Das Unternehmen beteiligt sich an der Forschung und Entwicklung im Rahmen des FAST-Projekts, des weltweit größten Einzelschüssel-Radioteleskops
Im Auftrag einer Forschungseinrichtung in Peking beteiligte sich FCTEL am FAST-Projekt, dem weltweit größten Radioteleskop mit Einzelschüssel. Dabei entwickelte das Unternehmen Geräte zur Umsetzung elektrischer Signale verschiedener Sensoren, etwa Multiturn-Absolutwertgeber und Drehgeber, für die optische Hochgeschwindigkeitsübertragung in elektromagnetisch abgeschirmte Räume. Damit wurde das seit Langem bestehende Problem der Signalverzerrung durch die Filterung vor dem Eintritt der elektrischen Sensorsignale in den elektromagnetisch abgeschirmten Raum gelöst. Zugleich wurde das Problem nicht übereinstimmender Taktverzögerungen auf der Seite der elektrischen Hochgeschwindigkeitssignale nach der optisch-elektrischen Umsetzung bei herkömmlichen optoelektronischen Übertragungslösungen angegangen.
FCTEL freut sich, dank langjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der optischen Übertragung einen bescheidenen Beitrag zu Chinas weltweit führenden Technologieprojekten leisten zu können.
Das weltweit größte Radioteleskop mit Einzelschüssel „FAST“ entschlüsselt (Illustration von Mysterious Earth)
(Bericht von Mysterious Earth) Laut Southern Metropolis Daily: „Ich warne euch: Antwortet nicht! Antwortet nicht! Antwortet nicht! In eurer Richtung liegen Dutzende Millionen Sterne. Wenn ihr antwortet, wird die Quelle der Übertragung geortet, euer Planetensystem angegriffen und eure Welt besetzt! Antwortet nicht! Antwortet nicht! Antwortet nicht!“ Dies ist eine Funkbotschaft einer außerirdischen Zivilisation, die im Science-Fiction-Roman „Die drei Sonnen“ unbeabsichtigt von der „Basis Rotes Ufer“ empfangen wird, in der die weibliche Hauptfigur stationiert ist.
Tatsächlich entsteht eine reale Version der „Basis Rotes Ufer“, die kosmische Radiowellen empfängt, im Becken „Da Wodang“ im Dorf Jinke, in der Gemeinde Kedu, Kreis Pingtang, Provinz Guizhou. Das Bauprojekt des weltweit größten Radioteleskops mit Einzelschüssel, des „Himmelsauges“ (FAST), ist inzwischen in die Endphase eingetreten. Nach seiner Fertigstellung wird dieses sphärische Radioteleskop mit einem Durchmesser von 500 Metern eine Empfangsfläche haben, die 30 Fußballfeldern entspricht.
Am 26. Dezember 2015 erläuterte Jiang Peng, stellvertretender Chefingenieur von FAST und stellvertretender Chefingenieur des Reflektorsystems, beim 2015. öffentlichen Wissenschaftsvortrag im Pekinger Planetarium, wie das „Himmelsauge“ gebaut wurde und die damit verbundenen technischen Herausforderungen während des Baus überwunden wurden. Berichten zufolge ist die Gesamtleistung des „Himmelsauges“ etwa 10-mal höher als die des amerikanischen Arecibo-Teleskops, das zu den 10 bedeutendsten Projekten der Menschheit im 20. Jahrhundert gezählt wurde. Das gesamte Projekt soll bis September 2016 abgeschlossen sein.
Nach der Ermittlung von mehr als 300 Senken fiel die Wahl schließlich auf „Da Wo Dang“ in Guizhou
Viele Menschen fragen sich vielleicht: Warum wurde das „Himmelsauge“ in der geologisch komplexen Provinz Guizhou errichtet? Laut Jiang Peng suchten Wissenschaftler mehr als zehn Jahre lang nach einer geeigneten „Augenhöhle“ für das „Himmelsauge“. Auf der Konferenz der Internationalen Union für Radiowissenschaft im Jahr 1993 schlugen Astronomen aus zehn Ländern, darunter China, eine Initiative zum Bau einer neuen Generation von „Riesenradioteleskopen“ vor, um bis zum frühen Universum zurückzublicken und viele schwierige Fragen der Astronomie zu beantworten.
