Automatisierte
Spiegelteleskope
Das Entwicklungsprojekt StarGazer unter der gemeinsamen Leitung von Prof.-Dr.-Ing. Dominic Deutges und Prof. Dr.-Ing. Nils Kopal an der Hochschule Niederrhein führt Studierende praxisnah an optische Grundlagen und automatisierte Astrofotografie mit moderner Schrittmotortechnik heran.
Projekt StarGazer 1
Im Entwicklungsprojekt StarGazer unter der gemeinsamen Leitung von Prof.-Dr.-Ing. Dominic Deutges und Prof. Dr.-Ing. Nils Kopal an der Hochschule Niederrhein entwickeln wir das Konzept des Ultrascopes gezielt für die Lehre weiter: Studierende lernen angewandte Optik, präzise Schrittmotortechnik und moderne Webserver-Ansteuerung in der Praxis kennen.
Präzise Schrittmotortechnik
Um Studierenden moderne Antriebstechnik zu vermitteln, setzen wir bei den Achsantrieben auf 2x hochauflösende Schrittmotoren mit spielarmen Planetengetrieben.
Durch diese mechanische Untersetzung lernen die Studierenden, wie Schwingungen minimiert und eine ruckelfreie Nachführung im Sub-Bogensekundenbereich für langzeitbelichtete Astrofotografie technisch realisiert wird.
Automatisierung & Fokus
StarGazer dient als Experimentierfeld für systemische Automatisierung: Über Astrometrisches Plate-Solving gleicht das System aufgenommene Sternenfelder mit digitalen Sternenkatalogen ab, um Positionskorrekturen autonom zu berechnen.
Bewusst kombinieren wir dies im didaktischen Kontext mit einer manuellen Fokussiereinrichtung. So erlernen Studierende sowohl die praktische Schärfefindung und Kollimation am Okularauszug als auch moderne Software-Algorithmen.
Dual-Compute & Webserver
Anstelle traditioneller Desktop-Software lernen Studierende den Aufbau einer modularen Edge-Cloud-Architektur mit zwei dedizierten Rechnereinheiten kennen:
• Raspberry Pi (Kamera): Dediziertes Auslesen des Bildsensors und rasante Bildvorverarbeitung.
• Raspberry Pi 4 (Steuerung & Webserver): Hosting des INDI-Servers, NC-Motoransteuerung und Bereitstellung des lokalen Web-Dashboards über den Browser.
Basis:
Projekt Ultrascope der OSA
Ein Meilenstein der Citizen Science und inspirierender Ausgangspunkt für unsere Entwicklungsarbeiten an der Hochschule Niederrhein.
Die Open Space Agency (OSA)
Das Projekt Ultrascope wurde von James Parr und der Open Space Agency als globales Open-Source-Experiment ins Leben gerufen. Das Ziel: Die Zugänglichkeit zur Astronomie durch die Entwicklung eines Automated Robotic Observatory (ARO) für Amateurastronomen, Schulen und Hochschulen zu fördern.
Durch konsequente Nutzung freier Baupläne und Standardbauteile sollte ein automatisiertes Teleskop für rund 300 USD realisierbar werden – ein idealer Ansatz für praxisorientierte Lehrprojekte.
3D-Druck & Smartphone-Sensorik
Das Ultrascope (z. B. das Explorer Modell UEX) kombinierte lasergenschnittene Acryl-Chassis und 3D-gedruckte Mechanik-Komponenten mit einer cleveren Idee: Der Nutzung von hochauflösenden Smartphones (z. B. Nokia Lumia 1020 mit 41 Megapixeln) als primärem Bildsensor und Rechenzentrum.
Über Arduino- und Raspberry-Pi-Mikrocontroller gesteuert, konnten Citizen Scientists automatisiert Himmelskörper überwachen – ein Konzept, das wir im Studium für angewandte Mechatronik und Informatik aufgreifen.
