Ein neues Sonnenteleskop

Im folgenden Bericht werden Überlegungen zum Aufbau eines „maßgeschneiderten“ Teleskops zur Sonnenbeobachtung (und seine Beschaffung) geschildert.


Technische Vorbemerkungen.

Für die Beobachtungen der Sonne im Licht der Wasserstoff Lyman-Alpha Spektrallinie gibt es für den Amateur zahlreiche Filterungsvarianten. Sie alle besitzen im Kern einen Interferenzfilter, der entweder durch hochpräzise planparallele Plättchen mit einem
Luftspalt (Hohlraumresonator) oder durch sogenannte Festkörper-Interferenzfilter realisiert wird. Diese Filter haben als Kernelement ein Plättchen aus Glimmerkristall, das auf beiden Seiten mit einer Refexionsschicht versehen ist. Das Herstellungsverfahren ist äußerst aufwendig und teuer. Die „Luftspaltfilter“ findet man hauptächlich in den speziell für die H-Alpha Beobachtung gebauten Fernrohren, z.B. der Fa. Lunt, Coronado und anderen. Sie bieten den Vorteil eines fertig abgestimmten optischen Systems. Alle Interferenzfilter, auch Etalon genannt, verlangen den Einfall eines parallelen Lichtbündels auf die Filterfläche, um ein scharfbandiges Interferenzmuster zu erzeugen. Bei Filtern, die vor dem Fernrohrobjektiv montiert werden, ist die Parallelität schon gut erfüllt, die Sonne wirft ein nahezu paralleles Lichtbündel auf das Filter. Die Objektivfilter sind für größere Instrumente sehr teuer, weil sie ja möglichst die volle Fernrohroptik abdecken sollen. Vorteil ist die Verwendung eines Universalteleskops (Refraktor) In der Regel werden daher kleine Filter im Inneren eines Teleskopsystems eingesetzt, die zwischen einer Kollimierungs- (Parallelisierungs-) und einer Sammellinse angeordnet sind.
Die Teleskope sind einfach zu benutzen, relativ preiswert aber eben Spezialfernrohre mit fester optischer Konfiguration. (Z.B. die LS-Serie der Fa. Lunt).
Eine flexiblere Lösung erhält man, wenn ein Etalon (meist vom „Festkörpertyp“ im Strahlengang eines Fernrohrs vor dem Okular oder der Kamera montiert wird. Die Parallelität des Abbildungslichtbündels ist nahezu erreicht, wenn das Öffnungsverhältnis des Fernrohrs bei zirka f/30 liegt. Dies läßt sich in der Praxis aber nur durch eine passende Brennweitenverlängerung durch ein Linsensystem erreichen. (Große Objektive ließen sich natürlich auch durch eine Abblendung auf f/30 bringen, was aber eine große Minderung der Auflösung bedeuten würde.) Die Brennweitenverlängerung kann nicht durch eine herkömmliche (negative) Barlowlinse erfolgen sondern es ist ein Linsensystem notwendig, das ein paralleles Strahlenbündel erzeugt: Das Strahlenbündel vom Bildrand ist dem zentralen Bündel aus der Bildmitte parallel. Dieses sogenannte „telezentrische Linsensystem“ ist dem Filter vorgelagert und besteht aus einer Zerstreuungslinse (Brennweitenverlängerung) und einem positiven Kollimierungselement. Die Festkörperfilter sind stark temperaturabhängig und werden aus diesem Grund bei einer exakt einstellbaren Temperatur betrieben, die durch ein Heiz/Kühlelement kontrolliert wird.
Bei allen Filterkonfigurationen ist immer ein Energieschutzfilter dem Etalon vorgelagert, der entweder im Fernrohrtubus oder bei größeren Öffnungen vor dem Objektiv montiert ist.Persönliche Überlegungen/Erfahrungen bei der Instrumentenwahl.
Eine vielgehörte Warnung: „Hast du erst einmal eine Weile mit einem kleinen H-Alpha-Teleskop beobachtet kommt bald der Wunsch nach höherer Auflösung. Du wirst süchtig  nach den Anblicken einer lebendigen Sonne im Licht der Wasserstofflinie bei höheren Vergrößerungen!“
Genau das ist mir auch passiert, nachdem ich drei Jahre mit dem schönen, kompakten LS60 beobachtet hatte. Je mehr ich Aufnahmen von Amateuren gesehen hatte, die mit den schmalbandigen (0,5-0,6 A) Filtern von DayStar oder SolarSpectrum in Refraktoren von ca 100 – 120 mm Öffnung gemacht worden waren, desto öfter habe ich mit einer „Hochrüstung“ meiner H-Alpha Ausrüstung geliebäugelt.
