Erschienen am: 22.05.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 5 2017

Glasfaserleitungen für dynamische Anwendungen an einem Teleskop

Ständig in Bewegung

Auf dem Gebiet der Astrophysik sind Gammastrahlenausbrüche sehr kurzzeitige Ereignisse, die von der Erde aus mittels Teleskopen beobachtet werden. Diese Aufgabe hat auch das HESS (High Energy Stereoscopic System)-Teleskop in den Bergen Namibias. Glasfaserleitungen von Lapp sorgen dafür, dass die großen Datenmengen, die bei diesen Beobachtungen anfallen, sicher übertragen werden, damit die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse daraus ziehen können.


Das HESS-Teleskop

Das High Energy Stereoscopic System steht in der Nähe des Gamsbergs, einem 2347m hohen Tafelberg im Zentrum Namibias, der für seine klare Luft bekannt ist. Teile des Bergs gehören dem Max-Planck Institut für Kernphysik in Heidelberg, das auch das Hess-Teleskop betreibt. Die vier Teleskope, die in den Ecken eines Quadrats mit 120m Seitenlänge stehen, wurden 2004 eingeweiht, 2012 kam ein größeres Teleskop im Zentrum des Areals hinzu. Seine Kamera hat die Größe eines Garagentors, sie wiegt drei Tonnen und schwebt 36m über dem Spiegel in der Brennebene. Mit Hess beobachten die Astrophysiker Lichtblitze, so genanntes Tscherenkow-Licht. Es entsteht, wenn energiereiche Gammastrahlung von fernen Sternen auf die Erdatmosphäre trifft und hier für wenige Milliardstel Sekunden ein sehr schwaches blaues Licht erzeugt. Dieses Licht trifft wie der Kegel einer Taschenlampe auf den Erdboden, wo die fünf Teleskope mit großen Spiegeln zur Verstärkung und extrem empfindlichen Kameras ausschließlich nachts darauf warten. Die fünf Teleskope sind nötig, weil man aus den Laufzeitunterschieden beim Eintreffen des Lichts auf die Orientierung des Lichtkegels und daraus auf die Quelle der Gammastrahlen schließen kann. Die harte Röntgenstrahlung kann in einem sterbenden Stern, einer so genannten Supernova, entstehen, auch Pulsare, schnell rotierende Neutronensterne, verraten sich durch Gammastrahlung. Das Hess-Teleskop hat bereits Dutzende solche Objekte entdeckt und damit den Astrophysikern interessante Hinweise auf die Vorgänge im Universum geliefert.

Die Gammastrahlen werden dabei von verglühenden und rotierenden Sternen ausgesandt. Gammastrahlenausbrüche machen sich durch ein schwaches blaues Licht in der Atmosphäre bemerkbar, das sogenannte Tscherenkow-Licht. Wenn die Astrophysiker einen Gammastrahlenausbruch entdecken, richten sich ihre Teleskope schnell in Richtung der vermuteten Quelle am Nachthimmel. Die insgesamt fünf Teleskope - das große 28m-Teleskop im Zentrum der Anlage wiegt 600t - drehen sich dann mit einem Grad, was etwa einem Meter pro Sekunde entspricht, um die eigene Achse oder neigen den Spiegel auf und ab - was für die Datenübertragung spezielle, für bewegte Anwendungen ausgelegte Kabel erfordert. Das sehr trockene Klima bedeutet für Mensch und Material zudem hohe Belastungen. Damit dennoch alles reibungslos funktioniert, ist Albert Jahnke nahezu rund um die Uhr im Einsatz. Der Elektroingenieur lebt und arbeitet seit vielen Jahren in Namibia, seit 2006 als Consultant am HESS-Projekt, das vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg koordiniert wird. In den vergangenen Monaten war Jahnke mit dem Upgrade der alten Anlage beschäftigt - und dazu gehörte das Verlegen neuer Kabel, darunter auch hunderte Meter Glasfaserleitungen von der Stuttgarter Lapp-Gruppe.

Ein Kabel mit hoher Packungsdichte

Die Technik der vier 13m-Teleskope, die in den Ecken eines Quadrats mit 120m Seitenlänge stehen, ist inzwischen rund fünfzehn Jahre alt, das große 28m-Teleskop in der Mitte wurde erst 2012 errichtet. 15 Jahre sind angesichts der Fortschritte in der Kameratechnik und der Datenerfassung eine halbe Ewigkeit. 2015 begannen die Ingenieure, die alten Kameras zu ersetzen. Gleichzeitig sollten auch neue Glasfaserleitungen gelegt werden, um die ständig anwachsenden Datenmengen zu bewältigen. Bis dahin wurden sämtliche Kabel vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg beschafft und von Deutschland nach Namibia verschifft. Das Institut wollte diesen Aufwand reduzieren und suchte deshalb einen Kabellieferanten im Süden Afrikas. Dieser sollte Glasfaserkabel im Sortiment führen, die auf die schnellen Bewegungen der Teleskope ausgelegt sind. Eine weitere Anforderung an die Kabel: Wegen des begrenzten Platzes in der Energieführungskette sollten nicht mehrere einzelne Glasfaserkabel verlegt werden, sondern ein Kabel mit hoher Packungsdichte.

