Skywatcher Skymax-127 Maksutov

Verbesserungspotential von industriellen Amateur-Teleskopen

In diesem Beitrag möchte ich meine Erfahrungen und mögliche Verbesserungen an industriellen also nicht selbst gebauten Amateur- Teleskopen diskutieren am Beispiel eines Skywatcher Skymax-127 Maksutov Teleskopes und ein wenig über die jeweiligen Hintergründe berichten. Eine kurze Einführung über Maksutov Teleskope gibt es z.B. auf wikipedia unter https://de.wikipedia.org/wiki/Maksutov-Teleskop

Motivation

Seit ein paar Jahren bin ich im heimischen Garten meistens mit einem 10“ Goto Dobson unterwegs, ebenfalls von Skywatcher. Der OTA ist recht lichtstark und ab 01:00 AM wird bei uns im Dorf sogar die Straßenbeleuchtung abgeschaltet (ja, das gibt es tatsächlich noch). Für einen wirklich dunklen Beobachtungsstandort in den heimischen Bergen müsste ich den Dob allerdings zerlegen, im Fahrzeug transportieren und dort wieder aufbauen. Dies ist bei einem Dobson jetzt grundsätzlich nicht so schwer, allerdings ist mein Dob vom Gewicht her schon fast ein Schwergewicht und recht sperrig zudem, somit mache ich das eher selten und fahre meistens mit kleinem Gepäck raus. Meist kommt dabei meine Vixen Porta (Gen.1) azimutale Montierung zum Zug mit einem kleinen Williams 80 mm ED (APO). Das ist sehr transportabel, ratzfatz aufgebaut und aufgrund der geringen Größe der Optik und des geschlossenen Tubus auch sehr schnell beobachtungsbereit.

Aber mit der Zeit kam immer wieder der Wunsch nach (etwas) mehr (transportablen) Licht auf, sprich ein neuer etwas größerer OTA der aber noch gut von der Porta getragen wird musste her. Nach einiger Recherche im Netz fiel meine Wahl auf den Skywatcher 5“ MAK. Die wichtigsten technischen Daten :

Öffnung : 127 mm
Brennweite : 1500 mm
Gewicht des OTA : 3,4 Kg
Prismenschiene : Vixen Standard

Ankunft

Überraschenderweise wird der OTA mit einer durchaus brauchbaren Transporttasche geliefert welche mit etwas zusätzlicher Polsterung sogar richtig gut wird.

Die beigelegten Okulare, Zenitspiegel und der Sucher sind von einfachster Qualität und diese sollte man in der Tat ganz schnell beiseite legen resp. ersetzen durch hochwertigere Komponenten. Die Mechanik, Ausführung und Finish des OTAs sind gut bis sehr gut und so gar nicht mehr vergleichbar mit den ersten Skywatcher Teleskopen von vor 15 Jahren und früher.

Da der OTA doch etwas größer ist als der meines 80 mm EDs hatte ich zwischenzeitlich die unteren Stativbeine der Porta Montierung mit Quarzsand aufgefüllt und versiegelt. Dadurch wird das Schwingungsverhalten der Montierung deutlich verbessert. Die Ausschwingzeit mit dem neuen OTA liegt bei deutlich unter 1 Sekunde was ein recht guter Wert ist.

Erste Tests und Verbesserungen

Bei der ersten Montage auf die Montierung fiel mir auf, dass der Sucher mit der flexiblen Welle für Azimut der Vixen Porta kollidiert wenn gegen Zenit geschwenkt wird. Grund dafür ist die seitliche Montage des OTA auf der Montierung bei der Porta. Bei einer normalen parallaktischen Montierung wäre das kein Problem gewesen.

Somit betraf die erste Verbesserung den Sucher resp. die Sucherhalterung. Ein alter Sucherschuh aus meinem Fundus der bereits eine fast passende Rundung auf der Unterseite hatte wurde auf den für diesen OTA passenden Radius gebracht und anschließend mit doppelseitigem Klebeband flächig verklebt an geeigneterer Stelle am OTA für die Seitenmontage. Das allein hält schon sehr gut. Da ich dem ganzen aber (langfristig) nicht wirklich traue habe ich zusätzlich noch eine Fixierung/Fallsicherung mittels einem den OTA umlaufenden Kabelbinder hinzugefügt. Das ganze sieht nicht schön aus, aber damit wird auch ein schwerer 50mm Sucher problemlos und stabil gehalten. Im Übrigen soll bereits Joseph von Fraunhofer gesagt haben, nachdem sich ein Kunde über das unansehnliche Äußere eines seiner Teleskope mockiert hatte, dass seine Fernrohre zum Durchsehen da sein und nicht zum Ansehen…

Den originalen Skywatcher Sucherschuh habe ich am Ende noch entfernt, der war überflüssig.