Ende 1995 schlug das chinesische Förderkomitee für das „Große Radioteleskop“ das Konzept des „Karstprojekts“ vor, bei dem eine Karstsenke in Guizhou zum Bau eines sphärischen Reflektors genutzt werden sollte. Nach wiederholter Auswahl fanden die Beteiligten schließlich „Da Wo Dang“ in der Gemeinde Kedu im Kreis Pingtang – eine tiefe „Augenhöhle“, die für das riesige „Himmelsauge“ am besten geeignet war. Im Jahr 2007 wurde das Projekt offiziell genehmigt und der Standort bestätigt. Im März 2011 begann der Bau des FAST-Projekts in Guizhou.
Die Standortwahl dauerte so lange, weil das Projektteam fortlaufend prüfte, wie sich das Aushubvolumen des Projekts minimieren ließe. Mithilfe von Satellitenaufnahmen ermittelten die Ingenieure landesweit mehr als 300 Senken. Nach mehreren Auswahlrunden stellten sie fest, dass die Senke „Da Wodang“ im Südosten Guizhous groß und rund war und damit der Form von FAST am nächsten kam. Darüber hinaus trägt die dünn besiedelte und ruhige Umgebung dieser Senke dazu bei, elektromagnetische Störungen von FAST zu verringern. Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren fiel die Wahl der „Augenhöhle“ im Jahr 2007 schließlich auf „Da Wodang“.
Ein „Riesentopf“ mit 500 Metern Durchmesser in schwierigem Gelände
Ähnlich dem Funktionsprinzip einer gewöhnlichen Parabolantenne für den Satellitenempfang besteht FA ST aus zwei Hauptteilen: der Parabolfläche, die Signale reflektiert, und dem Speisesystem, das Signale empfängt. Die Parabolfläche, üblicherweise als „Schüssel“ bezeichnet, bündelt die reflektierten Signale in einem einzigen Punkt. Ihrer Form nach gleicht diese Parabolfläche einer riesigen „Schüssel“. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sie Signale von „Besuchern aus dem Weltraum“ auffängt.
In diesem Fall liegt die Baustelle in einer zerklüfteten Bergregion. Wie sich in einem derart komplexen Gelände ein „Riesentopf“ mit 500 Metern Durchmesser errichten ließe, bereitete den Fachleuten großes Kopfzerbrechen. Verschiedene Teams brachten Vorschläge und Lösungsansätze ein; unter anderem wurde eine Bauweise mit getrennten Elementen und dicht angeordneten starren Stützen darunter vorgeschlagen. Letztlich entschied man sich jedoch für die „Seilnetz“-Lösung.
Nach dem Konzept des „vorgespannten Seilnetzes“ kann FAST im Betrieb der Bewegung von Himmelskörpern folgen und Radioquellen verfolgen und abtasten. Zunächst steuern die Wissenschaftler sechs Stahlseile, um die Empfängerkabine über die Kugelkalottenfläche mit einem Durchmesser von 207 Metern in 140-180 Metern Höhe über dem Boden zu bewegen. Anschließend werden die 4,450 Reflektorplatten auf dem Netz mithilfe von 2,225 Aktuatoren, die am Seilnetz ziehen, so ausgerichtet, dass FAST fokussiert wird. Auf diese Weise kann sich FAST wie ein menschliches Auge frei drehen. Wenn die Reflektorplatten elektromagnetische Radiosignale empfangen, bündeln sie die kosmischen Signale auf die Empfängerkabine.
Die Montage der Reflektorplatten beruht vollständig auf den Höhenarbeiten des Bauteams.
Am 4. Februar des vergangenen Jahres wurden Fertigung und Montage des FAST-Seilnetzes abgeschlossen. Wer heute Gelegenheit hat, die Baustelle zu besuchen, kann ein riesiges „Fischernetz“ aus mehr als 6,000 Stahlseilen sehen. Jiang Peng erklärte jedoch, dass dieses große Netz zwar spektakulär aussehe, seine Herstellung aber keineswegs einfach gewesen sei.
Den Angaben zufolge hat das gesamte Seilnetz insgesamt 2,225 Knotenpunkte, und seine Montagespannweite ist außerordentlich groß. Das Ingenieurteam führt Höhenarbeiten durch, um die einzelnen Seilnetzelemente und Reflektorplatten anzuheben und nach präziser Positionsvermessung zu montieren. Dabei darf die Abweichung der Oberflächenform einen Effektivwert (RMS) von 5 mm nicht überschreiten. Um die Genauigkeit sicherzustellen, richteten die Fachleute eigens einen Raum mit konstanter Temperatur für die Herstellung der Spannseile ein.
