Ein Radioteleskop im Eigenbau Teach article

Übersetzt von Alois Regl. Astronomen verwenden riesige Radioteleskope, um schwarze Löcher und weit entfernte Galaxien zu beobachten. Warum bauen Sie sich nicht Ihr eigenes Radioteleskop im Kleinformat und beobachten damit Objekte, die uns ein wenig näher liegen?

Die Beobachtung von
Radiostrahlung – eine der
riesigen Antennen von
ALMA, dem größten
erdgebundenen Astronomie
-Projekt

Mit freundlicher Genehmigung
von Iztok Bončina / ALMA (ESO
/ NAOJ / NRAO)

Wenn Astronomen den Himmel studieren, schauen sie nicht nur auf das sichtbare Licht der Sterne. Nebel, Planeten und Sterne emittieren im gesamten elektromagnetischen Spektrum, und das Licht, das das menschliche Auge wahrnimmt, ist nur ein kleiner Ausschnitt davon.

Radioteleskope scannen den Himmel nach Strahlung mit einer Wellenlänge, die tausende bis millionen Male länger ist als die des sichtbaren Lichts. Die riesigen Antennen, die Wissenschaftler gebaut haben, um diese Wellenlängen zu beobachten, sind zu Ikonen der modernen Technologie geworden. Das Arecibo Observatorium ist so groß, dass es in ein schüsselförmiges Tal in Puerto Rico gebaut wurde. Man kennt es aus dem James Bond Film GoldenEye. Jodrell Bank hat ein halbes Jahrhundert lang die Skyline von Manchester, UK, dominiert.

Die Auflösung eines Teleskops hängt sowohl von der Wellenlänge, in der es arbeitet, als auch vom Durchmesser seiner Antenne ab. Je größer die Wellenlänge, desto schlechter die Auflösung; und je größer der Durchmesser, desto besser die Auflösung. Radiowellen haben eine viel größere Wellenlänge als sichtbares Licht. Das ist einer der Gründe, warum professionelle Radioteleskope so riesig sind. Ihre gewaltigen Ausmaße helfen auch dabei, Radiostrahlung von entfernten und schwach strahlenden Objekten einzufangen. Trotzdem ist das Prinzip von Radioteleskopen ziemlich simpel, und mit etwas billigem Material und einfachen Werkzeugen ist es relativ leicht, ein einfaches aber funktionierendes Teleskop selbst zu bauen.

Ich nannte mein Radioteleskop RYSIA (ein Mädchenname) oder RadiowyY Śliczny Instrument Astronomiczny – auf deutsch ‚schönes Astronomiegerät‘. Mit RYSIA kann man einfache Beobachtung an Objekten durchführen, die im Radiospektrum stark strahlen. Dazu gehört die Sonne, unser eigener Planet sowie TV-Satelliten wie HotBird und Astra, und der Stern Sirius.

Material

Abbildung 1: Entfernen Sie
die Montierung (A) von der
Rückseite der
Satellitenschüssel

Mit freundlicher Genehmigung
von Boguslaw Malański

Schrottplätze, Shops mit gebrauchtem TV Zubehör und Online Auktionen wie eBay sind gute Quellen für die Teile, die man braucht.

  • Eine Satellitenschüssel

    Beim Fernsehen fokussiert die Satellitenschüssel die vom Satelliten ausgestrahlten Signale auf den Empfänger. In deinem Radioteleskop erfüllt die Schüssel denselben Zweck: es wird die relativ schwachen Radiowellen auf den Empfänger reflektieren. Ich empfehle eine Schüssel mit mindestens einem Meter Durchmesser. Sie kann eine parabolische oder Offset-Schüssel sein. Eine neue kostet rund 100 zł (€24). Eine gebrauchte sollte nicht mehr als 12-20 zł (€3-5) kosten. Sie können es aber auch mir gleichtun und eine auf dem Schrottplatz aufstöbern.

    Wenn die Satellitenschüssel eine Montierung hat, entfernen Sie sie (Abbildung 1). Sie ist nur unnützes Gewicht und macht die Schüssel unhandlicher. Der Verkäufer im Geschäft oder auf dem Schrottplatz wird Ihnen die Arbeit sicher gerne abnehmen. Lassen Sie aber den Arm dran.
     

  • Ein LNB (Empfangsteil der Satellitenschüssel, englisch low noise block downconverter)

    LNBs sind ein wichtiger Teil der Satelliten TV Empfänger. Sie sitzen genau auf dem Punkt, auf den die Schüssel die eintreffenden Wellen fokussiert. Wenn wir TV schauen, empfängt und verstärkt der LNB die Signale, entfernt nicht benötigte Fequenzen und konvertiert das Signal auf eine niedrigere Frequenz. In Ihrem Radioteleskop wird der LNB ebenfalls der Empfänger sein, der die von der Schüssel reflektierten Signale empfängt. Jede beliebige Marke wird funktionieren, auch die billigsten. Ein neuer LNB kostet ungefähr 40 zł (€10), aber man erhält sie gebraucht um einen Bruchteil davon.
     