Original: Projekt Ultrascope (OSA)
Weiterentwicklung: StarGazer 1 (HSNR)
Verbundene Projekte & Services
Im Lehrprojekt StarGazer setzen wir auf eine modulare Architektur aus bewährten Open-Source-Projekten, spezialisierten Betriebssystemen und offenen Schnittstellen.
Heute-am-Himmel.de
Unser wichtigstes Portal für aktuelle astronomische Ereignisse, Sichtbarkeiten und tägliche Himmelsübersichten. In der Lehre dient der Service zur schnellen Identifikation von Beobachtungszielen und zur Planung studentischer Aufnahmesequenzen.
Astroberry Server
Spezialisiertes Open-Source-Betriebssystem für den Raspberry Pi. Es liefert eine maßgeschneiderte, sofort einsatzbereite Linux-Umgebung vorinstalliert mit allen relevanten Astronomie-, Guiding-, Planetariums- und Bildbearbeitungstools.
INDI Server
Das Instrument-Neutral Distributed Interface (INDI) bildet das architektonische Rückgrat unserer Hardware-Kommunikation. Der Server steuert plattformunabhängig und netzwerkbasiert die Motorantriebe, Sensoren und das Kamerainterface an.
KStars Planetarium & Ekos
Leistungsstarkes Open-Source-Planetarium zur grafischen Himmelskartierung. Über das integrierte Ekos-Modul ermöglicht es uns die komplette Fernsteuerung und Überwachung von Teleskop, Montierung, Guiding und Aufnahmesequenzen.
OnStep NC Steuerung
Open-Source Numerical Control (NC) Schrittmotorsteuerung auf Mikrocontroller-Basis. Sie kommuniziert über den industriellen LX200-Befehlssatz und sorgt für hochpräzise GoTo-Positionierung und zuverlässige siderische Nachführung der beiden Achsen.
Wesentliche Optische Grundlagen
Teleskope sind präzise Lichtsammler. Für die Astrofotografie schwacher Deep-Sky-Objekte entscheidet das optische System über Auflösung, Belichtungszeit und Abbildungsqualität.
Refraktor vs. Reflektor
Während Linsenteleskope (Refraktoren) das Licht durch Glaslinsen brechen und bei großen Öffnungen oft unter Farbfehlern (chromatische Aberration) leiden, setzen wir im Projekt StarGazer auf Spiegelteleskope (Reflektoren) wie das Newton- oder Schmidt-Cassegrain-System.
Parabolische Hauptspiegel reflektieren alle Wellenlängen farbrein in einen Brennpunkt. Sie ermöglichen große Aperturen zu einem wirtschaftlichen Preis und sind durch kompakte Bauweisen ideal für automatisierte Montierungen in der Lehre.
Brennweite & Öffnungsverhältnis
Die Brennweite ($f$) bestimmt den Abbildungsmaßstab eines Teleskops. In Kombination mit einem Okular ergibt sich die Vergrößerung $V$ als Verhältnis der Brennweiten:
Entscheidend für die Astrofotografie ist das Öffnungsverhältnis ($N = f/D$) bzw. die Lichtstärke. Schnelle Systeme (z. B. $f/4$) sammeln in kurzer Belichtungszeit viel Licht von Deep-Sky-Objekten. Langbrennweitige Systeme ($f/10$ bis $f/15$) eignen sich hingegen optimal für hochauflösende Planetenaufnahmen.
Spiegelteleskop-Systeme im Vergleich: Newton vs. Schmidt-Cassegrain
Nach der Entscheidung für die Spiegelteleskop-Bauweise stellen wir im Projekt die beiden in der Praxis relevantesten Typen gegenüber. Beide nutzen Reflexion am Hauptspiegel, unterscheiden sich jedoch fundamental in Strahlengang, Einblick und didaktischem Einsatzfeld.
