© ESO/L. Calçada

FanGrid für das Extre­mely Large Telescope: Cooler Blick ins Weltall

Leben außer­halb unseres Sonnen­sys­tems. Die ersten Gala­xien. Die uner­forschte, dunkle Seite des Univer­sums. Bald könnten neue Erkennt­nisse über die Entste­hung von – allem – ans Licht kommen. Denn das Extre­mely Large Telescope schaut ab 2028 mit seinem 39 Meter großen Spiegel von Chile aus ins Weltall. Eine entschei­dende Rolle spielen dabei die Leit­stern-Laser­sys­teme, die von hoch­spe­zia­li­sierten RLT-Anlagen der Firma OCRAM CLIMA gekühlt werden. In den RLT-Anlagen befinden sich 28 FanGrid von ebm-papst.


Über 300 wolken­lose Nächte unter einem klaren Ster­nen­himmel pro Jahr, kalte, trockene Luft und keine Licht­quellen wie Städte im Umkreis von über 100 Kilo­me­tern. Cerro Arma­zones auf knapp 3.000 Metern Höhe ist der perfekte Standort für das Extre­mely Large Telescope (ELT). Die Vorteile, die die Atacama-Wüste mit sich bringt, bergen gleich­zeitig auch große Heraus­for­de­rungen. Der feine Wüsten­sand und -staub ist gefähr­lich für die Technik. Zwischen Tag und Nacht schwanken die Tempe­ra­turen teil­weise sehr stark. Und Chile ist eine der seis­misch aktivsten Regionen der Welt – das heißt, das ELT muss fest auf seinem manchmal wack­ligen Unter­grund stehen.

Schutz ist beim größten Tele­skop der Welt also das wich­tigste Stich­wort. Unzäh­lige Bauten und Systeme werden rund um die Uhr einen opti­malen Betrieb des geschätzt 1,45 Milli­arden Euro teuren Obser­va­to­riums sichern. Denn um so weit in die Ferne schauen zu können und dabei klare Bilder zu empfangen, sind die opti­schen Instru­mente extrem sensibel. Bereits kleinste Luft­ver­wir­be­lungen in der Kuppel des Tele­skops könnten die Messungen verfäl­schen. Als Schutz­maß­nahme wird daher zum Beispiel die Tempe­ratur im Inneren der Kuppel über Stunden hinweg an die Außen­tem­pe­ratur ange­passt, bevor sich die großen Kuppel­tore dann öffnen.

Das Extre­mely Large Telescope wird auf dem Berg Cerro Arma­zones gebaut. Betrei­berin ist die Euro­päi­sche Stern­warte ESO, die Fertig­stel­lung ist für 2028 geplant.

Das ELT verfügt über den größten opti­schen Spiegel der Welt, bestehend aus 789 Einzel­spiegeln. Die Leit­stern-Laser­sys­teme sorgen für scharfe Bilder.

RLT-Anlagen für die Leit­stern-Laser­sys­teme

Ist die Kuppel offen, beginnt ein spek­ta­ku­läres Schau­spiel: Bis zu acht soge­nannte Leit­stern-Laser­sys­teme schießen ihre Strahlen in den Nacht­himmel. Dort erzeugen sie künst­liche Leit­sterne, an denen das System der adap­tiven Optik atmo­sphä­ri­sche Turbu­lenzen misst und sich entspre­chend selbst korri­giert. Die Bilder des ELT werden so ganze 16 Mal schärfer sein als die des Hubble-Welt­rau­m­te­le­skop – obwohl das vom All aus ins All schaut. „Alles ist anders als sonst. Und es gibt keinen Spiel­raum für Fehler“, so fasst Marco Lopes, CEO von Ocram, das Projekt zusammen. Die portu­gie­si­sche Firma spezia­li­siert sich seit 25 Jahren auf maßge­schnei­derte raum­luft­tech­ni­sche Anlagen (RLT) für anspruchs­volle Kunden – wie das ELT in Chile.

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RLT-Anlagen kühlen die Laser­sys­teme

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FanGrid Einheiten von ebm-papst sind darin verbaut

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RadiPac EC-Venti­la­toren insge­samt

Unsichtbar hinter den Kulissen werden insge­samt 46 von Ocram konzi­pierte RLT-Anlagen den Laser­sys­temen konstant perfekt tempe­rierte, reine Luft zuführen und diese kühlen. Unsichtbar, aber kritisch: Selbst eine kleine Tempe­ra­tur­schwan­kung oder eine winzige Konta­mi­na­tion (wie ein Staub­par­tikel) könnte die Arbeit der Forschenden am ELT gefährden.

Die Anfor­de­rungen an die Lüftungs­an­lagen und ihre Bestand­teile, wie die Venti­la­toren, sind also sehr komplex und hoch. Zum einen ist da die Lage. Auch auf 3.000 Meter Höhe müssen die Anlagen zuver­lässig die passende Leis­tung und den nötigen Druck liefern. Erdbeben oder verstopfte Filter wegen des Wüsten­sands dürfen ihre Arbeit nicht beein­träch­tigen. „Und auch die Logistik ist eine Aufgabe für sich, schließ­lich liegt die Baustelle Hunderte Kilo­meter tief in der Wüste. Wir planen, 70 Container nach Chile zu verschiffen“, sagt Marco Lopes. Zum anderen ist da das ELT selbst. Die Anlagen arbeiten in einer sensi­blen Umge­bung mit unglaub­lich viel empfind­li­cher Elek­tronik und Sensorik. Deshalb dürfen sie auf keinen Fall Inter­fe­renzen verur­sa­chen.

