Polohovací systémy pro výzkum vesmíru

Polohovací systémy, které slouží k pohybu zrcadlových prvků nebo subreflektorů, jsou zásadními faktory pro činnost velkých teleskopů, sond a celkově pro úspěšné fungování kosmických experimentů. Kromě přesnosti a dynamiky je zásadním požadavkem také funkčnost komponent a subsystémů v extrémních podmínkách prostředí a schopnost odolat vysokým zrychlením při startu rakety.

Máte zájem o tuto aplikaci? Potřebujete radu?

Kontaktujte nás

Na základě svých dlouholetých zkušeností nabízí společnost Physik Instrumente rozsáhlé know-how a kompetenci ve vývoji a výrobě vhodných řešení, proto se stala spoluúčastníkem na několika významných vesmírných projektech.

PICMA piezoaktuátory pomáhají při výzkumu Rudé planety

Aby bylo možné analyzovat vzorky hornin na Marsu, musí se horninový prach nejprve roztřídit. Za tímto účelem se prášek protřepává při různých amplitudách a frekvencích v rozsahu od 0.9 do 2.2 kHz, čímž se dosáhne homogenní velikosti částic nebo separace podle hustoty.

Pro tento úkol se kvalifikovaly vícevrstvé piezoelektrické aktuátory PICMA®, které jsou nyní součástí jednoho z nástrojů sondy Curiosity Mars Rover s názvem CheMin, určeného pro chemické a mineralogické analýzy na horninách Marsu.

PICMA piezo aktuátory provádějí oscilace požadované při výběru materiálu a dodávají je při definované frekvenci. Díky své celokeramické izolaci jsou ideální pro použití ve vesmírných podmínkách při teplotě blízké absolutní nule a s extrémně nízkým okolním tlakem. Jsou vyrobeny bez syntetických materiálů, které by v takovém prostředí mohly značně zhoršit jejich spolehlivost – díky tomu mohou patentované vícevrstvé piezoelektrické aktuátory pracovat přesně a opakovaně po velmi dlouhou dobu.

Před použitím piezoelektrických aktuátorů v nástroji CheMin byla nutná rozsáhlá kvalifikace a testování. Testována byla zejména jejich životnost - teprve poté, co bylo provedeno 100 miliard (10¹¹) cyklů bez snížení výkonu a selhání bylo považováno za téměř nemožné, byly aktuátory schváleny pro použití v misi na Mars. Žádné srovnatelné aktuátory nebyly schopny splnit požadavky – proto NASA zvolila řadu PICMA® od firmy Physik Instrumente.

Aktuátory PICMA k dnešnímu dni pomáhají s výzkumem okolních podmínek Rudé planety!

Zdroj: https://www.physikinstrumente.com/en/expertise/markets/large-scale-scientific-projects/astronomy/discovering-mars-surface-conditions/

ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array)

Jedná se o soustavu 66 obřích radioteleskopů, které fungují jako síť a pracují na písečné planině Chajnantor v severní Chile (5000 m.n.m.). Radioteleskopy ALMY jsou schopné pozorovat velmi chladné vesmírné objekty, které září v milimetrové a submilimetrové oblasti vlnových délek (např. mračna plynu a prachu přispívajících ke vzniku nových hvězd) a významně přispěly k vytvoření prvního snímku černé díry pořízeného v roce 2019 v rámci celosvětového projektu Event Horizon Telescope (EHT).

Jednotlivé antény mají průměr až 12 metrů, váží přibližně 100 tun a flexibilně se pohybují po písečné planině až do vzdálenosti 16 km. Velká zrcadla jednotlivých antén shromažďují vesmírné rádiové vlny a zaostřují je na subreflektor. Signály dosáhnou detektoru uvnitř antény pouze tehdy, když je anténa přesně zarovnána na pouhé zlomky milimetru. Extrémní podmínky prostředí v nadmořské výšce přes 5000 metrů, jako je silný vítr, vysoké teplotní rozdíly mezi dnem a nocí, extrémní sucho, gravitace a zemská rotace - to vše jsou faktory, které ovlivňují funkci radioteleskopů. Proto musí být subreflektory neustále velice přesně zarovnávány.

