Großwälzlager und Drehantriebe Diese Mechanik bringt die Weltraumforschung voran

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Die Vorbereitungen für das Very Large Array der nächsten Generation (NGVLA) in Nordamerika schreiten voran. Der nun präsentierte Antennen-Prototyp nutzt bemerkenswerte Antriebstechnik für die exakte Steuerung und Positionierung.

Mit den Antennen für die zukünftig größte Radioastronomie-Anlage der nördlichen Hemisphäre beginnt das neue Kapitel der Weltallforschung. „Die ultrasensiblen Bildgebungsfähigkeiten dieser bahnbrechenden Instrumente sollen uns einen beispiellosen Blick ins Weltall gewähren und dabei unterstützen, die Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln“, erklärt Lutz Stenvers, Geschäftsführer der Mtex Antenna Technology GmbH.

Den Prototyp der Antennen stellte Mtext Antenna Technology im September 2023 in ihrem Test- und Integrationszentrum in Schkeuditz (Deutschland) vor. Das Modell soll eines Tages Teil einer der größten und empfindlichsten Radioteleskop-Einrichtungen der Welt sein, des Next Generation Very Large Array (NGVLA). Die Organisation hinter dem NGVLA-Projekt ist das National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Das NRAO betreibt Radioteleskop-Einrichtungen. Obwohl es zu einer staatlichen Behörde der US-Regierung gehört, stellt es Forschenden die Teleskope unabhängig von deren Nationalität zur Verfügung. Schon seit 2015 arbeitet das NRAO auf den Bau des Next Generation Very Large Array hin.

Bei NRAO erwartet man, dass das NGVLA die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung anderer Radioteleskopeinrichtungen wie der Jansky-VLA und ALMA bei denselben Wellenlängen um mehr als eine Größenordnung übertrifft.

Die Antennen werden einen Durchmesser von je 18 Metern haben. Sofern alles nach Plan läuft, werden 244 Antennen dieser Größe sowie 19 Antennen mit sechs Meter Durchmesser bis Ende des Jahrzehnts in einem klar definierten Muster in ganz Nordamerika positioniert. Das Areal wird sich über etwa 1.000 Kilometer erstrecken. Die spezielle Anordnung der Antennen soll für einen optimalen Datenempfang aus dem Kosmos sorgen.

Welche Antriebstechnik nutzt die Antenne?

Entscheidend für den Betrieb einer NGVLA-Antenne sind die darin verbauten Komponenten wie das Großwälzlager, zwei Zahnkränze und die Azimutantriebe. Das Großwälzlager wird für die Azimutverstellung verwendet, um die Antenne genau zu positionieren. Der Durchmesser der Rollendrehverbindung beträgt 3,3 Meter. Dabei beläuft sich ihr Gewicht auf 4.128 Kilogramm, um für mehr Stabilität zu sorgen. Ihre Rundlaufgenauigkeit von 0,1 mm in axialer und 0,05 mm in radialer Richtung spielt eine entscheidende Rolle für die Präzision. Das Großwälzlager ist spielfrei konstruiert und eignet sich dadurch für die Azimutverstellung der Antenne.

Als Ergänzung zum Großwälzlager ist der Zahnkranz von großer Bedeutung für die Elevationsverstellung der Antenne. Die zwei Zahnkranzsegmente, die jeweils an den Seiten der horizontalen Antennendrehachse positioniert sind, sorgen für ihre exakte Elevationsverstellung.

Die Interaktion der Azimutantriebe mit dem Großwälzlager ermöglichen ein hohes Maß an Präzision, in welcher sich die Satellitensysteme um die Turmachse drehen. Der Schlüssel ist ein geringes Verdrehspiel und eine erhöhte Steifigkeit der Planetengetriebe. Diese Optimierungen stellen sicher, dass der Verstellmechanismus des Gesamtsystems mit maximaler Genauigkeit arbeitet und so langfristig eine exakte Positionierung gewährt.

Die Elevationsverstellung, die für die Neigung von Satellitenschüsseln zuständig ist, nutzt die gleichen Antriebe wie die Azimutverstellung, jedoch mit einem angepassten Übersetzungsverhältnis. Das Zusammenspiel der beiden Verstellsysteme ist für eine exakte Antennenausrichtung unabdingbar.

Wie stellt Liebherr die Präzision der Lager sicher?

Um die Präzision des Azimut-Lagers zu gewährleisten, unterzog Liebherr-Components das Lager dem sogenannten "Wobble-Test" (deutsch: Taumelprüfung/Wackeltest). Am Standort in Biberach (Deutschland) wurden dabei ausgewählte Positionen mehrmals angefahren, um die Genauigkeit im Betrieb zu messen.

Vor der Markteinführung testet der Hersteller die Prototypen auf Herz und Nieren. Zum Testprogramm gehörten auch Steifigkeitstests, um sicherzustellen, dass die Azimut- und Elevationsantriebe die höchsten Industriestandards nicht nur erfüllen, sondern übertreffen. Das über Jahrzehnte aufgebaute Fachwissen ist entscheidend für das Zusammenwirken von Großwälzlager, Zahnkranz und Drehantrieben als Komponenteneinheit.

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