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Für einen Blick in den Weltraum

 

Mit der Prozessleittechnik der Siemens-Automatisierungstechnik produziert die Schott AG Glaskeramik bei der Spiegelproduktion für weltweit das größte Teleskop.

 

Riesige Teleskope zur Erforschung des Weltalls werden bevorzugt in den chilenischen Anden aufgebaut und betrieben. Dort auf dem Berg Cerro Armazones entsteht seit Dezember 2018 das European Extremely Large Telescope (EELT), das aktuell größte Teleskop der Welt. Die Mainzer Schott AG gehört als Glashersteller und Spezialist für große optische Spiegel zu den Firmen, die die riesigen Spiegel für das Teleskop fertigen. Schott nutzt zur Herstellung die spezielle Glaskeramik Zerodur als Spiegelsubstrat. Der Vorteil dieser Glaskeramik besteht darin, dass ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient sehr niedrig ist. Das bedeutet, dass sich das Material selbst bei großen Temperaturschwankungen nicht ausdehnt. Dieser Umstand ist wichtig, wenn das EELT scharfe Bilder liefern soll.

Neben dem Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 39 m besteht das European Extremely Large Telescope aus vier weiteren Spiegeln, die als Reflektoren dienen. Drei dieser bis zu 4 m großen Spiegel stammen von Schott.

 

Besondere Eigenschaften sind entscheidend

 

Die Zerodur Glaskeramik besteht aus einer kristallinen und einer Restglasphase. Beides zusammen ermöglicht den extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Zerodur ist die hohe Homogenität der thermischen Ausdehnung. Selbst bei großen Materialkomponenten sind dadurch Schwankungen der mechanischen und thermischen Eigenschaften kaum nachweisbar, wodurch sich der Werkstoff als Basis für Optiken mit besonderen Anforderungen an Präzision und Temperaturstabilität eignet. Die optische Transparenz ermöglicht zudem eine optimale Prüfung der inneren Qualität. So können Blasen, Schlieren und Einschlüsse nahezu ausnahmslos eliminiert werden. Zerodur weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und lässt sich zu extrem glatten Oberflächen polieren. Diese Eigenschaften sind sowohl bei kleinen als auch bei großen Komponenten stabil.

Der Herstellungsprozess der Teleskop-Spiegel basiert auf dieser besonderen Glaskeramik, damit die Spiegel den extremen Bedingungen vor Ort standhalten. Daher setzt Schott bei der Fertigung auf Technik von Siemens. Mit dem Prozessleitsystem Simatic PCS 7 ist die hochgenaue Temperaturmessung und -regelung während der Fertigung sichergestellt.

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Auf dem chilenischen Berg Cerro Armazones entsteht derzeit das European Extremely Large Telescope (EELT), das aktuell größte Teleskop der Welt, für das Schott einige der riesigen Spiegel liefert. Bild: ESA

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In zahlreichen Teleskopen der Superlative wird Zerodur Glaskeramik als Spiegelträgermaterial eingesetzt. Foto: Schott

Um Spannungsrisse zu vermeiden, wird das Spezialglas während der Produktion über lange Zeit immer wieder erhitzt und abgekühlt. Die Temperaturregelung an diesem Punkt muss bis auf die dritte Nachkommastelle präzise sein. Daher setzt Schott bei diesem Projekt auf seinen langjährigen Partner Siemens und das Prozessleitsystem Simatic PCS 7 sowie die dezentrale Peripherie Simatic ET 200SP. Zunächst haben Schott-Mitarbeiter und Experten von Siemens im Labor die grundsätzliche Machbarkeit getestet und nach den erfolgreichen Versuchen wurde dann von Siemens speziell für diese Anwendung ein neuer Baustein programmiert. Die Lösung deckt zahlreiche Messarten ab wie Spannung, Strom, Widerstand sowie Widerstandsthermometer und Thermoelemente.

 

Unbekannte Welten

Dies prädestiniert den Werkstoff Zerodur für Anwendungen, bei denen höchste Präzision gefordert ist – sei es in der Astronomie, der IC-Lithographie, der Halbleiterindustrie, in der Messtechnik oder der Flat Panel Display-Herstellung. Aktuelles Highlight ist der Auftrag der Europäischen Südsternwarte (ESO) für das Extremely Large Telescope (ELT)-Projekt, für das Schott neben mehreren monolithischen Spiegeln auch Zerodur Segmente für den aus 798 Hexagonen bestehenden Primärspiegel liefern wird. Aktuell investiert Schott einen mittleren zweistelligen Millionen-Euro-Betrag in sein Glaskeramik-Kompetenzzentrum in Mainz. Mit neuen Schmelzkapazitäten und Nachbearbeitungsmöglichkeiten für vielfältige technische Anwendungen ist das Unternehmen damit für die Zukunft bestens aufgestellt.

Durch die findige Prozesstechnik mit hochgenauer Temperaturmessung im Herstellungsprozess ist Schott in der Lage, Spiegel zu produzieren, die nicht nur den widrigen Bedingungen auf dem chilenischen Berg Cerro Armazones standhalten, sondern auch dazu beitragen, einen Blick in uns noch unbekannte Welten zu werfen

Summa summarum: Die Glaskeramik Zerodur eignet sich insbesondere für den Blick ins All. In 50 Jahren produzierte Schott mehrere hundert Spiegelsubstrate in Form von Monolithen oder Hexagonen für viele Astronomie-Anwendungen. Ob in der chilenischen Atacamawüste, auf der Spitze des Mauna Kea-Vulkans auf Hawaii oder im Himalaya-Hochgebirge Indiens – die Teleskope der Welt setzen auf Zerodur. In den nächsten Jahren wird sich diese Zahl vervielfachen. Denn bis 2024 liefert Schott über 900 Rundscheiben für die M1-Segmente des ELT.

Quellen: Siemens AG, Digital Factory / Process Industries and Drives www.siemens.com

Schott AG, https://www.schott.com

Bearbeitung: Wolfgang Klinker Klinker@industry-focus.info

Video: https://www.schott.com/advanced_optics/english/products/zerodur-extremely-low-expansion-glass-ceramic/schott-and-the-elt/overview.html

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