🔭 Newton-Reflektor (Seitlicher Einblick)
Strahlengang: Das einfallende Licht trifft am hinteren Tubusende auf einen parabolischen Hauptspiegel. Dieser reflektiert das Lichtbündel nach vorne zu einem um 45° geneigten, planen Fangspiegel (Sekundärspiegel). Der Fangspiegel lenkt das Licht im rechten Winkel seitlich aus dem Tubus in den Okulerauszug bzw. zur Kamera.
Didaktisches Profil: Der klassische Newton besticht durch seinen einfachen, robusten Aufbau mit nur zwei Reflexionsflächen. Es entstehen keine Farbfehler und kaum Lichtverluste. Durch schnelle Öffnungsverhältnisse (z. B. f/4 bis f/5) ist er ideal für die lichtstarke Deep-Sky-Astrofotografie und eignet sich hervorragend, um Studierenden die optische Kollimation (Justage) praktisch zu vermitteln.
📡 Schmidt-Cassegrain / SC (Gefalteter Strahlengang)
Strahlengang: Das Licht passiert an der vorderen Tubusöffnung eine dünne, asphärische Schmidt-Korrekturplatte, welche sphärische Aberrationen eliminiert. Es trifft auf den sphärischen Hauptspiegel am Tubusende, wird nach vorne auf einen konvexen Fangspiegel an der Korrekturplatte reflektiert und von dort durch eine zentrale Bohrung im Hauptspiegel nach hinten zur Kamera geleitet.
Didaktisches Profil: Durch den dreifach gefalteten Strahlengang erreicht ein SC-Teleskop trotz extrem kurzer Bauweise sehr lange Brennweiten (typisch f/10). Die kompakte, geschlossene Bauform schützt die Spiegel vor Staub und Luftunruhe (Tubus-Seeing). In der Lehre demonstriert das System platzsparende optische Faltung und eignet sich perfekt für hochauflösende Planetenbeobachtungen sowie kompakte, motorisierte Montierungen.
Vergleich der optischen Strahlengänge: Links der Newton-Reflektor mit seitlicher Auskopplung über den 45°-Fangspiegel; rechts das Schmidt-Cassegrain-System mit gefaltetem Strahlengang durch die zentrale Hauptspiegelbohrung.
Apertur & Lichtsammelvermögen
Die Öffnung (Apertur $D$) ist der wichtigste Parameter eines Teleskops. Das Lichtsammelvermögen $A$ wächst quadratisch mit dem Spiegeldurchmesser im Verhältnis zur menschlichen Pupille ($D_{\text{Auge}} \approx 7\,\text{mm}$):
Verschieben Sie den Slider, um die optische Leistungsfähigkeit live zu berechnen!
Wie schneiden wissenschaftliche Observatorien im Vergleich ab?
Um die studentischen Teleskope ($D = 100 - 400\,\text{mm}$) physikalisch einzuordnen, stellen wir hier die berechneten Werte der drei Leistungsgrößen nach identischen Kriterien für zwei der berühmtesten Observatorien der Welt gegenüber:
🛰️ Hubble Space Telescope (HST)
Das weltberühmte Ritchey-Chrétien-Spiegelteleskop im Erdorbit. Da es im Vakuum außerhalb der Erdatmosphäre operiert, wird es nicht durch Luftunruhe (Seeing) gestört und erreicht in der Praxis exakt sein theoretisches Auflösungsvermögen.
🏔️ Very Large Telescope (VLT)
Einzelteleskop (Unit Telescope 1–4) der Europäischen Südsternwarte in Chile. Durch gigantische 8,2-Meter-Hauptspiegel und moderne Adaptive Optik (Laser-Leitsterne) kompensiert das VLT die atmosphärische Unruhe.
Wesentliche Astronomische Grundlagen
Um Himmelsobjekte präzise zu erfassen, vermittelt das Projekt fundierte Kenntnisse der Himmelsmechanik und deren mechanischer Kompensation.