Projektbezogene Lösung

"Im Lapp-Katalog haben wir ein zwölffasriges Kabel gefunden, das war genau, was wir gesucht haben", sagt Jahnke. Der Haken: Die Mindestbestellmenge dieser ganz besonderen Hitronic-Leitung ist normalerweise 3.000m, für die Neuverkabelung wurden aber nur 380m benötigt. Jahnke nahm Kontakt zu Ecotech in Windhoek auf, das in Namibia Automatisierungsprojekte in der Prozessindustrie betreut und außerdem exklusiv im Land Lapp-Produkte vertreibt. Ecotech vermittelte den Kontakt zu Lapp Southern Africa und darüber zum Produktmanagement der Lapp Gruppe in Stuttgart, das eine Ausnahme machte und eine projektbezogene Sonderproduktion von 500m anstieß. 380m sind nun im Hess verlegt, der Rest ist Reserve. Über die Fasern - jede überträgt 10GB pro Sekunde - übermitteln die Kameras ihre Signale an einen Rechner im Kontrollzentrum, darunter sämtliche Bilddaten sowie die Triggersignale, die alle fünf Kameras zeitlich synchronisieren. Übermittelt werden Daten nur, wenn zwei oder mehr Teleskope gleichzeitig Tscherenkow-Licht aufnehmen, denn nur dann handelt es sich wahrscheinlich um einen Gammaimpuls von einem Stern. Nicht alle Fasern werden dabei genutzt. Normalerweise sind nur vier Fasern in Betrieb, in Ausnahmefällen können es auch mal sechs sein, die übrigen dienen als Reserve und werden automatisch zugeschaltet, wenn eine Faser ausfallen sollte. 'Sicher ist sicher', findet Jahnke, schließlich gebe es in den Bergen Namibias, mehrere Fahrtstunden von der Hauptstadt Windhoek entfernt, niemanden, der mal eben kurz ein neues Kabel verlegen könne. Die Hitronic-Leitung ist ausgelegt auf dynamische Anwendungen, kann also im Laufe des Betriebs ständig bewegt werden. Beim Einsatz in Schleppketten sind Geschwindigkeiten bis 10m/s möglich, die maximale Beschleunigung beträgt ungefähr die doppelte Erdbeschleunigung. Die Einzeladern sind inklusive Sekundärummantelung 0,9mm dick und besonders biegebeständig. Im Kabel sind die Fasern als Einzeladern ausgeführt, jede Faser verfügt also über Zugentlastungselemente aus Aramid und einen Mantel aus einem halogenfreien Kunststoff mit geringer Rauchdichte im Brandfall. Der Vorteil dieses Aufbaus: An jedes Einzelkabelelement kann direkt ein Stecker konfektioniert werden. Das Kabel enthält dann diese Einzeladern sowie ein Zentralelement, Füllstoffe und eine Armierung mit Aramidgarn. Der Außenmantel besteht aus PUR, er ist UV-beständig, halogenfrei, ölbeständig, metallfrei und hoch abriebfest. Dadurch ist das Kabel mechanisch sehr robust und gut geeignet für Anwendungen in der Industrie mit sich ständig wiederholenden Bewegungsabläufen, insbesondere in Schleppketten.

Zusätzliche Leitungen

Das zwölffasrige Kabel ist nicht das einzige Lapp-Produkt, das im Zuge des Upgrades eingebaut wurde. Eine vierfasrige Hitronic-Leitung übermittelt Daten zur Kalibrierung der Kameras mittels LED-Leuchten. Das geschieht jede zweite Nacht, um das Rauschen der Photomultiplier, die die schwachen Lichtsignale verstärken, möglichst gering zu halten. Neben der vier- und zwölffasrigen Ausführung hat Lapp noch Varianten mit zwei und acht Fasern im Programm, jeweils verfügbar mit den gängigen Fasertypen (Singlemode 9/125µm OS2, Multimode 62,5/125µm, Multimode 50/125µm OM2 bis OM4). Am Teleskop wird jede Kamera mit einem Ölflex Crane Kabel mit Strom versorgt. In der Anlage befinden sich noch einige ältere Hitronic-Leitungen mit 1GB/s, die fest verlegt sind, die also den Bewegungen der Teleskope nicht folgen müssen. Zu guter Letzt sind manche Leitungen geschützt in Silvyn Kabelschläuchen verlegt. "Wir sind sehr zufrieden mit den Produkten von Lapp", lobt Jahnke. Wie die Kabel Hitze und Trockenheit aushalten, zeige sich zwar erst in einigen Jahren. Doch der Ingenieur ist optimistisch: "An den alten Kameras hatten wir vereinzelt schon Lapp-Kabel im Einsatz und die haben bis heute bestens funktioniert." Ob der jüngste Umbau der letzte sei, will Jahnke nicht voraussagen. Offiziell endet das HESS-Projekt 2020, um Ressourcen frei zu machen für das neue European Extremely Large Telescope, das derzeit in Chile gebaut wird. Doch schon jetzt ist abzusehen, dass der Zeitplan nicht zu halten ist. Dann wird in der namibischen Wüste wohl weiter nach sterbenden Sternen gefahndet, irgendwann vielleicht sogar mit neuen Lapp-Leitungen.