Deutsche Montierung (GEM)

Die Deutsche Montierung ist eine universelle Montierung. Sie kann Teleskope jeden Typs aufnehmen, eignet sich für kurze wie lange Tuben. Prinzipiell hat die Deutsche Montierung diverse Nachteile bei der Stabilität, da sie durch das an der Deklinationsachse angebrachte Gegengewicht schwingungsanfällig ist. Dabei ist es günstiger, ein schweres Gegengewicht am kurzen Hebelarm zu haben als weniger Masse am langen Hebel. Andererseits lässt sich die erforderliche Balance duch ein Gegengewicht auch dafür nützen, um am Ende der Deklinationsstange eine Kamera oder ein kleines Teleskop mit Kamera zu montieren.

Das Teleskop auf einer Deutschen Montierung muss in RA (durch das Gegengewicht) sowie in Dec (durch Verschieben des Tubus) ausbalanciert werden. Eine korrekte Balance ist wichtig für optimales Tracking und auch für ein langes Leben des Antriebs.

Was es bei Einsatz einer Deutschen Montierung auf alle Fälle bedarf, ist die Planung der Beobachtungs- bzw. Fotosession. Die Montierung kann nur einige Winkelgrade über den Himmelsmeridian (Nord-Süd Linie) nachführen, dann muss man den Tubus umschwenken (von West auf Ost oder umgekehrt), weil sonst das Teleskop mit Stativ oder Säule in Konflikt käme, oder in einigen Fällen die Montierung mit sich selbst (z. B. durch ausladende Motorgehäuse).

Deutsche Montierungen gibt es in unterschiedlichen Größen und mit unterschiedlicher Tragkraft, sie reichen von kleinen, mehr an Spielzeug erinnernde Montierungen für kleinste Teleskope bis zu ausgewachsenen Sternwartenmontierungen, die mit sehr schweren und großen Teleskopen zurecht kommen. Bei den teuren Montierungen dieser Bauart darf man auch am ehesten auf einen gut laufenden Antrieb hoffen, der Astrofotografie problemlos ermöglicht.

Neben dem traditionellen Schneckenantrieb, der seine Stärken und eventuell Schwächen hat (nicht notwendigerweise), gibt es in jüngerer Zeit vermehrt Reibradantriebe. Diese Art von Antrieb kennt keinen "periodischen Fehler", der Fehler kommt in aller Regel langsamer und ist in der Amplitude deutlich geringer, und sollte auf diese Weise von einem Autoguider leichter beherrscht werden können. Der Reibradantrieb hat aber auch einen gravierenden Nachteil: Schlupf.

Prinziell lässt sich das Tracking und die Positionierung durch hochauflösende Achs-Encoder überwachen, und in Echtzeit korrigieren. Solche Antriebe sind prinzipiell geeignet, einen so geringen Restfehler aufzuweisen, dass prinzipiell Langszeitbelichtung ohne Guiding möglich ist.

Deutsche Montieungen eignen sich für Standorte von niedrigen bis zu hohen geografischen Breiten, optimale Stabilität ergibt sich für mittlere Breiten. Meist sind konstruktiv Limits gesetzt, die von Montierung zu Montierung unterschiedlich ausfallen.

Wichtig ist ein stabiler Unterbau. Dies wird häufig unterschätzt. Die Stabilität des Gesamtsystems ergibt sich aus Stativ, Montierung und Teleskopaufsattlung. Wenn es irgendwo in dieser "Kette" einen Schwachpunkt gibt, Unterdimensionierung ist leider meist der Fall, wird der Aufbau schwingungsanfällig. Man denke auch daran, dass es nicht immer windstill ist...

Gabelmontierung (Fork Mount)

Gabelmontierungen sind immer auf das aufzunehmende Teleskop ausgelegt (man kann also nicht nach Belieben ein anderes Teleskop einsetzen). Sie eignen sich speziell für kurzbauende Teleskoptypen, das sind allgemein jene mit Cassegrain Strahlengang. Was dabei beachtet werden sollte: Das Instrument muss in speziellen Fällen durch die Gabel durchschwingen können, das kann mit entsprechend ausladendem Zubehör eventuell problematisch werden.

Im parallaktischen Betrieb kann die Gabelmontierung vom Anwender nicht in RA ausbalanciert werden. Das Übergewicht der Gabel mit dem Instrument muss durch die Basis, in der die Gabel rotiert, aufgenommen werden. Entsprechend kräftig dimensioniert muss diese Basis ausfallen (im azimutalen Betrieb ist dies wiederum unkritisch). Für die Balance in Dec kann man ein Instrument auch nicht einfach verschieben. Wenn schweres Zubehör an das Instrumemt angeflanscht wird, sind Tariergewichte erforderlich, um den Dec Antrieb (bzw. Höhenantrieb im azimutalen Betrieb) der Montierung nicht zu überlasten.

