkeit von unter einem Nanometer.

Dass etwas auf der Sonnenoberfläche vor sich geht, können die Sonnenforscher heute schon beobachten. Aber die Ursachen können sie mit ihren aktuellen Möglichkeiten nicht erkennen. Diesen Blick soll ab 2019 das neue DKIST-Sonnenteleskop auf Hawaii ermöglichen. Mit vier Metern Spiegeldurchmesser wird es das größte Sonnenteleskop weltweit sein und damit einen besonders detailreichen Blick auf die Sonnenoberfläche ermöglichen.

Die optische Leistungsfähigkeit des DKIST-Teleskops ist die Voraussetzung dafür, dass an das Teleskop angebaute Instrumente den Wissenschaftlern aus aller Welt neue Einblicke in die Vorgänge auf der Sonne eröffnen werden. Eines davon entwickelt das Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik – kurz KIS – in Freiburg: den Visible Tunable Filter, kurz VTF. Der VTF wird es ermöglichen, genau definierte, sehr schmale Wellenlängenbänder des von der Sonnenoberfläche abgestrahlten Lichts zu untersuchen. Daraus können die Sonnenforscher unter anderem Informationen über Plasmatemperatur, Druckverhältnisse, Magnetfeldstärken und Plasmabewegungen auf der Sonnenoberfläche ablesen und Daten über die Veränderungen im Magnetfeld der Sonne gewinnen.

Der Aufbau des VTF ist prinzipiell sehr einfach. Das Sonnenlicht wird durch einen Luftspalt zwischen zwei beschichteten, teildurchlässigen Glasplatten hindurch geführt. Hierdurch kommt es zur Interferenz des mehrfach im Luftspalt reflektieren Lichts. Das führt zu einer Filterung der Wellenlängen, der herausgefilterte Spektralbereich ergibt sich aus der Breite des Luftspalts und damit aus dem Abstand der Glasplatten zueinander. Um eine Wellenlänge des Sonnenlichts auf wenige Pikometer genau auswählen zu können, müssen die beiden Platten nanometergenau und absolut parallel zueinander positioniert werden.

Mit dem VTF soll aber nicht nur konstant eine Wellenlänge untersucht werden. Interessant sind vielmehr die Veränderungen zwischen verschiedenen Wellenlängen. Entsprechend werden die Platten permanent in Nanometerschritten aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegt, im Laufe einer zweistündigen Messung sicherlich viele hundert Male. Dafür muss das Messsystem Messschritte von 20 pm haben. Außerdem dürfen die Messabweichungen über den Zeitraum einer Stunde insgesamt 100 pm nicht überschreiten. Das sind Dimensionen, die den Durchmessern von Atomen entsprechen.

Aktuell wird am Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik eine verkleinerte Variante des VTF getestet. Sechs HEIDENHAIN-Längenmessgeräte vom Typ LIP 382 mit Standardabtastkopf und kundenspezifischem Maßstab sitzen rund um die beiden Glasplatten. Jeweils drei ermitteln die Position der oberen und der unteren Platte. In den aktuellen Testreihen liegt die zuverlässig und dauerhaft erreichbare Genauigkeit des Aufbaus bei 0,17 nm pro Stunde. Ziel sind 0,1 nm pro Stunde. Auf dem Weg dorthin gehen das KIS und HEIDENHAIN Hand in Hand. Gemeinsam nähern sich Sonnenforscher und Messtechnikspezialisten dem Ziel Schritt für Schritt an, damit sie ab dem Jahr 2019 eine völlig neue, hochgenaue Sicht auf die Sonnenoberfläche haben.