Ein größeres Problem ist die Verformung der Stahlstützen infolge von Temperaturänderungen; eine Temperaturdifferenz von 50 °C bedeutet eine Veränderung um 300 Millimeter. Jiang Peng erläuterte, dass die Stahlstützen, welche die Reflektorflächenkonstruktion tragen, zur Anpassung an das unebene Gelände unterschiedlich hoch sind. Um ungleichmäßige Verformungen zu verhindern, werden an den Verbindungspunkten zwischen den Ringträgern und den Stahlstützen Gleitlager eingebaut. Dadurch können sich die tragenden Ringträger auf den Stützen frei ausdehnen und zusammenziehen und verformen sich gleichmäßiger.
Dies entspricht einem Verformungsausgleich mit einem maximalen Verformungsweg von bis zu 0.47 Metern. Auf diese Weise kann das mit seinem „Sehnerv“ verbundene „Himmelsauge“ seinen Fokus flexibel anpassen. Erwähnenswert ist, dass die maximale Apertur herkömmlicher, vollständig schwenkbarer Teleskope aufgrund von Verformungen durch Eigengewicht und Windlast im Allgemeinen nur 100 Meter beträgt. Das „Himmelsauge“ mit seiner Apertur von 500 Metern und seiner Seilnetzkonstruktion überschreitet die Grenze von 100 Metern mühelos. Es begründet damit nicht nur ein neues Modell für den Bau riesiger Radioteleskope, sondern wird nach der Inbetriebnahme auch eine 3.25-mal so hohe Empfindlichkeit aufweisen wie das weltweit größte Teleskop am Arecibo-Observatorium in den Vereinigten Staaten.
Nach seiner Fertigstellung wird das „Himmelsauge“ nach intelligentem außerirdischem Leben suchen.
Von seiner Konzeption bis heute erstreckt sich das inzwischen fast abgeschlossene Projekt „Himmelsauge“ über mehr als 20 Jahre. In welchen Bereichen wird es nach der Inbetriebnahme seine Fähigkeiten zeigen? Li Di, leitender Wissenschaftler der Abteilung für Radioastronomie an den Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte in einem Medieninterview, das Haupteinsatzgebiet des „Himmelsauges“ bleibe die Astronomie. Dazu gehörten die Erfassung ferner Signale und Materie im Universum, die Erforschung von Themen vom Ursprung des Universums bis zur Struktur der interstellaren Materie, die Suche nach schwachen Pulsaren und anderen schwachen Radioquellen sowie die effiziente Suche nach intelligentem außerirdischem Leben.
Zheng Xiaonian, geschäftsführender stellvertretender Leiter des FAST-Projekts und stellvertretender Direktor der Nationalen Astronomischen Observatorien, erklärte in einem Medieninterview, dass das fertiggestellte „Himmelsauge“ neutralen Wasserstoff im Universum kartieren, interstellare Moleküle nachweisen, Pulsare beobachten und nach interstellaren Kommunikationssignalen suchen können werde. Mithilfe dieses scharfsichtigen großen Auges ist die Menschheit bei der Suche nach außerirdischen Zivilisationen einen weiteren Schritt vorangekommen.
Anfang Dezember des vergangenen Jahres entdeckte Pierrick Martin, Astrophysiker am Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Toulouse, Frankreich, und am Institut für Astrophysik und Planetologie, mithilfe des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA den ersten Gammastrahlenpulsar in einer anderen Galaxie, 163,000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Damit wurde ein neuer Rekord für den hellsten bekannten Gammastrahlenpulsar aufgestellt.
Die Entdeckung extragalaktischer Pulsare gehört bereits zu den ursprünglichen Zielen von FAST. Nach Berechnungen der Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wird das Seilnetz des „Himmelsauges“ während einer Nutzungsdauer von 30 Jahren etwa mehr als eine Million Verformungen durchlaufen. Li Di ist von der künftigen Leistungsfähigkeit von FAST sehr überzeugt und erklärte: „Nach seiner Fertigstellung wird FAST in den nächsten 20 Jahren Weltklasseniveau halten.“
Sechs 100 Meter hohe Stütztürme
Durch die Steuerung von sechs Stahlseilen wird die Empfängerkabine auf der Kugelkalotte mit einem Durchmesser von 207 Metern in einer Höhe von 140–180 Metern über dem Boden bewegt.