Wichtig dabei war auch die Überlegung, mit einem Refraktor Weißlicht und H-Alpha Sonne zu beobachten (fotografieren). Zunächst wurde ein relativ kompakter ED-Refraktor 102/714 mm F/7 angeschafft, der einen stabilen 3'' Okularzug besitzt - dazu passend noch einen motorischen Fokussierer, der sehr große Vorteile bei der Fernbedienung des Fernrohrs vom Innenraum auf den Balkon bietet.
Trotz doch recht hoher Kosten (ca. 2300 €) hatte ich zunächst einen Filter von SolarSpectrum (0,65 A) im Mai bei Teleskop-Express bestellt. Zum Betrieb ist, wie oben geschildert wurde, eine Telezentrikoptik notwendig. Bei dem F/7 Refraktor also eine 4-fache Optik, die dann zu ca. F/28 führt. (Baader liefert 2- oder 4-fache Telezentriken.).
Ebenso ist ein hochwertiger Energieschutzfilter für das Objektiv erforderlich. Auch hier ist Baader der Top-Lieferant für dieses H-Alpha-Zubehör. Der „D-ERF“-Filter hat einen schmalbandigen Durchlass zwischen 600 und 700 nm, blockiert also vollständig Infrarot-UV-Bereiche der Sonnenstrahlung. Das gesamte Rohr bleibt kühl und schützt einen empfindlichen Interferenzfilter. (Eine „Fingerprobe“ im Brennpunkt der Optik ist beeindruckend: keinerlei zusätzliche Wärmempfindung ist spürbar!)
Fa Teleskop-Express teilte mir dann irgendwann mit, daß ein SolarSpectrum-Filter erst ab Ende Juli lieferbar wäre. Die Zeit wurde genutzt, um mit langer Brennweite Weißlicht-Sonnenaufnahmen zu machen. Das Telezentrikelement ist hierfür auch gut geeignet. Bei der Brennweite von ca 2800 mm ist eine Motorfokussierung eine große Erleichterung, weil in meinem Fall alle Videoaufnahmen vom PC im Innenraum gesteuert werden. Anfang Juli kam dann eine Nachricht von TS, daß der Hersteller von SolarSpectrum-Filtern einen Produktionsrückstand von über einem Jahr hätte – Lieferung erst frühestens im Juli 2015! Nachdem ich viel über die „Manufaktur“ der komplexen Filter gelesen hatte, ist das vielleicht verständlich, es gibt immer einen großen Ausschuß bei der Auswahl des Glimmerkristall-Materials. Das „Tuning“ der exakten Filtereigenschaften ist äußerst aufwendig, die Filter sind absolute Handfertigung. Ein Jahr warten wollte ich in keinem Fall und bestellte den Filter ab, zumal eine wesentlich billigere Variante eines Festkörper-Etalons ( 990 €) der Firma DayStar seit Juli auf dem deutschen Markt verfügbar ist. Der Handelsname ist der im deutschen etwas putzige Name „Quark“. Es ist ein kompaktes Filterelement, das bereits eine angepaßte Telezentrik enthält und bei kleineren Fernrohroptiken laut Herstellerangaben ohne weitere Schutzfilter benutzt werden kann. (Es muß aber klar sein, daß eine länger dauernde Beobachtungssitzung schon ab 80 mm Öffnung zu einer wesentlichen Temperaturerhöhung im Fernrohr führen wird. Die Bedienungsanleitung deutet dies an)
Die Telezentrik ist für ein Öffnungsverhältnis von F/4 bis F/9 mit dem Optimum bei F/7 ausgelegt. Den Filter gibt es in einer breiterbandigen Variante (ca. 0,7 A) für Protuberanzenbeobachtung und eine sehr schmalbandige mit ca. 0,3 bis 0,5 A für die
Chromosphäre. Eine exakte Halbwertsbreite wird vom Hersteller nicht angegeben. Ein Mitarbeiter von DayStar äußerte sich in einem US-Forum zu dem Grund hierfür. Er sagte, daß im Produktionsprozeß für die Quark-Etalons eine breitere Streuung bei denFilterhalbwertsbreiten in Kauf genommen wird, was zu einer deutlichen Verbilligung der Filter führt. Die ersten Quark-Testbilder, die mit Refraktoren der Klasse 100 mm Öffnung F/7 im Internet zu finden waren, zeigten wirklich vielversprechende Qualität. In Foren wurde auch bestätigt, daß eigentlich immer ein Objektivschutzfilter verwendet werden sollte, erst recht ab ca 80 mm Öffnung. Der D-ERF F von Baader wurde als Referenzmodell bezeichnet.