Prinzipiell ist die Gabelmontierung mit ihren mehr oder weniger langen Gabelarmen anfällig für Schwingungen. Speziell bei transportablen Geräten würde die Gabel für größere Optiken zu schwer, daher wird hier ein Kompromiss auf Kosten der Stabilität eingegangen. Solange ein Instrument in einer Gabel azimutal betrieben wird, dabei wirkt die Schwerkraf senkrecht auf die Basis, ist dies kein so großes Problem. Parallaktisch gabelmontierte Instrumente sind eher etwas für den fixen Sternwartenbetrieb. Dabei kann die Gabel und die Basis der Montierung entsprechend kräftig ausgeführt werden. Bei transportablen Instrumenten sollte man sich im parallaktischen Betrieb auf max. 10" Öffnung beschränken. Speziell bei der fotografischen Langzeitbelichtung kommen zu schwache Gabeln rasch an ihren Grenzen, zumal die Montierung auch Windlast wegstecken können muss ohne in Schwingung zu geraten.

Der große Vorteil der Gabelmontierung liegt darin, dass man ein Objekt von Horizont zu Horizont über den ganzen Himmel verfolgen kann, ohne das Instrument umschlagen zu müssen. Damit gibt es keine Unterbrechung bei der fotografischen Arbeit wenn der Meridian überschritten wird. Diese Eigenschaft macht Gabelmontierungen auch für das Tracking von Satelliten interessant.

Für den Antrieb gilt im Prinzip das, was bei der Deutschen Montierung schon gesagt wurde. Mit einem Vorteil für die Gabelmontierung, dass speziell das Schneckenrad in RA ausreichend groß ausgeführt werden kann. Damit wäre eine Grundvoraussetzung für gute Tracking Performance prinzipiell gegeben. Ob das im Detail vom Hersteller so genützt wird, liegt von Fall zu Fall verschieden.

Gabelmontierungen im parallaktischen Einsatz eignen sich für Standorte von mittleren bis zu hohen geografischen Breiten. Wenn die Gabel zu flach liegt (niedrige Breiten) wird die Stabilität stark beeinträchtigt.

Montierung: azimutal versus parallaktisch

Prinzipiell unterscheiden wir zwischen azimutalen Montierungen und parallaktischen Montierungen (auch äquatoriale Montierungen genannt).

Azimutale Montierungen lassen sich in der Horizontalen (Azimut) drehen und in Höhe auf und ab schwenken. Damit sind sie gut für terristrische Beobachtungen geeignet. Jedoch sind azimutale Montierungen auch für astronomische Zwecke weit verbreitet. Prinzipiell ist mit diesem Montierungstyp jeder Punkt am Himmel erreichbar.

Jedoch muss ein azimutal montiertes Teleskop (von einigen Spezialfällen abgesehen) immer in beiden Achsen bewegt werden, um ein Himmelsobjekt im Blickfeld zu halten. Ein weiterer Effekt ist die Bildfeld Drehung. Folgt man einem Beobachtungsobjekt, das seinen Bogen über den Himmel zieht, über länger Zeit hinweg, wird man merken, dass sich das Bildfeld langsam dreht.

Aus diesem Grund ist eine azimutale Montierung, selbst wenn beide Achsen motorisch und Computer-gesteuert nachgeführt werden, für astrofotografische Zwecke so gut wie unbrauchbar. Bildfeld Derotatoren, die die Drehung des Bildfeldes kompensieren, haben sich in der Amateurszene nicht in der Breite etabliert, obwohl sie da oder dort sicher im Einsatz sind. Profiteleskope werden heute ja auch ausschließlich azimutal montiert und mit Bildfeld Derotatoren betrieben. Es kommt hierbei auf exrem genaue und spiel- wie verkippungsfreie Ausführung an, was die Sache entsprechend teuer macht.

Ein typischer Vertreter der azimutalen Montierung ist das Dobson Teleskop. Auch Gabel montierte Schmidt-Cassegrain Teleskope werden heute fast ausschließlich in azimutaler Form angeboten.

