Backnanger Sterngucker

Spiegelzelle für den
14,5-Zoll Dobson
Vorbereitungen

1. Warum eine Spiegelzelle selber bauen?

Der Bergsteiger George Mallory antwortete auf die Frage, warum er den Mount Everest besteigen wolle, „Weil er da ist“. Demnach könnte man doch einfach sagen, „Weil es geht“ oder „Weil mans kann“. Nein, so einfach ist es nicht. Aus finanzieller Hinsicht lohnt es sich kaum. Da ist fast kein Materialvorrat in der Bastelkiste und der Werkzeugbestand ist auch nicht der größte. Auch über Langeweile kann man sich selten beklagen. Aus rationeller Sicht gibt es also keinen Grund, nicht auf ein Schnäppchenangebot bei e-Bay oder einen Sonderposten bei den einschlägigen Astrohändlern zurückzugreifen. Erfolgreiche Selbstbauten wollen außerdem gut überlegt sein, denn schließlich wurde der Mount Everest auch Mallorys Grab.

Und doch stand schon vor der Bestellung des 14,5-Zoll-Spiegels fest, dass die Spiegelzelle dazu aus dem Keller kommt und nicht aus dem Laden. Bei aller Rationalität darf man nämlich nicht vergessen, dass zu den menschlichen Bedürfnissen auch die Selbstverwirklichung gehört. Eine besondere Zelle soll es sein, für einen besonderen Spiegel.

2. Vorbereitung

Wer sich zum Selbstbau hinreißen lässt, bringt meist schon etwas technisches Verständnis und handwerkliches Geschick mit. Eine intensive Recherche bildet einen weiteren soliden Grundstock. Die Hauptquelle ist meist das Internet mit seinen Foren, ATM- und Händlerseiten. Sie bilden einen fast unerschöpflichen Fundus an Wissen, aber auch viel Halbwissen und sogar Unwahrheiten. Fachbücher sind deutlich seltener anzutreffen. Sie sind zwar oft nicht mehr „Up to date“, dafür sind die Konstruktionen meist sehr solide und erprobt. Wer dann noch Kontakt zu Gleichgesinnten findet, der hat gute Voraussetzungen, aus den vielen Anregungen einen richtigen Ansatz zu finden.

3. Die konstruktive Grundidee

3.1 Auflagepunkte:

Es gibt online-tools und Programme, die einem die erforderliche Anzahl der Auflagerpunkte errechnen. Auch Tabellen mit Richtwerten sind verfügbar. Die Quellen ergaben für den 41mm dicken Zambuto-Spiegel Werte zwischen 3 und 9 Auflagerpunkten. Da man die Werte in der Regel nicht ohne weiteres nachvollziehen kann, sollten es hier am Ende 18 Punkte sein. Sicherlich etwas überdimensioniert, aber man will die Leistung dieser herausragenden Optik ja nicht durch schlechte Lagerung mindern.

3.2 Laterale (seitliche) Auflager:

Hier kursieren unterschiedlichste Meinungen, die zum Teil sehr kontrovers diskutiert werden. Zwei Varianten haben sich etabliert: Die Schlinge und die Punktlagerung ggf. mehrere mit Wippen.

Die Schlinge, wie Sie z.B. von Kriege in dem Buch: „The Dobsonian Telescope“ propagiert wird, ist besonders für dünnere Spiegel nicht geeignet. Zwar ist hier eine gleichmäßige radiale Lasteinleitung gewährleistet, aber die Widerstandsmomente, die einer Verformung des Spiegels entgegenwirken, ergeben sich hauptsächlich aus dem Durchmesser und sind demnach auch bei dünnen Spiegeln sehr hoch. Verformungen des Spiegels in radialer Richtung sind deshalb im Gegensatz zu dem so genannten „Potato-Chip-Effekt“ kaum die Hauptursache für den häufig auftretenden Astigmatismus.

Zum besseren Verständnis sei ein einfacher Versuch nahe gelegt: Man nehme eine CD zwischen Daumen und Zeigefinger und drücke sie langsam zusammen. Obwohl die CD einen extrem dünnen Spiegel simuliert, wird es niemandem gelingen, den Durchmesser zu ändern. Stattdessen tritt mit Sicherheit eine Wölbung um eine radiale Achse, also in eine axiale Richtung auf. Der oben genannte „Potato-Chip-Effekt“ entsteht. Eine Schlinge wirkt diesem Effekt nur schlecht entgegen. Im Gegenteil, wird der Spiegel justiert oder wirkt die Kraft der Schlinge durch Verspannungen von Haus aus stärker an Vorder- bzw. Rückseite, begünstigt dies die Wölbung dünner Spiegel. Verstärkt wird dieser Effekt durch axiale Kraftwirkungen, die durch Reibung der Schlinge am Spiegel entstehen. Letzteres wird sehr deutlich, wenn man bei oben genanntem Versuch denselben Griff kreuzweise mit beiden Händen ansetzt. Bei genauer und längerer Beobachtung fällt auf, dass es fast nicht möglich ist, eine leichte Wölbung zu vermeiden.