First Light

Mit Spannung hatte ich auf die erste klare Nacht gewartet, nach wenigen Tagen war es soweit und ich hatte Glück, es war eine Nacht mir recht gutem Seeing. Nach etwa 30 Minuten Wartezeit war das Bild am Stern grundsätzlich gut aber wenig überraschend deutlich unruhiger und nicht so ansehnlich wie im 80mm ED.

Intra- und Extra-Fokal fand ich praktisch identische Bilder, kreisrund, innen abgedunkelt aufgrund des Fangspiegels. Keine Hinweise auf Astigmatismus, Verspannungen sph. Abberation waren ad hoc sichtbar. Die Optik scheint somit recht gut zu sein. Dies zeigte sich später auch an dem Vierfachstern ε Lyra bei vergleichenden Beobachtungen 80 mm ED vs. 127 mm MAK.

im 80 mm ED deutlich getrennt mit Zwischenräumen, um jeden Doppelstern ein schwacher umlaufender Beugungsring (analog einer ‚8‘), sehr ruhiges Bild
im 127 mm MAK ebenfalls sauber getrennt aber mit deutlich mehr Zwischenraum, (~ ein Beugungsscheibchen breit), Sterne und Beugungsringe heller als im 80 mm ED, Bild aber auch deutlich unruhiger als im ED.

Vergrößerungen bis 200 (250) fach waren problemlos möglich und zeigten ein subjektiv scharfes Bild, erst bei Vergrößerungen ab 300 fach wurde das Bild zunehmend flau wobei das bei 127 mm Öffnung bereits in dem Bereich der Übervergrößerung fällt. Zudem wird bei sehr hohen Vergrößerungen die (Hauptspiegel-) Fokussierung recht schwierig und eine exakte Fokussierung wird dann zunehmend zu einem Glücksspiel.

Zusammenfassung:
Mechanik und Optik des OTA sind gut, nicht perfekt aber mit Hinblick auf den Preis des OTA sogar richtig gut. Das Bild am Stern ist aber recht lange ziemlich unruhig, hier werden die nächsten Verbesserungen ansetzen.

Grundsätzliche Überlegungen zu Fehlerquellen bei Teleskopen

Vorab vielleicht ein paar grundsätzliche Überlegungen zu möglichen Verbesserungen an industriell gefertigten Teleskopen und den Hintergründen resp. Ursachen für die zuweilen (unerwartet) schlechte Leistung von industriellen Teleskopen unter freien Nachthimmel. Gerade bei Teleskopen mit gefalteten Strahlengängen wie auch bei diesem Maksutov Teleskop kommen zahlreiche mögliche Fehlerquellen zusammen die sich addieren und letztendlich die Abbildungsqualität am Himmel bestimmen. Fehlerquellen sind z.B.

Genauigkeit der optischen Komponenten (Haupt- und Fangspiegel, Meniskuslinse)
Präzision der mechanischen Komponenten, Rohr, Hauptspiegelhalterung
Kollimation der optischen Elemente zueinander und des Okularauszuges
Temperaturbedingte Veränderungen des Kollimationszustandes
Thermisch unterschiedliches Verhalten der verschiedenen verwendeten Materialien (Glas, Metall, Kunststoff)
Thermische Verspannungen an den Kontaktstellen unterschiedlicher Materialien (z.B. Pyrex 3,25 * 10^-6/K und Aluminium mit 23,1 * 10^-6/K unterscheiden sich im Ausdehnungskoeffizienten um den Faktor 7)
Verkippung/Biegesteifigkeit und Lageabhängigkeit des Hauptspiegels resp. der Hauptspiegelhalterung bei Hauptspiegelfokussierung
Konvektionsströmungen im Tubus bei Auskühlung unter freien Nachthimmel
…

Es ist ziemlich offensichtlich bei Betrachtung der o.g. möglichen Fehlerquellen, dass selbst Optiken die unter (kontrollierten) Laborbedingungen ein gutes Bild abgeben unter freien Himmel ganz anders ausschauen können da unter freien Himmel ganz andere Randbedingungen gelten und Einflüsse wirksam werden als im Labor.

