Spiegeloptiken und Teleskopspiegel: Auskühlverhalten




1) Grundlagen zum Auskühlverhalten


Wird das Teleskop am Anfang der Nacht von der warmen Wohnung nach draußen gebracht oder nach einer langen Fahrt aus dem Auto auf der Beobachtungswiese aufgebaut, ist der Spiegel meist deutlich wärmer als die Umgebungstemperatur. Besonders im Winter können hierbei schnell Temperaturunterschiede von mehr als 20 Grad Kelvin (K) auftreten.

Je größer die Differenz zwischen Spiegel und Umgebungstemperatur ist, desto länger dauert es, bis man mit der Beobachtung des Himmels beginnen kann. Denn wenn der Spiegel wärmer als die Umgebung ist, bildet sich oberhalb des Spiegels eine Warmluftblase aus, die einen anderen Brechungsindex als die umgebende Luft hat. Fällt nun Sternlicht auf den Hauptspiegel, so muss es auch durch diese Warmluftblase hindurch. Da diese nicht statisch und unbeweglich über dem Spiegel liegt, sondern sich durch Wind oder Luftverwirbelungen immer wieder verformt, wird die Wellenfront dauernd gebrochen und verzerrt. Im Teleskop äußert sich das durch sehr unruhige, zitternde Bilder und aufgeblasene Sterne.

Erst wenn der Spiegel fast die Umgebungstemperatur angenommen hat, werden die Bilder deutlich ruhiger und schärfer - das Teleskop kann endlich seine volle Leistungsfähigkeit abrufen.

Doch nicht nur am Anfang der Beobachtungsnacht kommt dieser negative Effekt zum Tragen. Denn auch während der Nacht kühlt sich die Luft im Normalfall immer weiter ab, bis am frühen Morgen die tiefsten Temperaturen erreicht werden. Der Spiegel muss sich also auch während der Nacht immer an die sinkenden Temperaturen anpassen. Geschieht das nicht schnell genug, bildet sich über dem Spiegel wieder das unerwünschte Warmluftpolster aus und es treten abermals verwaschene Bilder auf.

Dieser Effekt der Warmluftblase über dem Hauptspiegel wird auch als „Teleskop- oder Spiegel- Seeing“ bezeichnet und hat nichts mit dem atmosphärischen Seeing zu tun, ist aber genauso so schädlich und setzt die Leistungsfähigkeit eines Teleskops deutlich herab.

2) Vorteil dünner Teleskopspiegel


Es natürlich einleuchtend, dass ein sehr dünner Spiegel sich wesentlich schneller an die Außentemperatur angleicht als ein deutlich dickerer Spiegel mit gleicher Öffnung. Hohe Vergrößerungen sind meist dann möglich, wenn die Differenz von Spiegeltemperatur und Umgebungstemperatur weniger als 2K (Grad Kelvin) beträgt.

Der Anschaulichtkeit wegen soll an dieser Stelle ein mit dem „Mirror Cooling Calculator“ simuliertes Diagramm vorgestellt werden, das exemplarisch das Auskühlverhalten von zwei unterschiedlich dicken Spiegeln mit einer Randdicke von 25mm bzw. 45mm gegenüberstellt. In diesem Diagramm ist das Auskühlverhalten zu Beginn der Nacht zu sehen. Beide Spiegel weisen am Anfang einen Temperaturunterschied von 10 Grad Kelvin (10K) zur Lufttemperatur auf. Zur Vereinfachung nimmt die Temperatur in dieser Simulation im Verlauf der Nacht nicht ab, sondern verharrt auf einem konstanten Wert.



Es ist deutlich zu erkennen, dass ein 16“ Spiegel aus „Borofloat33“ mit einer Randdicke von 25mm schon nach 40min höchste Vergrößerungen zulässt, während der 45mm dicke Spiegel aus „BK7“ erst nach 95 Minuten soweit ist und damit mehr als doppelt so lange zum Auskühlen benötigt. Man gewinnt im direkten Vergleich also fast eine Stunde an Beobachtungszeit hinzu. Aus genau diesem Grund sind sämtliche Teleskopspiegel von Spacewalk Telescopes sehr dünn - 25mm bei allen Spiegeln bis 455mm Durchmesser, 31mm bei Spiegelgrößen bis 550mm und 34mm bei 635mm Optikdurchmesser. Damit ist die Optik natürlich auch schwieriger zu fertigen und zu vermessen, aber der Mehraufwand lohnt sich.

Unter realen Bedingungen ist der oben beschriebene Effekt übrigens sogar noch ein wenig größer, denn die Luft kühlt sich ja insbesondere in den Abendstunden relativ zügig ab. Die Differenz von Temperatur Spiegel/Umgebungstemperatur wird in diesem Fall also weniger schnell kleiner als oben beschrieben. Während das für einen dünnen Spiegel keine große Hürde darstellt, ist ein dicke Spiegelrohling hier noch mehr im Nachteil.