Elektro-Dokumentation für die fliegende Sternwarte

Das Forschungsflugzeug Sofia ermöglicht seit acht Jahren eine intensive Beobachtung des Weltalls durch die Aufzeichnung von Infrarotstrahlung. Die komplexe Elektrotechnik des einzigartigen Teleskops wurde bislang noch in Papierform und PDF-Dateien vorgehalten. Nun nutzt das Team des Deutschen Sofia-Instituts (DSI) der Universität Stuttgart eine Eplan-Lösung zur Elektrodokumentation, die auf die Anforderungen der astronomischen Grundlagenforschung zugeschnitten ist.

05. April 2019
Elektro-Dokumentation für die fliegende Sternwarte
Sofia während eines Testflugs mit geöffneter Luke. (Bild: NASA / DLR)

Von oben sieht man besser: Dieser Grundsatz gilt auch für die Astronomie. Wer das Weltall im Infraroten erforschen will, wird von der Erde aus wenige Erkenntnisse gewinnen, weil die Infrarotstrahlen nicht durch den Wasserdampf in der Erdatmosphäre dringen.

Deshalb haben die Nasa und das DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) schon 2010 die derzeit weltweit einzige »fliegende Sternwarte« in Betrieb genommen. In eine Boeing 747 SP wurde ein 17 Tonnen schweres Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 2,70 Metern eingebaut, das auf einer Flughöhe von 13 bis 14 Kilometern tiefe Einblicke in die Entstehung von Sternen und Planetensystemen erlaubt.

Das Flugzeug mit dem Namen Sofia (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) startet mehrmals die Woche von Palmdale/Kalifornien zu Forschungsflügen. Die Wissenschaftler fliegen mit und haben u.a. schon mehrere bislang unbekannte Moleküle nachgewiesen und die Entstehung von Sternen im Detail untersuchen können.

Für die Grundlagenforschung ist das zum Beispiel deshalb wichtig, weil bei den extrem energiereichen Reaktionen der »Sternengeburt« die Verschmelzung von Atomkernen stattfindet, wodurch neue, höherwertige Elemente entstehen. Aus Wasserstoff und Helium werden durch Kernfusion neue bzw. andere Atome wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Metalle.

Exakte Arbeitsteilung

Beim Betrieb von Sofia gilt strikte Arbeitsteilung. Für Flug und Flugzeug ist die Nasa / USRA zuständig. Der wissenschaftliche Betrieb wird vom Sofia Science Mission Operation Center (SMO) am Nasa Ames Research Center (Mountainview, Kalifornien) durchgeführt. Die Weiterentwicklung und Wartung des Teleskops liegt in der Verantwortung des DSI. Diese Aufgabenteilung ist folgerichtig, weil das Teleskop in Deutschland gefertigt wurde und beispielsweise wegen seiner hydrostatischen Lagerung und des Spiegels aus Zerodur eine echte Ingenieursmeisterleistung des Maschinen- und Gerätebaus ist. Es kann auf 0,2 Bogensekunden genau ausgerichtet werden und ist so präzise gelagert, dass diese ca. 8 Tonnen Gewicht – wenn die Bremsen gelöst sind – mit einem Finger in drei Dimensionen bewegt werden können. Um eine Idee von der Genauigkeit von 0,2 Bogensekunden zu bekommen, kann man sich vorstellen, dass es dem Teleskop gelingen würde, mit einem Laser aus dem fliegenden Flugzeug heraus eine 16 Kilometer entfernte 1-Cent-Münze anzupeilen – das Ganze bei 800 km/h Fluggeschwindigkeit – während sich das Teleskop sinngemäß in einem Hurrikan befindet.

Der Großteil der rund 50 DSI-Mitarbeiter hat seinen Arbeitsplatz am Nasa Armstrong Flight Research Center in Palmdale und erledigt dort nicht nur die Weiterentwicklung und Wartungsarbeiten, sondern unterstützt die Kampagnen im Mitflug und bereitet neue Forschungsflüge vor. Dazu gehört unter anderem die Teleskopkonfigurationsanpassung eines von insgesamt sechs wissenschaftlichen Instrumenten mit unterschiedlichen Detektoren für verschiedene Wellenbereiche, welche jeweils die vom Teleskop empfangenen Signale aufnehmen.