Die Empfängerkabine wiegt etwa 30 Tonnen (einschließlich sternförmigem Rahmen, Stewart-Plattform, Kabinenabdeckung und weiterer Ausrüstung)
Durch Zug am Seilnetz mit 2,225 Aktuatoren werden die 4,450 Reflektorplatten auf dem Netz bewegt, um das „Himmelsauge“ zu fokussieren
Wie sich das „Himmelsauge“ vor Wind, Regen und Blitzschlag schützt
„Das ‚Himmelsauge‘ wird in einem ‚Tiankeng‘, einer Karstsenke in Guizhou, gebaut. Wie schützt sich eine derart gigantische Konstruktion vor Wind, Regen und Blitzschlag?“
Den Faktor Niederschlag berücksichtigten die Wissenschaftler bereits bei der Standortwahl. Jiang Peng erklärte, dass die passende Form nicht der einzige Grund für die Wahl Guizhous als Standort der „Augenhöhle“ sei. Der komplexere Teil folge erst danach: Während der Erkundung vor Ort müsse das Projektteam die Senke einer eingehenden geologischen Bewertung unterziehen.
„Die gesamte Senke hat mindestens 600 Öffnungen und ist praktisch ein riesiges Sieb.“ Das für Karstlandschaften typische, gut entwickelte unterirdische Flussnetz und die zahlreichen Höhlen sorgten für eine erfreuliche Überraschung: Sie verliehen dem „Himmelsauge“ eine natürliche Entwässerungsfunktion. Bei Regen versickert das Wasser rasch im Untergrund, sodass sich am Teleskopstandort kein Wasser ansammelt und die elektronischen Geräte nicht beschädigt werden.
Bis Dezember des vergangenen Jahres war die Montage der Reflektorplatten zu mehr als der Hälfte abgeschlossen, und die Grundform des „Himmelsauges“ begann sich abzuzeichnen: Ein riesiges Tal war mit einem halbkugelförmigen „Netz“ aus Stahlseilen ausgefüllt, das etwa zur Hälfte mit silbernen Reflektorplatten bedeckt war. Vor der Kulisse der ringsum grünen Berge wirkte es wie ein strahlender Spiegel.
Jiang Peng wies darauf hin, dass bei genauer Betrachtung zu erkennen sei, dass die scheinbar glatten aktiven Reflektorplatten aus Aluminiumlegierung tatsächlich mit unzähligen Löchern versehen sind. Diese dicht angeordneten kleinen Löcher sollen die Windlast verringern und dadurch die Auswirkungen von Windgeschwindigkeiten über 4-5 Metern pro Sekunde auf die Beobachtungsarbeit von „Tianyan“ mindern.
Gleichzeitig können die Löcher die Lichtdurchlässigkeit verbessern, sodass die Pflanzen auf der Antennenfläche wachsen können und Bodenerosion verhindert wird. „Boden- und Wasserschutz sind sehr wichtig; andernfalls verwandeln sich die tiefer gelegenen Bereiche bei Regen in Schlammteiche, sobald die Bodenerosion gravierend wird“, sagte Jiang Peng. Er merkte an, dass Begrünung zwar vorteilhaft sei, stark wuchernde Kletterpflanzen auf den Reflektorplatten jedoch ebenfalls die Beobachtungsarbeit beeinträchtigen könnten. Derzeit entfernt das Projektteam gemeinsam mit den Arbeitern regelmäßig übermäßig gewachsenes Unkraut.
Darüber hinaus bereiten die rauen örtlichen Klimabedingungen in Guizhou vielen Menschen Sorgen. Kann das „Himmelsauge“ extremen Regenfällen, Schnee, Hagel und Gewittern standhalten? Dazu erklärte Jiang Peng, dass beim „Himmelsauge“ entsprechende Vorkehrungen getroffen worden seien. Zum Schutz vor Blitzschlag werden beispielsweise sämtliche metallischen Anlagenteile gemeinsam geerdet, sodass Blitzströme rasch abgeleitet werden können. „Außerdem machen extreme Wetterbedingungen erfahrungsgemäß nur einen sehr kleinen Teil des Jahres aus, gewöhnlich etwa 10 Tage, sodass ihre Auswirkungen nicht allzu groß sein werden.“
Vergangenheit und Gegenwart der Radioteleskope
Die Entwicklung astronomischer Teleskope verlief von kleinen zu großen Aperturen und von kurzen zu langen Wellenlängen. Gegenwärtig konzentriert sie sich hauptsächlich auf zwei Richtungen: einerseits „ins All gehen“, andererseits „Land besetzen“. Aufgrund des Einflusses der Erdatmosphäre lassen sich die meisten kurzwelligen Ultraviolett- und Röntgenstrahlen nicht beobachten. Deshalb müssen Teleskope mithilfe der Raumfahrttechnik ins Weltall gebracht werden. Beispiele hierfür sind das Kepler-Teleskop und das Hubble-Weltraumteleskop. Der Ausdruck „Land besetzen“ bezeichnet bodengebundene Teleskope, etwa Chinas derzeit im Bau befindliches Radioteleskop FAST.