Bei parallaktischen Montierungen ist eine Achse parallel zur Erdachse ausgerichtet (per Definition - in der Praxis gelingt nur eine mehr oder weniger gute Annäherung), die zweite Achse im rechten Winkel dazu. Auch so lässt sich jeder Punkt am Himmel erreichen (abgesehen von einigen Sondertypen, bei denen der Himmelspol und der Bereich um den Himmelspol nicht oder nur unvollständig zugänglich sind). Bei solcherart parallaktisch montierten Teleskopen reicht es, das Teleskop um die Polachse zu drehen, um einem Objekt im Laufe der Nacht zu folgen. Vielfach wird die Polachse (auch RA-Achse oder Stundenachse genannt) motorisch angetrieben. Während der Nachführung tritt keine Bilddrehung auf. Damit ist eine grundsätzliche Voraussetzung für astrofotografische Langzeitbelichtungen gegeben.

Beide Montierungstypen haben naturgemäß ihre Positionierungsschwäche im Bereich des "Montierungspols". Das ist bei azimutalen Montierungen der Zenit, bei parallaktischen Montierungen der Himmelspol. Dabei muss ein Teleskop stark in der "Polachse" gedreht werden, was speziell bei einer manuellen Positionierung via Sucherfernrohr Schwierigkeiten bereitet.

Beide Arten von Montierung sind Go-To fähig. Sofern beide Achsen der Montierung motorisiert sind, die Montierungen entsprechend ausgerichtet sind, können per Steuerung Objekte automatisch angefahren werden. Dies bedingt freilich eine Initialisierung der Steuerung (Datum, Uhrzeit, Zeitzone, Standort) sowie eine Aufsynchronisierung auf den Himmel (Alignment genannt), mit dem Ungenauigkeiten der Aufstellung sowie der Initialisierungsdaten eliminiert werden.

Parallaktische Montierungen gibt es in verschiedenen Bauarten. Die bekanntesten und heute gebräuchlichsten sind die sog. Deutsche Montierung und die Gabelmontierung.

Weitere Montierungsformen

Eine Variante der Deutschen Montierung ist die Knicksäulenmontierung. Hier ist die Säule in Richtung Himmelspol abgeknickt, die RA Achse bildet die Verlängerung der Knicksäule. Damit kann das Teleskop "unten durch" schwenken und muss nicht umgeschlagen werden. Leicht verständlich gibt es die Knicksäulenmontierung nicht in mobiler Ausführung. Sie wird auch heute kaum mehr ausgeführt.

Die Englische Achsenmontierung ist praktisch nur bei historischen Instrumenten anzutreffen. Es ist auch keine mobile Montierung. Eine lange und deshalb stabil ausgeführte Polachse ist auf zwei Pfeilern gelagert. Die Deklinationsachse ist sehr kurz, und liegt in der Mitte der Polachse. Das Teleskop ist rechtwinkling zur Deklinationsachse angebracht und auf der anderen Seite durch ein an einer kurzen Verlängerung der Deklinationsachse sitzendes Gegengewicht balanciert.

Eine Variante ist die Englische Rahmenmontierung. Wie bei der beschriebenen englischen Achsenmontierung ist die RA Achse auf Pfeilern gelagert, bildet jedoch einen geschlossenen rechteckigen Rahmen. Das Teleskop ist in diesem Rahmen drehbar gelagert. Diese Form kommt ohne Gegengewicht zur Balance aus. Nachteil: Der Himmelspol ist nicht zugänglich.

Aus der Rahmenmontierung ist die Hufeisenmontierung hervorgegangen. Hier ist der obere Teil des Rahmens offen, zu einem Hufeisen ausgebildet. Damit kann das Teleskop den Himmelspol erreichen. Ein bekanntes Beispiel ist das 5m Hale Teleskop auf dem Mt. Palomar. Auch die Hufeisenmontierung kommt ohne Balancegewichte aus. Die Hufeisenmontierung ist im heutigen Fachmarkt kaum anzutreffen, wird ab und zu als Selbstbauprojekt ausgeführt. Newton Teleskope eignen sich besonders dafür.  Die Hufeisenmontierung kann auf diese Weise auch mobil eingesetzt werden.

Das parallaktische Pult, auch Barndoor Mount gennant, wird verwendet, um Kameras parallaktisch zu montieren. Im Prinzip sind es zwei Bretter die an einer Seite durch ein Scharnier verbunden sind. Dieses Scharnier bildet die RA Achse. Die Kamera sitzt auf dem oberen Brett, das über eine Spindel, meist motorisch angetrieben, in Sterngeschwindigekeit "aufgeklappt" wird. Die Nachführzeit ist damit begrenzt, aber es reicht für Astrofotografie mit Kameras und Objektiven moderater Brennweite. Dieser Montierungstyp ist sehr mobil einsetzbar, und wird als Selbstbauprojekt hergestellt. Die Barndoor Mount sitzt meist auf einem stabilen Fotostativ. Eine Vorrichtung zur Ausrichtung der Scharnierachse auf den Himmelspol ist notwendig.