Das H-Alpha Instrument

Ein Quark konnte mir dann Ende Juli 2014 geliefert werden. Die bereits beschaffte Telezentrikoptik ist nun zwar nicht mehr nötig, kann aber als optisch hochwertige Barlowlinse eingesetzt werden. (siehe den Abschnitt über die Weißlichtkonfiguration des Fernrohrs weiter unten) Der D-ERF-Filter ist weiterhin notwendig für den Betrieb des H-Alpha-Filters bei der Öffnung von 102 mm.

Das folgende Bild zeigt schematisch den Aufbau eines Quark-Filterelements.

Die Telezentrik des Quark führt zu einer 4,3-fachen Brennweitenverlängerung, in meinem Fall also zu einer effektiven Brennweite von 3070 mm ( ca. F/30), also im optimalen Bereich des Systems.
Das Etalon wird durch ein regelbares Heizelement auf einer exakten Temperatur gehalten, die für die Ausfilterung der H-Alpha-Linie (6562,8 A) notwendig ist. Die Regelung kann in Schritten von 0.1 A zwischen +/- 0,5 A den Filterdurchgang in den „roten“ oder „blauen“ Flankenbereich der Spektrallinie verschieben. Leider ist die Regelung sehr träge, es dauert ungefähr 5 Minuten, bis eine Veränderung abgeschlossen ist. Die Aufwärmphase des Quark zum Beginn der Beobachtung liegt bei ca. 10 Minuten. Die Regelung des Filtersystems ist sicher ein Kompromiss, den man bei einer preisgünstigen Konstruktion eingehen muß. (Die teureren Modelle von DayStar und SolarSpectrum haben eine schnelle Steuerung mit kombinierten Kühl-/Wärmeelementen)
Erprobt werden soll demnächst eine Reduzierung der zunächst doch sehr langen Brennweite von 2800 mm. Dies kann entweder durch eine Reduzierungslinse im Kameraanschluss oder im objektivseitigen Tubus des Filters passieren. Eine Reduzierung  um die Hälfte führt dann zu einem deutlichen Anstieg des Gesichtsfeldes. Die DMK21AU618 hat einen CCD-Sensor mit 4,4 x 3,8 mm Kantenlänge, der ja nur einenziemlich kleinen Bereich des ca. 28 mm großen Sonnenbildes (bei 2800 mm Brennweite) erfaßt.
Erste Aufnahmen mit der neuen „H-Alpha-Fernrohrkonfiguration“ zeigten wirklich beeindruckende Details, die mit einem kleineren Instrument bei kleinerer Öffnung und größerer Filterhalbwertsbreite nicht erreichbar sind.