Eine Gute Einführung in diese Thematik ist z.B. zu finden in dem Buch von Jean Texereau – How to Make a Telescope, hier speziell in den Kapiteln X und XV.

Eine fundamentale Aussage die sich aus Texereau ergibt ist, dass Teleskope und ihre Bestandteile sich in thermischer Hinsicht nicht anpassen an die Umgebung unter freiem Himmel, es stellt sich kein Temperaturausgleich zw. dem Teleskop und der Umgebung ein.

Warum nicht ?

Dies ist gar nicht möglich da sich ein Teleskop unter dem Nachthimmel in einem thermodynamisch offenen Raum befindet. Ein Temperaturausgleich ist nur in einem abgeschlossenem Raum z.B. in einem Labor möglich wo ein homogenes in jede Richtung gleiches Temperaturfeld vorliegt. Im freien Raum auf der heimischen Wiese unter dem Nachthimmel ist dies nicht möglich. Der nächtliche offene Raum ist weit entfernt von einem thermodynamischen Gleichgewicht. Der Nachthimmel, die Atmosphäre, der Boden verhalten sich hier höchst unterschiedlich und beeinflussen das thermische Verhalten des Teleskops. In Richtung Nachthimmel insbesondere in Zenitnähe haben wir es mit Temperaturen von -30 .. -50 °C zu tun, der offenen Weltraum ist nicht weit vom absoluten Nullpunkt entfernt. Der Boden ist noch aufgeheizt vom vorhergehenden Tag und hat je nach Jahreszeit deutliche Plus-Temperaturen und die Temperatur der Atmosphäre ist vom Erhebungswinkel abhängig, je höher desto kälter.

Wer es nicht glaubt, hier ein paar interessante Links zur Himmelstemperatur :

http://www.wetterwarte-sued.com/v_1_0/aktuelles/himmelstemperatur.php

https://journals.ametsoc.org/doi/full/10.1175/2007JAMC1615.1
(Grafiken am Ende des Artikels)

Dies in Summe führt zu Turbulenzen und Konvektionen im Tubus des Teleskops. Die Luftschichten die sich z.B. unmittelbar unterhalb der Meniskuslinse befinden kühlen sehr schnell sehr stark ab da der Meniskus fast den gesamten Himmel ‚sieht‘, seine Wärme also schnell abstrahlen kann. Bei der geringsten Erschütterung setzen sich diese kalten Luftmassen nun in Bewegung und fallen da schwerer als warme Luft nach unten durch den Tubus auf den Hauptspiegel, durch den Strahlengang hindurch und stören somit signifikant die Abbildungsleistung. Gleiches passiert mit den Luftschichten die sich oben am metallenen Tubus befinden. Metall ist ein sehr guter Wärmeleiter und strahlt wie die Meniskuslinse seine Wärme schnell in den Himmel ab. Die schwarze Lackfarbe die derzeit bei Teleskopen hip ist unterstützt diesen Vorgang leider noch. Die physikalischen Grundlagen die diesen Prozessen zugrunde liegen sind das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz und das Stefan Boltzmann Gesetz, siehe auch z.B.

https://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsches_Strahlungsgesetz

https://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz

Dieser Prozess dauert prinzipiell die ganze Beobachtungszeit an, es findet kein Temperaturausgleich zw. Der Umgebung und dem Teleskop statt, wäre auch schwerlich möglich bei z.B. einer Lufttemperatur von +10°C und einer Temperatur im Zenit von unter -30°C.

Probleme und Verbesserungspotential am Skywatcher MAK

Zurück zu meinem Skywatcher MAK. Die o.g. Punkte berücksichtigt und den MAK näher betrachtet muss man leider sagen, dass die Skywatcher Ingenieure bei dem MAK aus thermischer Hinsicht vieles falsch gemacht haben…

Beginnend mit der Lackfarbe, schwarz. Aus thermischer Sicht geht es nicht schlechter, siehe oben. Die schnelle Wärmeabstrahlung des Tubusmetalls wird durch die schwarze Farbe noch beschleunigt. Die ‚alten‘ Fernrohrbauer des vergangenen Jahrhunderts wussten warum sie üblicherweise Fernrohrtuben weiß lackiert haben und nicht schwarz, dies verhält sich in thermischer Hinsicht viel besser.

