Rauscharme Verstärker eröffnen neue Möglichkeiten für das ALMA-Radioteleskop
Ingenieure des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) erweitern die Beobachtungsmöglichkeiten am Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), einem Verbund aus Radioteleskopen in der chilenischen Atacamawüste. Mit neu entwickelten und besonders rauscharmen Verstärkern lassen sich Empfänger realisieren, die Radiostrahlung mit bisher unerreichter Empfindlichkeit registrieren.
Das Beobachten von Radiostrahlung aus den Tiefen des Universums ist genau so spannend wie herausfordernd. Viele Objekte und Phänomene – wie Staubscheiben in jungen Sternsystemen, komplexe Moleküle oder Magnetfelder in unserer Galaxis – geben ihre Geheimnisse nur bei diesen für das menschliche Auge unsichtbaren Frequenzen preis. Ihre Strahlung ist jedoch so schwach, dass man sie nur mit großem technischen Aufwand registrieren kann und vor der wissenschaftlichen Analyse zunächst in mehreren Stufen verstärken muss.
ALMA gehört mit 66 Teleskopen zu den leistungsfähigsten Forschungsanlagen der Welt. Für einen neuen Satz von Empfängern, die Radiostrahlung mit Frequenzen von 67 – 116 Gigahertz (GHz) erfassen, konnten Ingenieure des MPIfR in Bonn und des Fraunhofer IAF in Freiburg mit 145 extrem rauscharmen Verstärkern (low-noise amplifiers, LNAs) nun entscheidende Verbesserungen anstoßen. Die LNAs bilden die erste und damit entscheidende Verstärkerstufe: „Die Leistungsfähigkeit von Empfängern hängt maßgeblich von der Performance der ersten Hochfrequenz-Verstärker ab, die in ihnen verbaut sind“, erklärt Fabian Thome, Leiter des Teilprojekts am Fraunhofer IAF. „Unsere Technologie zeichnet sich durch eine mittlere Rauschtemperatur von 22 Kelvin aus, die weltweit unerreicht ist.“ Mit den neuen LNAs lassen sich die Signale bereits im ersten Schritt auf mehr als das 300-fache verstärken.
Das Herzstück der LNAs sind integrierte Mikrowellenschaltungen, die das Fraunhofer IAF entwickelt hat. Die Ingenieure am MPIfR konstruierten die komplexen Gehäuse, die in der hauseigenen Feinmechanikwerkstatt gefertigt wurden, und führten die hochpräzise Integration der Mikrowellenschaltungen und Signalleitungen mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern aus. Im Anschluss testeten sie jeden Verstärker bei Temperaturen von 15 Kelvin (etwa -258 Grad Celsius) – die Temperatur, auf welche die ALMA-Empfänger heruntergekühlt werden müssen. Die LNAs spielen eine entscheidende Rolle in einer neuen wichtigen Phase für ALMA: Sie ebnen den Weg für die nächste Generation von Empfängern, die mit größeren Bandbreiten und erhöhter Empfindlichkeit in den 2030er Jahren zur Verfügung stehen sollen. „Dies ist eine sehr schöne Anerkennung für unsere tolle Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAF, die zeigt, dass unsere Verstärker nicht nur ‚made in Germany‘, sondern auch weltweit die besten sind“, sagt Michael Kramer, geschäftsführender Direktor am MPIfR.
Die Europäische Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO), die ALMA in Kooperation mit weiteren internationalen Einrichtungen betreibt, beauftragte das MPIfR und das Fraunhofer IAF gemeinsam mit der Bereitstellung der LNAs. Beide Forschungsinstitute profitierten dabei von ihrer etwa 20-jährigen Zusammenarbeit, in der dank gezielter Förderungen und Anstrengungen zusammen Expertise aufgebaut wurde, welche die Institute weitgehend unabhängig von außereuropäischen Anbietern macht. Die LNAs sind in ihrem Frequenzbereich weltweit konkurrenzlos und auf dem europäischen Markt frei verfügbar.