Als eine Art astronomischer Teleskope steht die Entwicklung der Radioteleskope auch für den Fortschritt der Menschheit bei der Erforschung des Universums. Erst als 1873 Maxwells Werk „A Treatise on Electricity and Magnetism“ erschien, das die Theorie elektromagnetischer Felder systematisch und umfassend darlegte, wurde den Menschen schlagartig klar: Auch Licht ist eine elektromagnetische Welle, und im breiten Spektrum elektromagnetischer Wellen nimmt sichtbares Licht nur einen sehr kleinen Teil ein.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler bei der Messung der Höhe der irdischen Ionosphäre, dass elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen unter 60 Metern beim Durchgang durch die Ionosphäre fast vollständig nicht zurückkehren. Dieses Phänomen regte die Fantasie der Forscher an: Wenn elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen unter 60 Metern von der Erde ungehindert ins All gelangen können, müssten umgekehrt ähnliche elektromagnetische Wellen aus dem All möglicherweise ebenfalls die Atmosphäre durchdringen und die Erde erreichen können.
Damit begann die Beobachtung kosmischer Radiowellen durch den Menschen. Im Jahr 1931 empfingen die Bell Laboratories in den Vereinigten Staaten mithilfe einer Antennenanordnung Radiowellen aus dem Zentrum der Milchstraße. Damit war die Radioastronomie offiziell geboren. In den folgenden Jahrzehnten wurden nacheinander Pulsare, Quasare, die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung und interstellare organische Moleküle entdeckt.
In den mehr als 80 Jahren seit ihrer Entstehung haben sich auch die Radioteleskope selbst rasant entwickelt. Im Jahr 1955 errichtete das Vereinigte Königreich am Jodrell-Bank-Observatorium in Manchester das schwenkbare Lovell-Radioteleskop mit einem Durchmesser von 76 Metern. Im Jahr 1972 wurde das damals weltweit größte vollständig schwenkbare Radioteleskop, das Bonner Teleskop in Deutschland, fertiggestellt. Seine Parabolantenne erreichte einen Durchmesser von 100 Metern.
Im Jahr 1963 wurde auf der Insel Puerto Rico in Mittelamerika das Arecibo-Radioteleskop fertiggestellt, zunächst mit einem Durchmesser von 305 Metern, der später auf 350 Meter erweitert wurde. Das in die Jahre gekommene Arecibo ist nach wie vor das größte jemals gebaute Radioteleskop mit Einzelschüssel der Welt.
Im Jahr 1974 sendete das Arecibo-Teleskop zur Feier des Abschlusses seiner Modernisierung ein aus 1,679 Binärziffern bestehendes Signal an den Kugelsternhaufen M13, der 25,000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Dieses Signal ist als Arecibo-Botschaft bekannt. Am unteren Rand des Musters befand sich außerdem ein Symbol des „Solarkochers“, das zeigte, wie Menschen Funksignale empfangen und senden.
Neben Chinas laufendem FAST-Projekt „Himmelsauge“ soll derzeit auch das SKA-Projekt, mit vollständigem Namen „Square Kilometre Array Radio Telescope“, in zwei Jahren beginnen. Dai Shi, ein junger Astronom, der sein Studium an der Abteilung für Astronomie der Universität Peking abgeschlossen hat und nun am Institut für Astronomie und Weltraumwissenschaften (CASS) der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization als Postdoktorand forscht, ist Mitglied des SKA-Projekts.
Seinen Angaben zufolge wird SKA aus Tausenden kleinerer Antennen in Australien und Südafrika bestehen, voraussichtlich um 2030 in Betrieb gehen und vermutlich das größte Teleskop der Menschheitsgeschichte werden.