Vývojáři ALMA se pro tento účel spoléhali na speciální polohovací systémy od Physik Instrumente - HEXAPODY. PI v tomto projektu využívá svých technologických znalostí a dlouhodobých zkušeností s technologií mikro- a nanopolohování.

Hexapodové systémy se šesti stupni volnosti v pohybu jsou instalovány za subreflektory a umožňují 6-D polohování s rozlišením v submikrometrovém rozsahu. Paralelní kinematická struktura hexapodového systému je podstatně kompaktnější a tužší než sériově poskládané víceosé systémy a vede k velmi vysoké rezonanční frekvenci. Protože je v případě hexapodu ovládána pouze jedna platforma, pohybující se hmota je výrazně menší. Výsledkem je zlepšená dynamika s výrazně rychlejší odezvou.

Pro hexapody použité v anténách ALMA vyvinula a vyrobila společnost PI vysoce tuhé a robustní klouby, vhodné pro provoz i v extrémních okolních podmínkách. Tyto hexapody tedy mohou nastavit polohu subreflektorů v rozsahu několika milimetrů s přesností v rozsahu mikrometrů.

ALMA je v současné době největší astronomický projekt na světe!

Zdroj: https://www.physikinstrumente.com/en/expertise/markets/large-scale-scientific-projects/astronomy/alma-array/

Evropský-extrémně velký dalekohled (E-ELT)

Evropský-extrémně velký dalekohled, zkráceně E-ELT, je vysoce výkonný pozemní dalekohled provozovaný Evropskou jižní observatoří (ESO), který by měl být v roce 2024 uveden do provozu na vrcholu hory Cerro Armazones (oblast Antofagasta, Chile) v nadmořské výšce 3046 metrů.

Tento obří dalekohled má segmentovaný hlavní reflektor o průměru 39 m, plochu sběru světla téměř 1 000 m² a je největším dalekohledem pro vědecké hodnocení elektromagnetického záření ve viditelném a blízkém infračerveném rozsahu vlnových délek.

Jedním z nejdůležitějších úkolů dalekohledu bude pomoci nám zjistit více o exoplanetách, tedy planetách, které existují mimo sluneční soustavu.

Hlavní reflektor bude tvořen 798 zrcadlovými prvky, každý o průměru 1.4 metru, tloušťce 50 mm a hmotnosti 250 kg. Dohromady tyto segmenty shromáždí o několik desítek milionů světla více, než je schopno lidské oko, a přenesou toto světlo do vědeckých přístrojů pomocí další optiky. Aby se kompenzovala odchylka od optimální dráhy paprsku, a tím se zabránilo chybám zobrazení, musí být zrcadlové prvky navzájem přesně zarovnány. Odchylka od optimální dráhy paprsku může být důsledkem např. deformace tubusu dalekohledu vlivem gravitace, tepelných účinků nebo tlaku větru.

Jednotlivé segmenty budou připojeny k hlavní konstrukci dalekohledu pomocí podpůrného systému, jehož základními součástmi jsou polohovací aktuátory (PACT), které budou „zakřivovat“ reflektor v závislosti na stavu ovzduší 1000krát za sekundu a korigovat deformace způsobené neklidem atmosféry. Každý segment bude namontován na třech aktuátorech, které budou řídit jeho polohu ve třech směrech (piston, tip, tilt).

Evropská jižní laboratoř (ESO) podepsala smlouvu se společností Physik Instrumente na konstrukci 2394 polohovacích aktuátorů (PACT), které upraví polohy 798 šestiúhelníkových zrcadlových segmentů hlavního reflektoru extrémně velkého dalekohledu (ELT), který se tak stane největším okem lidstva schopným soustředit 217x více světla, než Hubbleův teleskop.

Zdroj:

https://www.physikinstrumente.com/en/expertise/markets/large-scale-scientific-projects/astronomy/drive-technology-for-the-elt/

https://www.eso.org/public/announcements/ann17037/?lang