Der Quark am Zenitprisma mit einer DMK21AU618 als Kamera.
Zu erkennen ist die Temperaturregelung am roten Stutzen mit der Spannungsversorgung über einen USB Stecker. Am Okularauszug ist der Motorfokussierer montiert.

Nochmal ein Bild des Refraktors mit dem D-ERF Energieschutzfilter vor dem Objektiv:

In Zukunft werde ich versuchen, den Filter ohne Prisma zu verwenden, denn eine visuelle Beobachtung findet einfach zu selten statt. Ein Vorteil wäre auch der Wegfall einer evtl. gefährlichen Hebellast, die zu einem Abknicken bei ungenügender Klemmung führen kann. (Das ist sicherlich schon jedem mal passiert!)

Der heutige Stand der Konfiguration, ohne Zenithprisma,  für den nur noch fotografischen betrieb zeigt das  folgende Foto:

Hier eines der ersten Bilder, die mit dem Fernrohr am 31.7.2014 gewonnen wurden –
„erstes H-Alpha-Licht“ auf den neuen Filter:

Es zeigt einen Ausschnitt der aktiven Region 12129. Deutlich aufgelöst werden die
Fackelgebiete (Plages)und zeigen eine „körnige“ Struktur. Die Ränder sind mit Spikulen
besetzt. Diese Detailfülle ist mit einem LS60 nicht zu erreichen!
Das Bild wurde aus ca 1800 Frames mit AVIStack gewonnen. (Belichtungszeit 1/500 s)


Interessante Beiträge zum Thema Etalon-Technik und Filterkonstruktion finden sich hier:  (leider nur in englischer Sprache)

Resonant Spaces - Part 2: An Introduction to Solid Spaced Etalons and Solar Telescope Technology - Article

Das Fernrohr für Kontinuums-(Weißlicht) Beobachtungen.

Für den Refraktor sind zwei Konfigurationen vorgesehen:

1.) Fotografische Variante mit einem Objektivfilter (Folienfilter)

2.) Visuelle Lösung mit einem Sonnenprisma und passenden Dämpffiltern

Das Bild unten zeigt die Konfiguration mit  einer Filterfolie, die in einem Wellpappensandwich und einem sicher auf den Teleskoptubus gesteckten Papiertubus montiert ist. Die Länge der Telezentrik ist beachtlich, bietet aber damit eine effektive Brennweite von 2856 mm.

Bei Testaufnahmen mit beiden Varianten zeigte sich, daß die Folienfilterung zu gleich
guten Bildern führt, wie die mit einem Herschel-Prisma gemachten. Die Folienfilterung hat auch noch den Vorteil eines „kalten Rohrs über längere Beobachtungssitzungen.
In beiden Fällen wird ein Kontinuumsfilter zum Durchlaß des Sonnenlichts bei 540 nm
benutzt. Zusätzlich wird auch immer auch ein Infrarotsperrfilter benutzt.

Unten ein Bild der aktiven Region 15529 vom 12.4.2016. Das Resultatbild wurde aus ca 2000 Einzelbildern mit der Software AVIStack gewonnen und mit der Grafiksoftware GIMP leicht geschärft.
Bei der Fernrohröffnung von 102 mm und der langen Brennweite wird die Granulation recht gut aufgelöst. Die Luftruhe (seeing) spielt natürlich bei solchen Aufnahmen eine große Rolle. (Am 12.4. herrschte gegen Morgen recht gute Luftruhe)
Die Fadenstrukturen der Penumbra sind gut aufgelöst erkennbar, wie auch die Granulation klar abgebildet wird.