  • Satelliten Signalstärkemessgerät
    Abbildung 2: Ein Satelliten
    Signalstärkemessgerät

    Mit freundlicher Genehmigung
    von Szymon Malański

    Dieses Gerät sagt uns, ob der LNB ein Signal empfängt und wie stark es ist. Stellen Sie sicher, dass Sie eines bekommen, das bei starkem Signal einen Ton von sich gibt; das macht es leichter, das Gerät einer größeren Gruppe von Studenten zu demonstrieren, weil jeder den Ton hören kann. Darüber hinaus muss das Messgerät über eine Skala oder ein Display verfügen, damit man die Stärke des Signals messen kann. Damit werden Messungen genauer und verschiedene Beobachtungen lassen sich miteinander vergleichen. Abgesehen von diesen Randbedingungen, kaufen Sie sich das einfachste und billigste Gerät, das Sie finden können – es wird ungefähr 20 zł (€5) kosten.
     

  • 3 m Koaxialkabel – 5-10 zł (€1-2)
     
  • 3 BNC (Bayonet Neill-Concelman) Stecker für das Koaxialkabel – jedes für 60-120 gr (15-30 ¢). Wenn möglich, nehmen Sie ‚twist-off‘ Buchsen, weil man hier nicht löten muss
     
  • Eine Stromversorgung, die 12 bis 18 V Gleichstrom liefert.
    Abbildung 3: Eine
    Stromquelle für Ihr
    Radioteleskop

    Mit freundlicher Genehmigung
    von Szymon Malański

    Ich habe eine 12 V Autobatterie verwendet (Abbildung 3). Man kann auch Standard AA Batterien in Serie schalten.

Der Bau Ihres Radioteleskops

Sobald man alles Material hat, ist es nur noch eine Frage des Zusammenbauens oder Zusammensteckens.

  1. Montieren Sie den LNB mit Hilfe der mitgelieferten Befestigungen auf den Antennenarm (Abbildung 4).
  1. Trennen Sie das Koaxialkabel in zwei Hälften. Befestigen Sie die BNC Stecker auf drei der vier Enden (Abbildung 5).
  2. Nehmen Sie das Koaxialkabel mit den zwei BNC Steckern und stecken Sie das eine Ende in den LNB und das andere in die mit ‘LNB’ oder ‘Satellit’ beschriftete Buchse des Signalstärkemessgeräts (Abbildung 6).
Abbildung 6: Verbinden des
LNB mit dem
Signalstärkemessgerät

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański
Abbildung 5: Befestigung der
BNC Stecker am Koaxialkabel

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański
Abbildung 4: Anbringen
des LNB an den
Antennenarm

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański
  1. Nehmen Sie das Koaxialkabel mit dem einzelnen BNC Stecker und entfernen Sie die Isolierung vom anderen Ende des Kabels, sodass der metallene Kern und die geflochtene Kupferabschirmung frei liegt (Abbildung 7).
  2. Stecken Sie den BNC auf diesem Koaxialkabel in die zweite Buchse des Signalstärkemessgeräts (mit ‘Power’ oder ‘Receiver’ bezeichnet; Abbildung 8).
  3. Das andere Ende des Kabels muss nun mit Ihrer Stromversorgung verbunden werden. Verbinden Sie die geflochtene Kupfer-Abschirmung mit dem Minuspol der Batterie und den Kabelkern mit dem Pluspol (Abbildung 9).
Abbildung 7: Man sieht die
geflochtene Abschirmung,
wie sie entlang des Kabels
zurückgefaltet ist. Der
metallene Kern ragt aus
dem Kabel heraus

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański
Abbildung 9: Verbinden mit
der Stromquelle

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański
Abbildung 8: Stromversorgung
des Signalstärkemessgeräts
und Empfang des
Signals vom LNB

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański

Ihr einfaches, mobiles Radioteleskop ist jetzt fertig. Es ist leicht und transportabel genug, um es händisch zu transportieren und auf verschiedene Objekte auszurichten.

Verbindungen an Ihrem
Radioteleskop. A: der LNB,
auf den die Radiowellen
fokussiert werden; B: das
Signalstärkemessgerät;
C: die Stromversorgung

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański

Wenn man das Gerät montieren will, muss man es so befestigen, dass man sowohl den Azimuth (horizontale Richtung) als auch die Altitude (wie hoch oder niedrig es ausgerichtet ist) verstellen kann. Ein schweres Stativ ist dafür gut geeignet.

Was können Sie mit Ihrem Radioteleskop anfangen?

