Gleich drei Doktorprüfungen haben am 9. Juni 2016 am IRS / DSI stattgefunden: Prashant Kaswekar,
Enrico Pfüller, Manuel Wiedemann haben mit exzellenten Vorträgen und Prüfungen ihre Doktorandenzeit
erfolgreich abgeschlossen. Das Besondere: Auf ganz unterschiedliche Weise befassten sich alle drei
Arbeiten mit der Frage, wie die Bildstabilisierung des SOFIA Teleskops optimiert werden kann. Denn
während der Beobachtungen von SOFIA ist das Teleskop verschiedenen Störfaktoren wie etwa den
Flugzeugvibrationen, den Windlasten oder Temperaturschwankungen ausgesetzt. Um aber den Ansprüchen
der Wissenschaftler zu genügen, muss die Ausrichtegenauigkeit des Teleskops von 0,2 Bogensekunden
eingehalten werden. Das ist der Winkel unter dem eine 1-Cent-Münze in einer Entfernung von 16
Kilometern erscheint.
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- Die frischgebackenen Doktoren Enrico Pfüller, Prashant Kaswekar und Manuel Wiedemann nach
erfolgreicher Prüfung (Copyright: DSI).
Enrico Pfüller hat die schnelle Diagnostik Kamera (FDC - Fast Diagnostic Camera) von SOFIA
entwickelt. Diese CCD-Kamera wurde als eigenständiges System für spezielle Charakterisierungsflüge
an Stelle des Focal Plane Imagers eingebaut und erlaubte es u.a. die Ausrichtgenauigkeit und
Bildqualität der fliegenden Sternwarte optisch zu charakterisieren. Mit 400 Bildern pro Sekunde
detektiert die Kamera auch die kleinste Verschiebung eines Teststerns auf dem Kamerasensor, die ein
direktes Anzeichen für die störende Teleskopbewegung ist. So konnten die Wirksamkeit und das
Zusammenspiel verschiedener Regelungssysteme mit Hilfe der FDC diagnostiziert und optimiert werden.
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- Die
Fast Diagnistic Camera alias
Focal Plande Imager + am SOFIA Teleskop (Copyright: DSI).
Seit Anfang 2016 ist die FDC, mittlerweile als Focal Plane Imager+ (FPI+) durch die Arbeit
seines Kollegen Wiedemanns voll in das Teleskopsystem integriert, sogar als drittes deutsches
wissenschaftliches Instrument offiziell im Einsatz. Sie erlaubt es Astronomen parallel zu den
montierten Infrarotinstrumenten Beobachtungen im visuellen durchzuführen und kommt zum Beispiel bei
der Untersuchung von Exoplaneten-Transits, Kometen oder Bedeckungen durch sogenannte
transneptunische Objekte zum Einsatz. „Dass die FDC mal zum echten wissenschaftlichen Instrument
wird, mit dem wir zum Beispiel die Sternbedeckung durch Pluto im Juni 2015 beobachten konnten,
hätte ich mir nie träumen lassen“, strahlt Enrico Pfüller.
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Simulation der ersten Biege-Eigenschwingung des SOFIA Teleskops (Copyright: P. Kaswekar).
Prashant Kaswekar hat sich in seiner Arbeit mit den Ursachen der Störungen beschäftigt: Bei 800
Stundenkilometer und geöffneter Tür ist das Teleskop auch in 14 Kilometern Höhe erheblichen
Windlasten ausgesetzt. Diese versetzen das wie eine Hantel gelagerte Teleskop in verschiedene
Schwingungszustände mit betimmten Eigenfrequenzen. Um die verschiedenen Zustände und die
dazugehörigen Frequenzen verlässlich messen zu können, werden unterschiedliche Sensoren an ganz
bestimmten Stellen der Teleskopstruktur benötigt. Zusammen mit einem kinematischen Modell können
die Sensorwerte Auskunft darüber geben, welche Zustände einen besonders hohen Beitrag zur
Bildbewegung in der Fokalebene des Teleskops haben. Bevor verlässlich gemessen werden kann, muss
aber das Zusammenspiel zwischen den Sensorwerten und dem Modell – vor allem die systematischen
Fehler sowie Messungenauigkeiten - mit Hilfe von ausgiebigen Simulationen untersucht und verstanden
werden. „Ich simuliere nur“, gesteht Prashant Kaswekar schelmisch. „Aber SOFIA in Aktion in
Palmdale – wo das Flugzeug stationiert ist – zu sehen, hat mich maßgeblich für meine Arbeit
inspiriert.“
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- Manuel Wiedemann und Enrico Pfüller beim Testen der Leitkameras während eines
Beobachtungsfluges von SOFIA (Copyright: DSI).
Manuel Wiedmann dagegen hat sich konkret mit den unwirtlichen Bedingungen der Stratosphäre
auseinandersetzen müssen. Um die tatsächliche Lage des Teleskops im Raum zu bestimmen, werden unter
anderem drei verschiedene Hilfskameras eingesetzt. Der Focal Plane Imager (FPI) ist die eigentliche
Nachführkamera des Observatoriums. Sie hat mit 9 x 9 Bogenminuten das kleinste Gesichtsfeld, dafür
aber auch die größte Genauigkeit und sieht exakt den gleichen Himmelsausschnitt wie die
wissenschaftlichen Infrarotinstrumente. Der Fine Field Imager (FFI) dient mit einem größeren
Gesichtsfeld von 70 x 70 Bogenminuten als sekundäre Nachführkamera, falls es im Feld des FPI keinen
geeigneten Nachführstern geben sollte. Der „Wide Field Imager“ (WFI) hat ein noch größeres
Gesichtsfeld von 6 x 6 Grad und wird vor allem als Sucherkamera eingesetzt und erlaubt die� erste
Ausrichtung des SOFIA Teleskops auf den richtigen Himmelsausschnitt anhand bekannter
Sternkonstellationen. Um die Empfindlichkeit der ursprünglich vorhandenen Hilfskameras zu
verbessern, wollte Manuel Wiedemann eigentlich gemeinsam mit Industriepartnern ein speziell für die
SOFIA - Anforderungen zugeschnittenes Kamerasystem entwickeln, musste die Idee aber nach kurzer
Zeit verwerfen. Für die Nachführkamera, den FPI, war mit der von Enrico Pfüller entwickelten
schnellen Diagnosekamera bereits eine sehr gute Lösung vorgegeben: Die Empfindlichkeit der
FDC ist 100 Mal höher als die des ursprünglichen FPI und auch die Sensorgeometrie genügt den
Anforderungen an die Nachführkamera des SOFIA - Observatoriums. Wiedemann musste diese Kamera jetzt
„nur“ noch so in die existierenden Systeme der fliegenden Sternwarte einbinden, dass sie auch im
Beobachtungsbetrieb als verbesserter FPI+ eingesetzt werden kann. Für FFI und WFI war die Lösung
allerdings etwas schwieriger: Sie sind auf dem Frontring des SOFIA-Teleskops angebracht und somit
den unwirtlichen Bedingungen der Stratosphäre bei einer Fluggeschwindigkeit von 800
Stundenkilometern ausgesetzt. Manuel Wiedemann gelang es kommerziell verfügbare Kameras so für die
extremen Umweltbedingungen umzurüsten und zu qualifizieren, dass sie schließlich die geforderten
Anforderungen an die Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit erfüllen. „Der Weg war nicht
immer leicht“, räumt Manuel Wiedemann ein, „aber am Ende bin ich mit dem Ergebnis sehr zufrieden“.
In einem sind sich die drei frischgebackenen Doktoren einig: Gut, dass der Stress vorbei
ist.
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