Es gilt also zwei Dinge konstruktiv zu minimieren oder auszuschließen:

• Reibung zwischen lateralen Auflagerpunkt und Spiegelseite
• Lastangriffe, die außerhalb des axialen Schwerpunktes liegen

Beiden Punkten kann man dadurch Rechnung tragen, dass:

• der Reibwert des Auflagerpunktes durch Gleitpaarungen, Kugellager o.Ä. herabsetzt wird.
• die laterale Halterung selbst justierbar gestaltet wird.
• sich die seitlichen Auflager beim Justieren mit dem Spiegel mitbewegen.

3.3 Materialien:

Rahmen- und Blechteile sollen bei kleineren transportablen Teleskopen nicht nur des Gewichtes wegen aus Aluminium sein, „Alu“ lässt sich auch mit einfachen Werkzeugen schnell und genau bearbeiten. Es ist in vielen Formen und Profilen standardmäßig erhältlich, relativ günstig und verhältnismäßig witterungsbeständig. Diese Eigenschaften ermöglichen einen großen konstruktiven Spielraum.

Für die Auflagerpunkte werden in der Regel selbstklebende Kork- oder Filzpads empfohlen. Es macht dabei jedoch wenig Sinn, die Kontaktflächen möglichst weich zu gestalten. Bei entsprechender Anzahl und Verteilung würde selbst Stahl (z.B. Hutmuttern) mit der beinahe punktförmigen Lasteinleitung beim normalen Gebrauch keine nennenswerten Verformungen oder gar Beschädigungen verursachen. Einzig extreme Belastungen, wie z.B. ein Sturz der Spiegelkiste könnten den Spiegelträger beschädigen. Die tatsächliche Position stählerner Druckpunkte entspricht am ehesten denen der Rechnung. Zu weiche oder federnde Elemente sollten noch aus einem anderen Grund vermieden werden. Es besteht die Gefahr, bei horizontnahen Beobachtungen wegen der geringer werdenden Auflast durch eine Ausfederung die Justage zu verlieren. Ein gesunder Kompromiss ist hier angebracht. Da zu gegebenen Zeitpunkt das favorisierte PTFE in entsprechender Form nicht zur Verfügung stand, wurde auf vorhandene Korkpads mit Ø21x3mm zurückgegriffen. Bei der überdimensionierten Auflageranzahl ist die Belastung der einzelnen Pads gering und die Steifigkeit ausreichend, um den oben genannten Feder-Effekt ausschließen zu können. Auch die mögliche Streuung der tatsächlichen Lasteinleitung (r = 10mm um die rechnerische Annahme) ist kein Problem. Für die seitlichen (lateralen) Auflager gilt das oben genannte Prinzip gleichermaßen.

Dass Schrauben, Federn, Rändelmuttern, Nieten usw. aus möglichst korrosionsfreiem Stahl sind, ergibt sich beinahe schon aus deren Verfügbarkeit. Generell sollte darauf geachtet werden, dass spezielle Bauteile wie: Rändelschrauben, Klemmen, Profile möglichst vor Baubeginn zur Verfügung stehen. Das erspart unter Umständen böse Überraschungen beim Besorgen der irgendwann unerlässlich gewordenen Dinge. Oft eröffnen sich beim Besuch eines Schrottplatzes oder beim ausführlichen Stöbern auf „e-Bay“ ganz neue Möglichkeiten.

4. Planung und Konstruktion

Bei der Planung des Rahmens brachte ein Besuch auf der ATM-Seite von Ulli Vedder den entscheidenden Durchbruch. Besonders die innenliegende Wippe ist sehr platzsparend und effektiv. Der Dreiecks-Rahmen mit drei justierbaren Befestigungspunkten bietet die Möglichkeit, den Spiegel samt Spiegelzelle zu kollimieren. Für die Positionen der Auflagerpunkte wurde eine Excel-Tabelle erstellt. Die Richtwerte aus dem Buch: „The dobsonain Telescope“ wurden übertragen und benötigte Radien durch einfache Interpolation ermittelt. Der Grundstein für erste Skizzen war gelegt. Gezeichnet wurde mit CAD, was nicht unbedingt notwendig ist, die Angelegenheit bei entsprechender Kenntnis aber deutlich erleichtert.