Sie haben nun ein Radioteleskop, das auf einigen der Prinzipien beruht wie die gigantischen Radioteleskope, die für die Erforschung der Frühzeit des Universums benutzt werden, indem sie Strahlung von sehr weit entfernten Galaxien einfangen (siehe Mignone & Pierce-Price, 2010). Obwohl Ihr viel kleineres Teleskop keine weit entfernten Sterne detektieren kann, können Sie es dazu benutzen, um Ihren Studenten zu demonstrieren, dass die Sonne und andere Objekte nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Radiowellen abstrahlen. Darüber hinaus können Sie damit die Position der Sonne an einem bewölkten Tag finden, Sie können demonstrieren, dass die Oberfläche der Erde Radiowellen abstrahlt, und Sie können Satelliten damit lokalisieren.

Wenn man eine Parabolantenne für den Bau des Radioteleskops benutzt hat, muss man ihre Achse direkt auf das zu beobachtende Objekt richten. Bei einer Offset Antenne muss jedoch der Offset Winkel berücksichtigt werden. Die meisten Hersteller geben diesen Winkel nicht an, aber er kann leicht berechnet werden (das könnte eine Zusatzaufgabe für die Schüler werden). In der Praxis erkennt man am Arm, auf dem der LNB montiert wird, die Richtung, aus der das Signal empfangen wird (Abbildung 10).

Abbildung 10: a) Vorderansicht der beiden Arten von Satellitenschüsseln: parabolisch (1) und Offset (2). Man sieht die Position des LNB (3)
b) Querschnitt einer Parabol- (links) und einer Offset-Schüssel (rechts). Man sieht den Elevationswinkel

Mit freundlicher Genehmigung von Szymon Malański

Sonnenbeobachtung

Mit RYSIA können Sie bei
bewölktem Himmel die
Sonne ausfindig machen

Mit freundlicher Genehmigung
von Szymon Malański

Die Sonne emittiert Strahlung über den Großteil des elektromagnetischen Spektrums. Richten Sie das Radioteleskop an einem wokenlosen Tag auf die Sonne und auf einen Bereich des Himmels möglichst weit weg von ihr. Vergleichen Sie die Messergebnisse. Wiederholen Sie das Experiment an einem bewölkten Tag; die Position der Sonne kann trotz der Wolken leicht ermittelt werden. Fragen Sie Ihre Schüler, warum sie glauben, dass sichtbares Licht von den Wolken absorbiert wird, aber Radiowellen ungehindert durch können.

Sie könnten Ihre Schüler auch fragen, wie sie die Strahlung der Sonne von einem Signal eines Satelliten unterscheiden könnten. Immerhin stehen beide manchmal nahe beieinander am Himmel. Die Antwort: das Satellitensignal ist polarisiert (horizontal oder vertikal), im Gegensatz zur Strahlung von der Sonne. Wenn man die Satellitenantenne dreht und das Signal unverändert bleibt, dann kommt das Signal von der Sonne.

Erdbobachtung

Objekte in unserer Umgebung, einschließlich Gebäude, Pflanzen, Personen und selbst der Boden unter unseren Füßen senden Radiowellen aus. Es handelt sich um Reflexionen der Signale von der Sonne oder von der Erde. Dank des hörbaren Signals vom Signalmessgerät sollte die Lage von Gebäuden und Bäumen in der Umgebung sogar mit verbundenen Augen leicht zu erkennensein. Um sicherzustellen, dass das Signal nicht von der Sonne selbst kommt, führen Sie das Experiment so durch, dass die Satellitenschüssel von der Sonne weg zeigt.

Hitze

Die meisten astronomischen Phänomene erzeugen elektromagnetische Strahlen, weil sie heiss sind. Je höher ihre Temperatur, desto kürzer die Wellenlänge der Strahlung, die sie erzeugen. Mit ihren rund 5.500 °C produziert die Sonne eine Menge sichtbares Licht, aber auch infrarote Strahlung und Radiowellen. Kältere Objekte müssen mit Hilfe von Infrarot- und Radioteleskopen detektiert werden. Man kann das zeigen, indem man das Radioteleskop auf eine Herdplatte richtet, während sie sich aufheizt. Erst ab rund 700 °C beginnt sie, sichtbares Licht auszusenden, aber das Radioteleskop wird schon deutlich vorher die abgestrahlten Radiowellen registrieren.

Satelliten

Wir haben unser einfaches Radioteleskop mit Hilfe von Satelliten-TV-Technik gebaut. Es sollte daher möglich sein, auch Raumfahrzeuge zu detektieren. Professionelle Radioteleskope tun dies manchmal – das australische Parkes Telescope w1 wurde dazu benutzt, mit Apollo 11 während ihres Mondflugs zu kommunizieren.