Mond & Planeten
Unser Sonnensystem bietet faszinierende Ziele für die studentische Praxis: Die Kraterlandschaften und der Terminator des Mondes, die Wolkenbänder des Jupiter sowie die Ringsysteme des Saturn veranschaulichen optische Auflösungsgrenzen und die Bedeutung kurzer Belichtungszeiten.
Sterne & Galaxien
Deep-Sky-Objekte wie der Orionnebel (M42) oder die Andromeda-Galaxie (M31) leuchten extrem schwach. Sie zeigen Studierenden die Notwendigkeit exakt nachgeführter Langzeitbelichtungen und moderner Bildbearbeitung durch das Stacking von Einzelaufnahmen.
Erdrotation & Sternentag
Die Erde dreht sich in 23 Stunden und 56 Minuten (siderischer Tag) um ihre Achse. Für den Beobachter dreht sich der Sternenhimmel scheinbar von Ost nach West um den Himmelsnordpol. Ohne Nachführung wandern Gestirne in Sekunden aus dem Bildfeld.
Teleskop-Montierungen: Parallaktisch vs. Azimutal
Wie kompensiert ein Teleskop die scheinbare Erddrehung? Der Montierungstyp bestimmt die Kinematik der Motorsteuerung und ist ein zentrales Lehrthema für Studierende der Mechatronik und Informatik.
Parallaktische Montierung (EQ)
Der Standard für Langzeit-Astrofotografie
Kinematischer Aufbau: Eine der beiden Drehachsen (die Stundenachse / Rektaszensionsachse) wird exakt parallel zur Erdachse auf den Himmelsnordpol (nahe dem Polarstern) ausgerichtet.
Didaktisches & Technisches Profil: Um die Erdrotation zu kompensieren, muss bei einer exakt poljustierten EQ-Montierung nur ein einziger Motor in der Stundenachse mit konstanter Sterngeschwindigkeit (siderische Rate) drehen. Das Bildfeld bleibt relativ zum Sensor absolut stabil. Es entsteht keine Bildfelddrehung, was stundenlange Belichtungen ermöglicht. StarGazer setzt auf diesen Aufbau, um Studierenden präzise Einachs-Nachführung und Poljustage zu vermitteln.
Azimutale Montierung (Alt-Az)
Zwei-Achsen-Kinematik & Koordinatentransformation
Kinematischer Aufbau: Die Montierung bewegt das Teleskop in zwei senkrechten Achsen: horizontal (Azimut / parallel zum Horizont) und vertikal (Höhe / Altitude), analog zu einem klassischen Fotostativ oder Geschützturm.
Didaktisches & Technisches Profil: Der mechanische Aufbau ist intuitiv und kompakt. Da sich die Achsen jedoch nicht mit der schrägen Erdachse decken, erfordert die Nachführung eine kontinuierliche Doppelachs-Ansteuerung mit nicht-linearen, variablen Geschwindigkeiten. Zudem entsteht bei Langzeitbelichtungen eine Bildfelddrehung (Field Rotation), bei der Sterne an den Bildrändern zu Strichspuren verschwimmen. In der Lehre dient Alt-Az zur Demonstration komplexer Koordinatentransformationen und rotatorischer Bildfelddrehkränze (Derotatoren).
Team & Projektmitarbeiter
Das Entwicklungsprojekt StarGazer wird durch die eng verzahnte, interdisziplinäre Zusammenarbeit von Lehrenden und Studierenden der Fachbereiche Wirtschaftsingenieurwesen und Elektrotechnik & Informatik an der Hochschule Niederrhein getragen.
Projektleitung
- Prof.-Dr.-Ing. Dominic Deutges Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen
- Prof. Dr.-Ing. Nils Kopal Fachbereich Elektrotechnik & Informatik
Projektmitarbeiter
- ▪ Niklas Ardelt
- ▪ Raman Hajo
- ▪ Nassim Saidi
- ▪ Aykut Kaynar
- ▪ Akin Kurt
- ▪ Sait Aytmen
- ▪ Fatih Güngör