Da aber der Außendurchmesser industrieller Fernrohre zudem i.d.R. (zu) knapp bemessen ist kann die weiße Farbe allein nicht allzu viel Verbesserung bringen. Besser ist es hier den Fernrohrtubus zu isolieren wie auf dem Bild unten gezeigt. Dadurch wird die Wärmeabstrahlung des Tubus erheblich reduziert und die Abkühlung von Teilen der Luftmassen im Inneren des Tubus fällt deutlich moderater resp. langsamer aus.

Der nächste Punkt ist die fehlende Taukappe des Skywatchers. Ein Problem aller kommerziellen MAKs und auch SCs (Schmidt-Cassgrain) Teleskope. Die Meniskuslinse ‚sieht‘ ohne Taukappe praktisch den kompletten Himmel und kann in fast jede Richtung ‚optimiert‘ ihre Wärme schnell und effizient abstrahlen, Ergebnis siehe oben.

Was hilft ist den sichtbaren Himmelsausschnitt deutlich zu begrenzen (ohne den effektiven Strahlengang zu vignettieren) durch eine (lange) Taukappe. Und wie der Name bereits sagt, verhindert diese bei korrekter Dimensionierung auch, dass die Meniskuslinse aufgrund der Auskühlung nachts zutaut. Man denke an Autos die nachts draußen stehen. Die Taukappe sollte auf der Innenseite dabei mit schwarzen Velour o.ä. ausgekleidet werden um Reflexionen zu vermeiden, das steigert den Kontrast der Abbildung zusätzlich. Auch hier noch einmal der Hinweis, Fernrohrbauer des vergangenen Jahrhunderts haben z.B. Refraktoren immer mit einer ausreichend langen Taukappe von Werk aus versehen.

Auf dem Bild oben ist der MAK isoliert plus isolierter Taukappe abgebildet.

Die Rückseite des Teleskops muss üblicherweise nicht weiter isoliert werden da diese eher weniger gen Himmel zeigt. Sie schaut i.d.R. zum Boden welcher aus thermischer Sicht noch der eher entspannteste Teil des offenen Raums darstellt.

Mit diesen beiden Maßnahmen, Tubusisolierung und Taukappe ist bereits viel gewonnen. Bei offenen Teleskopen (Newton) würde zusätzlich ein optisches Fenster vorn mit dem der Tubus versiegelt wird helfen, siehe Texereau Kapitel X. Beim MAK (und bei Refraktoren) ist dies nicht mehr notwendig da er bereits eine Meniskuslinse vorn hat.

Und am Himmel ?

Wie erhofft (und erwartet) ergaben sich durch die o.g. Verbesserungen auch Verbesserungen in der Abbildungsqualität, insbesondere wurde das Bild ruhiger, der Kontrast besser. Der kleine ED zeigt allerdings immer noch ein ruhigeres Bild, dies liegt aber nun im wesentlichen in seiner kleineren Öffnung begründet. Kleiner Fernrohröffnungen werden durch Turbulenzen hoch in der Atmosphäre (Seeing) weniger beeinflusst als größere Öffnungen. In diesen Turbulenzen liegt auch der Grund warum das Auflösungsvermögen größerer Teleskope obwohl theoretisch (viel) höher meist nicht besser als 0,5“ bis 1“ ist, je nach Stärke der Turbulenzen.

Und zuguterletzt ?

Noch ein verbesserungswürdiger Punkt war die Staubschutzkappe des Objektives. Diese ließ sich nur schwer entfernen und aufsetzen. Nach einigem Probieren war klar, dass sich die Kappe dem Abziehen aufgrund des dabei entstehenden Unterdrucks unterhalb der Kappe widersetzte. Beim Aufsetzen war es der Überdruck der unterhalb der Kappe entsteht. Die Lösung dieses Problems war trivial, zwei kleine Entlüftungsbohrungen in die Staubschutzkappe.

Fazit

Sofern keine gravierenden Fehler an einem industriellem Teleskop vorliegen, z.B. eine fehlerhafte Optik lassen sich kommerzielle Teleskope auch mit verhältnismäßig wenig Aufwand zum Teil deutlich verbessern. Eher schade ist, dass Fernrohr-Hersteller nicht von vornherein Teleskope, Tuben und Zubehör so entwickeln, dass diese später unter offenem Himmel auch optimal arbeiten. Auf der anderen Seite würde dann der Spaß an der Optimierung dieser eher günstigen Teleskope daheim wegfallen 😉

In diesem Sinne viel Spaß und Erfolg beim Verbessern günstiger kommerzieller Teleskope !