Die bekanntesten Kommunikationssatelliten (z.B. Hot Bird, Astra und Sirius) sind auf geosynchronen Umlaufbahnen positioniert. Das bedeutet, dass sie sich am Himmel nicht bewegen, und über dem Äquator stehen. Dadurch sind sie leicht zu finden. Die Wolfram Alpha Datenbank w2 enthält die Position vieler solcher Satelliten.

Denken Sie daran, dass während der Tag- und Nachtgleichen im Frühjahr und Herbst die Sonne genau über dem Äquator steht und daher den Satellitenempfang stören kann, wenn die Sonne und der Satellit an der gleichen Position am Himmel stehen. Auf Wolfram Alpha gibt es eine Karte, auf der die Position der Sonne relativ zu einem bestimmten Satelliten zu sehen ist. Damit kann dieses Problem leicht umgangen werden.

Abbildung 11: Im Sommer ist die Sonne oberhalb der Linie, die die Position der geostationären Satelliten darstellt. Im Winter ist sie unterhalb dieser Linie.
Mit freundlicher Genehmigung von Szymon Malański

Feedback

Falls Sie Vorschläge haben, wie man das Teleskop verbessern könnte oder Ideen für weitere Aktivitäten damit haben, posten Sie bitte einen Kommentar am Ende des Artikels in der Online Ausgabew3.

Danksagungen

Die Idee für unser Radioteleskop stammt von einem Modell von Peter Kalberla, einem Astronomen der Universität Bonn, Deutschland. Er hat es 2011 in seiner Lehrveranstaltung ‚Hands-On Universe: Connecting classrooms to the Milky Way’w4 im nahen Bad Münstereifel verwendet.

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References

Web References

Resources

  • Für Experimente zur Erforschung von Radioübertragung und die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, siehe:
  • Um mehr über elektromagnetische Strahlung zu erfahren, und wie sie in der Astronomie verwendet wird, siehe:
  • Die Europäische Südsternwarte (ESO) ist einer der Partner des Radioteleskops ALMA, das “Atacama Large Millimeter/submillimeter Array”. ALMA besteht aus einer Anzahl von riesigien Hochpräzisionsantennen auf dem Chajnantor Plateau in der Atacama Region Chiles. Auf diesem Plateau ist auch das Radioteleskop APEX der ESO angesiedelt.
    • Die ESO ist ein Mitglied von EIROforum, dem Herausgeber von Science in School.

Author(s)

Boguslaw Malański unterrichtet Physik und Astronomie. Er machte seinen Physikabschluss samt Doktorat von der Universität Łódź, Polen. Anschliessend arbeitete er neun Jahre als Physiklehrer an der University of the North-West in Südafrika. Er führte dort auch zusammen mit Pastor Bernd-Peter Jensen wissenschaftliche Experimente für lokale Schulen durch. Boguslaw ist zur Zeit im Planetarium und astronomischen Observatorium in Łódź beschäftigt, wo er Astronomie und Physik unterrichtet. Er betreibt auch ein kleines gemeinnütziges Experimentarium für Schulenw5.

Szymon Malański, der Sohn von Boguslaw, ist ein Student der Telekommunikation und Computerwissenschaft im 5. Jahr an der Universität Łódź in Polen. Er experimentiert gerne und beschäftigt sich mit klassischer analoger Fotografie.


Review

Wenn Sie möchten, dass Ihre Schüler entdecken, dass die Sonne oder eine Kochplatte weit mehr als nur sichtbares Licht emittieren, dass sichtbares Licht von Wolken blockiert wird, Radiowellen aber hindurch gehen, oder dass das elektromagnetische Spektrum aus einer Vielzahl sehr interessanter Strahlungsformen besteht; wenn Sie wollen, dass Ihre Schüler in der Lage sind, die Position der Sonne an einem wolkenverhangenen Tag oder geostationäre Satelliten zu lokalisieren; wenn Sie wollen, dass sie polarisierte von nicht-polarsierter Strahlung unterscheiden können; wenn Sie Radioteleskope, die von den Schülern gebaut wurden und dazu dienen, all diese Konzepte und noch viel mehr zu vermitteln, in Ihrem Unterricht verwenden wollen, dann werden Sie definitiv an den Ideen interessiert sein, die in diesem Artikel vorgestellt werden.

Mit billigen Materialien und leicht verständlichen Anweisungen können Sie ein einfaches, aber funktionierendes kleines Radioteleskop bauen. Die Experimente, die in diesem Artikel vorgeschlagen werden, sind sowohl interessant als auch für eine Reihe von Themen anwendbar, z.B. Umlaufbahnen, Strahlung und die Auswirkung auf den Körper, sowie das elektromagnetische Spektrum. Diese Themen können in den Unterrichtsgegenständen Physik, Astronomie und Biologie angesprochen werden.


Vangelis Koltsakis, Griechenland




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CC-BY-NC-SA