Das Team in Palmdale wird sofort aktiv, wenn ein Defekt oder nur eine Unregelmäßigkeit am Teleskop auftritt. Betraf der Defekt die Teleskopelektronik, mussten früher ausgedruckte Schaltpläne eingesehen werden, die in einer ganzen Ordnerwand verteilt waren. Simon Beckmann, mitverantwortlich für die Teleskopelektronik: »Bei der Entwicklung der einzelnen Teleskopsysteme vor rund zwanzig Jahren waren viele Spezialbetriebe beteiligt, die unterschiedliche ECAD-Systeme nutzten. Deshalb wurde die komplette Elektro-Dokumentation in teilweise unterschiedlichster Form in pdf-Dateien ausgeliefert. Das war immer eine Herausforderung, bei der Fehlersuche nicht die Übersicht zu verlieren.«

Wunsch nach einheitlicher, CAD-gestützter Dokumentation

Das war seinerzeit vielleicht eine pragmatische, aber zumindest aus heutiger Sicht keine zukunftsgerichtete Lösung, denn Änderungsdienst und Revisionsverwaltung erforderten hohen Aufwand. Und da Sofia noch bis zum Jahr 2034 auf Forschungsflüge gehen soll, entschieden die Verantwortlichen des DSI, die gesamte Elektrodokumentation auf eine einheitliche Datenbasis umzustellen. Dieses Projekt übernahm Simon Beckmann, der als Luftfahrtelektroniker zuvor mehrere Jahre in Palmdale tätig war und das einzigartige Teleskop daher bestens kennt.

Die am Anfang des Projektes durchgeführte Marktrecherche führte zu einem eindeutigen Ergebnis. Die Verantwortlichen stellten fest, dass Eplan die im Vorfeld gestellten, sehr speziellen Anforderungen am besten erfüllt, obwohl das System in der Luft- und Raumfahrt nicht sehr stark vertreten ist. Das gewünschte Grundkonzept – so Beckmann – bestand darin, ein DSI-spezifisches ECAD-System mit drei gleich starken Säulen aufzubauen.

Deshalb handelt es sich bei der eingesetzten Lösung auf Basis von Eplan Electric P8 nicht um eine Standardversion. Vielmehr wurde die Software umfassend an den besonderen Einsatzfall angepasst. Hierzu wurde die TPO Engineering Services GmbH in Crailsheim beauftragt, die nicht nur die Umsetzung von heterogenen Konstruktionsdaten in eine einheitliche Eplan Dokumentation, sondern auch die Spezialwünsche und das Anforderungsprofil erfüllte. »Die Mitarbeiter von TPO haben wirklich außerordentlich gute Arbeit geleistet«, so Beckmann.

Auf drei Säulen: Maßgeschneidertes System

Das erste der drei auf Eplan basierenden Tools mit der Bezeichnung DSI Engineering wird dazu genutzt, elektrische und elektronische Bauteile des Teleskopsystems sowie der Testausrüstung zu ändern oder neu zu konstruieren. Wesentliche Arbeitsgrundlagen hierfür sind der einheitliche Strukturaufbau, die Einführung von Makrofunktionen und die Entwicklung individueller Templates. Weiter gibt es eine eigene, Sofia-spezifische Symbolbibliothek, so dass DSI Engineering beauftragte Industrieunternehmen oder Studierende im Rahmen ihrer Bachelor-/ Masterarbeiten Kabel-, Stecker- oder Verbindungslisten sozusagen aus einer Hand umsetzen.

ECAD-basierte Wartung und Instandhaltung

Die zweite Säule bildet das Tool »DSI Wartung und Instandhaltung«. In seinem Zentrum steht das »Harness Master Diagram« (HMD) als Übersichtsschaltplan für das gesamte Teleskop. Simon Beckmann: »Die Eplan Schaltplandokumente liefern – basierend auf dem HMD – eine effiziente Sprungfunktion. So geht trotz der sehr komplexen Elektrotechnik und mehr als 2000 Schaltplanseiten bei der Fehlersuche nicht der Überblick verloren und alle DSI Ingenieure und Techniker haben mit dem Eplan Viewer per Mausklick stets direkten Zugriff auf die Detailzeichnungen, Kabelzeichnungen, Steckerkontaktbelegung und Datenblätter der einzelnen Bauteile«. Außerdem wurde trotz des immensen Detailreichtums auch bewusst Komplexität reduziert. Der Grund: Die meisten Eplan Nutzer des DSI arbeiten nicht tagtäglich mit der Software, die deshalb intuitiv nutzbar sein soll. Zahlreiche nützliche Funktionen wurden realisiert. Wird zum Beispiel eine defekte Recheneinheit durch eine neue Unit ausgetauscht, sorgt das Eplan Optionsmodul dafür, dass sich im Hintergrund die Schaltpläne und die dazugehörige Dokumentation aktualisieren.