Insge­samt 28 FanGrid werden in den von OCRAM an das ELT gelie­ferten, hoch­spe­zia­li­sierten RLT-Anlagen verbaut. (Foto | ebm-papst)
Alle RadiPac kommen stan­dard­mäßig mit Aktiv-PFC und auto­ma­ti­scher Reso­nan­zer­ken­nung. (Foto | ebm-papst)

Eine hoch­spe­zia­li­sierte Plug-&-Play-Lösung

Vali­die­rungen, Simu­la­tionen, seiten­weise Tabellen mit Berech­nungen, Stake­holder in unter­schied­li­chen Ländern: Die Konzep­tion der Highend-RLT-Anlagen ist bei einem so außer­ge­wöhn­li­chen Projekt hoch­kom­plex. Die zuerst ange­dachte Venti­la­tor­lö­sung auch. „Die Venti­la­toren hatten ein paar zusätz­liche Kompo­nenten. Die Konden­sa­toren sollten beispiels­weise außer­halb sitzen, was uns mehr Arbeit bei der Verka­be­lung verur­sacht hätte. Und jedes Einzel­teil, das in der Anlage dazu­kommt, bedeutet ein zusätz­li­ches Risiko und eine zusätz­liche Prüfung für uns“, erklärt Marco Lopes. „Wir wollten eine Lösung, die uns die Arbeit einfa­cher macht. Also haben wir bei ebm-papst in Portugal ange­klopft.“

Der Bau des ELT auf 3.000 Metern Höhe und in der Wüste bringt einige Heraus­for­de­rungen mit sich.

Ocram nennt die Bedin­gungen für den Auftrag: zum einen die genannten tech­ni­schen Heraus­for­de­rungen – erdbe­ben­si­cher, leis­tungs­fähig in Höhen­luft, abso­lute Zuver­läs­sig­keit – dazu feste Liefer­zeiten, und das Ganze möglichst ökono­misch. „Kein Projekt, wie man es jeden Tag ange­boten bekommt“, sagt Nuno Pires, Mana­ging Director ­ebm-papst Portugal. „Aber eines, bei dem wir unsere ganze Inge­nieurs­leis­tung ausspielen können. Deswegen haben wir die Heraus­for­de­rung ange­nommen.“

Als Erstes bildet sich ein kleines, flexi­bles ebm-papst Team mit Unter­stüt­zung aus Mulfingen. Die Aufgabe der Inge­nieure, Tech­niker und Mitar­bei­tenden der Produk­tion lautet, die Komple­xität der Anlage für Ocram zu lösen. „Statt unserem Kunden ein Legoset zum Selbst­zu­sam­men­bauen zu geben, bekommen sie schon ein fertiges Plug-&-Play-Produkt. Eine Lösung mit allen Kompo­nenten an Bord und ohne zusätz­li­chen Aufwand bei der Instal­la­tion“, sagt Nuno Pires.

Gemeinsam mit ebm-papst arbeiten wir an einem Projekt, das weit über den Planeten Erde hinaus­geht.

Marco Lopes, CEO OCRAM CLMA

Aktiv-PFC und auto­ma­ti­sche Reso­nan­zer­ken­nung

Dazu gehört zum Beispiel die Inte­gra­tion der bereits ange­spro­chenen Konden­sa­toren in den Venti­lator. Und zum Schutz der tech­ni­schen Instru­mente des ELT kommen alle Venti­la­toren stan­dard­mäßig mit Aktiv-PFC: „Die Grenz­werte bei den Strom­ober­wellen waren streng und lagen bei maximal zehn Prozent. Laut unseren Simu­la­tionen sind wir deut­lich darunter, bei maximal fünf.“ Um die Leis­tung und Betriebs­si­cher­heit der Anlage zu sichern, schlägt das Team ein FanGrid vor, bestehend aus jeweils sechs EC-Venti­la­toren. Sollte einer ausfallen, können die fünf übrigen nach wie vor die nötige Leis­tung bringen. „Außerdem haben wir sie mit weiteren Schutz­vor­rich­tungen gegen mögliche Reso­nanzen oder seis­mi­sche Akti­vi­täten ausge­stattet“, so Nuno Pires. Insge­samt wird es 28 solcher FanGrid-Einheiten geben. „ebm-papst hat den Job exzel­lent erfüllt. Wir sind von ursprüng­lich großen AC-Venti­la­toren zu mehreren kleinen EC-Venti­la­toren gewech­selt, so über­zeu­gend war die Lösung“, erzählt Marco Lopes. 

Inte­grierte aktive Gleich­rich­tung (PFC)

EC-Venti­la­toren haben aufgrund ihrer Schal­tungs­technik keine sinus­för­mige, sondern eine puls­för­mige Strom­auf­nahme. Diese Abwei­chung bedingt Strom­ober­schwin­gungen, welche zu einer soge­nannten Verzer­rungs­blind­leis­tung führen, die das Netz belastet. Wenn aufgrund der Anwen­dung bereits geringste Verzer­rungen proble­ma­tisch sind, müssen die Ober­schwin­gungs­an­teile im Strom also auf ein Minimum redu­ziert werden. ebm-papst hat deshalb als erster Venti­la­to­ren­her­steller eine drei­pha­sige Aktiv-PFC-Stufe in Form eines aktiven Gleich­rich­ters in ihre EC-Venti­la­toren inte­griert. Der puls­för­mige Aufnah­me­strom der EC-Motoren wird so ohne zusätz­li­chen Aufwand für den Nutzer in einen sinus­för­migen Aufnah­me­strom umge­wan­delt und mini­miert Netz­rück­wir­kungen.

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