Eine weitere Form der parallaktischen Montierung ist die Dobson Plattform. Obwohl auf das erste Hinsehen nur zwei "übereinander montierte Bretter" zu sehen sind, verbirgt sich darin eine virtuelle Polachse. Das obere Brett kann ein paar Grad nach Ost und West gekippt werden. Damit ist eine Stunde lang Nachführung möglich, bevor die Plattform wieder auf die Oststellung rückgesetzt werden muss. Ein Dobson Teleskop ist auf diese Weise parallaktisch montiert, obwohl es auf der Plattform stehend einfach frei geschwenkt werden kann. In jeder Stellung sobald man das Teleskop auslässt, wird sofort nachgeführt. Die Nachführung erfolgt ohne Felddrehung, somit ist theoretisch Astrofotografie möglich. Die Balance Probleme des Dobsons muss man natürlich in Griff bekommen wenn man eine Kamera anschließt, und die Dobson Plattform muss ein elaboriertes Werk sein, mit Nocken für Korrekturen in Deklintation, ausreichend fein laufendem Antrieb und Autoguider Eingang. Auf diese Weise ist es prinzipiell möglich, mit großen Newton Teleskopen (Dobson) zu fotografieren.

 

Montierungsantriebe

Der klassische Weg eine Teleskop Montierung anzutreiben ist das Schneckengetriebe. An der Achse sitzt das Schneckenrad, es wird von der Schnecke angetrieben. Dieses Getriebe ist selbsthemmend, man kann zwar mit der Schnecke das Schneckenrad bewegen, aber nicht umgekehrt.

Einst dienten Uhrwerke als Nachführungen. Bei kleinen und billigen Montierungen hat man einfach einen Drehknopf oder eine biegsame Welle, die per Hand gedreht wird. Dadurch hat man eine Feinbewegung und die Möglichkeit händisch die Nachführung zu erledigen.

Die einfachsten motorischen Nachführungen verwenden billige Schrittmotoren. Statt einer manuellen Nachführung übernimmt dies der Motor. Mittels eines simplen Steuergeräts hat man zwei oder drei Geschwindigkeiten zur motorischen Feinverstellung.

Die höchste Ausbaustufe stellen sog. Goto Antriebe dar, die über Schrittmotoren oder Servomotoren verfügen. Diese Mototen müssen auf jeden Fall einen Schnelllauf ermöglichen um das Teleskop im Schnellgang mehrere Grad pro Sekunde bewegen zu können.

Üblicherweise verfügen Montierungsantriebe über weitere Untersetzungsgetriebe, um dem Motor eine ausreichende Drehzahl bei der Nachführung zu ermöglichen. Eine Schneckenumdrehung dauert nämlich mehrere Minuten.

In jüngster Zeit sind Reibrad Antriebe keine Seltenheit mehr. Im Gegensatz zu Schneckengetrieben gibt es keinen "periodischen Fehler". Reibrad Antriebe weisen meist einen sehr geringen Nachführfehler auf. Sie sind aber nicht vor Schlupf gefeit. Daher ist ein Betrieb ohne Achsencoder eher nicht angebracht. Ein Achsencoder erkennt die tatsächliche Drehbewegung der Achse, Windlast kann diesen Antrieb ebenfalls zum Durchrutschen bringen.

Die höchste Form an Gleichlauf erzielt man, egal welches Antriebskonzept man verfolgt, mittels Gleichlaufkontrolle via hochauflösendem Achsencoder.  Damit lässt sich der Nachführfehler bis auf wenige Bogensekunden drücken, dass er de facto im Bereich der Seeing Schwankungen liegt. Um hochfrequente Fehler, die durch Übersetzungsgetriebe hervorgerufen werden könnten zu vermeiden, werden in solchen Fällen meist Direktantriebe eingesetzt. Durch diese Maßnahmen sind solche Montierungen recht teuer.

Ein weiterer Weg den Fehler von Übersetzungsgetrieben auszuschalten ist die Verwendung einer Zahnriemenübertragung.

Wird der ganze Antrieb mit allen Untersetzungstufen per Zahnriemen ausgeführt, kann dadurch ein sehr geringer Nachführfehler entstehen. Jedoch sind die Zahnriemen elastisch, was ein Aufschwingen bei Windlast zur Folge haben kann.

Aus unserer Sicht ist die beste und günstigste Lösung ein gut laufendes Schneckengetriebe, das von einem Autoguider leicht beherrscht werden kann.