Eine erste Struktur wird erkennbar: Da die Kork-Auflager mit Ø 21mm zu diesem Zeitpunkt schon in der Materialkiste bereit lagen, konnten die Auflagedreiecke schon mit endgültigen Abmessungen dargestellt werden.Auch die Längen für die inneren Wippen und Dreieckrahmen sind schon abzuschätzen. Auf einem Schrottplatz konnte so neben 4mm dicken Blechen für die Verbindung und diversen Alu-Resten auch ein entsprechendes Vierkant-Hohl-Profil für sehr wenig Geld erstanden werden.

Prof. Dr. Reiner Vogel mit seinem 22-Zoll Lowrider (Bau des Lowriders) gab den entscheidenden Anstoß für die Ausbildung der seitlichen Halterung. Die auf dem Foto des weiterführenden Links: „Bau des Teleskops“ zu sehende laterale Halterung entspricht genau den Vorgaben der o.g. Bedingungen. Der Verwendung von Kugellagern steht jedoch ein großer konstruktiver Aufwand für die Justierbarkeit gegenüber. PTFE-Klötze hingegen können so angepasst werden, dass der Spiegel auch bei Fertigungs- und Einbautoleranzen von einigen Millimetern genau zur Blende positioniert werden kann. Es bietet zudem die gleichen Gleiteigenschaften in jede Richtung. Darüber hinaus war PTFE (Teflon) zum gegebenen Zeitpunkt bereits vorhanden - ein nicht zu vernachlässigender Faktor.

Interessante Infos zum Thema laterale Wippenlagerung bekommt man u.a. auch bei:

• Achim Strnad: http://www.strnad-emskirchen.de/lateral_balken.htm
• Nils Olof Carlin: http://w1.411.telia.com/~u41105032/sling/sling.htm

4.1 Verbindungsmittel:

Der wohl wichtigste Punkt für die richtige Konstruktion ist die ausreichende Dimensionierung. Einsparpotentiale sind wünschenswert, aber beim Selbstbau sekundär. Nachdem die Rahmenprofile einen sehr soliden Grundstock bildeten, sollten die Verbindungselemente und Kleinteile nicht zu schwach sein. Bei Materialien, deren Bestandteile nicht bekannt sind, ist es ratsam, Vorversuche anzustellen.

Kritisch wurden vor allem die Befestigungen und die HS-Justierung unter die Lupe genommen. Das Gewicht der Hantel entspricht mit 10kg etwa dem des Spiegels. Ein 4mm Blech wurde an ein Reststück des Rahmens genietet, die 4mm Bleche mit 8mm Bohrungen versehen. Sorgen machten weniger die vorgesehenen M8-Gewindebolzen selber, als vielmehr die Lochleibungen im Aluminium. Bei mehrfachen Fallversuchen (ca.5-7cm Fallhöhe) bebte die Werkbank spürbar. Die Kontrolle der Lochdurchmesser ergab ca.0,03mm Aufweitung. In anbetracht der dreifachen Sicherheit und der Tatsache, dass das eigentliche Führungsloch auch durch das Profil geht, ein positives Ergebnis. Auch der Blindniet zwischen Probestück und dem Profilrest erwies sich als äußerst stabil. Die Verwendung eines M8-Gewindes mit einer Steigung von 1,25mm ermöglicht dabei immer noch eine feinfühlige Justierung.

Dies ist der Anblick der Auflagerwippe, welche ursprünglich in die Rahmenkonstruktion eingebaut werden sollte. Deutlich sichtbar ist die Abknickung im Bereich der 6mm Bohrung. Ein erneuter Besuch des Schrottplatzes stand nun an…

Auch ein Prototyp für die geplante Lagesicherung des Spiegels wurde getestet. Hier konnte eine ausreichende Stabilität attestiert werden.

4.2 Fertigungsskizzen und Schablonen:

Für Außenstehende nur schwer nachvollziehbar, die Draufsicht der Spiegelzelle:

• Schwarz: Rahmen, Dreiecke, Justierschrauben
• Blau: Spiegel, seitliche Wippen mit PTFE
• Grün: Verbindungsbleche (oben und unten)
• Pink: Lagesicherung des Spiegels
• Rot: Hilfslinien, Achsen

Alle relevanten Teile sind gezeichnet und mehrfach im Maßstab 1:1 ausgedruckt worden. Einige wurden ausgeschnitten und ergeben eine ausgezeichnete Schablone.

Weiter geht es mit der Beschreibung der Fertigung mit vielen Abbildungen.