Nachweis des aktuellen Dokumentationsstands ist Pflicht in der Luft- und Raumfahrt

Die dritte Eplan Säule mit der Bezeichnung »Qualitätssicherung« ist der Dokumentationsnachweis für die gesamte Teleskopverkabelung. Warum das Eplan Optionsmodul so wichtig ist, erläutert Beckmann: »Im Auslieferungszustand des Teleskops gab es keine Ersatz-Units. Diese entwickeln und fertigen wir gerade intern im DSI nach oder lassen sie von den Herstellern nachbauen. Da die Technik sich stark verändert hat, fließen natürlich Verbesserungen in die Nachbauten. Deshalb haben die Ersatz-Units zwar das gleiche Interface zum Teleskop, sind aber intern ganz anders aufgebaut. Durch das Optionsmodul ist gewährleistet, dass das DSI Team im Fehlerfall schnell handeln kann und Sofia immer mit dem aktuellen Dokumentationsstand zur nächsten Mission abhebt«. Zudem dient diese Basis unter anderem zur Freigabe der Lufttüchtigkeit und zur Überwachung der Revisionsverwaltung.

Kleinarbeit: Unterschiedliche Dokumentationen vereinheitlicht

Bei der Einführung der Software stand das Sofia-Team vor der Herausforderung, dass die Zulieferer der Teleskopkomponenten seinerzeit sehr unterschiedliche Dokumente und Schaltplanumsetzungen geliefert hatten. Beckmann: »Wir konnten die Dokumente nicht einfach 1:1 übernehmen. Jedes Dokument musste angepasst und teilweise neu in der Struktur zugeordnet werden. Teilweise fehlten auch Dokumente oder sie waren nicht eindeutig dargestellt, sodass wir die Systemfunktionen überprüfen und bei Unklarheit die Kollegen in Kalifornien während der Wartungsarbeiten nachmessen mussten«.

Die Möglichkeiten von Eplan intensiv genutzt

Für Beckmann war das achtzehn Monate dauernde Projekt der Überführung einer sehr komplexen Dokumentation in Eplan eine starke Teamleistung, in der alle Beteiligten viel Leidenschaft und Ausdauer eingesetzt haben: »Mit unseren sehr speziellen Anforderungen reizen wir wohl 90% aller Eplan Funktionen aus. Dabei haben wir häufig Rücksprache mit dem Anbieter gehalten und wurden gut unterstützt. Manches konnten wir mit Blockeigenschaften lösen, manchmal war auch die Zeit unser Freund und es gab eine neue Version mit der gewünschten Funktion. Insgesamt sind mehr als 50 Eplan Blockeigenschaften für das Projekt programmiert worden und selbst Eplan Mitarbeiter haben der Umsetzung großen Respekt gezollt. Darauf sind wir stolz«.

Gut vorbereitet auf die nächsten 15 Jahre

Mit der neuen und vereinheitlichen ECAD-Dokumentation auf Eplan Basis fühlen sich die Verantwortlichen gut vorbereitet für künftige Arbeiten am Teleskop von Sofia und erst recht für die rasche Fehlersuche bei Unregelmäßigkeiten. Die Übertragung der Daten in Eplan ist abgeschlossen, es gibt nur noch einen gemeinsamen und immer aktuellen Datenstand und die DSI-Mitarbeiter können sich schnellstmöglich in jedes elektrotechnische Detail des Teleskops „hineinzoomen“. Der Nachbau einzelner Units auf der Basis der Eplan Daten (und somit auch die Änderung der Dokumentation aufgrund von neuen Bauteilen) wurde bislang noch nicht erprobt – einfach, weil kein Bauteil defekt war. Dieser letzte Praxistest wird aber mit Sicherheit früher oder später eintreten. Schließlich wird Sofia noch fünfzehn Jahre lang Forschungsflüge durchführen und Erkenntnisse beispielsweise über die Geburt neuer Sterne gewinnen.

Sofia: Internationales Gemeinschaftsprojekt der Grundlagenforschung

Grundlagenforschung ist – auch wegen des hohen Aufwandes – zumeist ein Gemeinschaftsprojekt. Das gilt auch für Sofia. Betreiber des „Stratosphären Observatoriums Für Infrarot Astronomie“ sind das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und die NASA. In Deutschland bringen Bund, Land (Baden-Württemberg) und die Universität Stuttgart Mittel für Sofia auf. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen Sofia Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Das Flugzeug, ein umgebauter »Jumbo-Jet« Boeing 747 SP (das ist die verkürzte Version mit erhöhter Reichweite), startete erstmals 2010. Bei jedem Flug werden unterschiedliche Forschungsprojekte durchgeführt, die bislang zu wesentlichen Erkenntnissen auf ganz unterschiedlichen Gebieten der Astronomie geführt haben.

Observatorium, Flugzeug oder Satellit?

Die großen stationären Observatorien z.B. in der Atacama-Wüste nutzen ebenfalls Infrarot-Teleskopie. Bodengebundene Teleskope können jedoch wegen des Wasserdampfs in der Erdatmosphäre im nahen und mittleren infraroten Bereich nur sehr eingeschränkt und im fernen gar nichts sehen, weil infrarotes Licht nicht durch Wasserdampf kommt. Deshalb fliegt Sofia darüber – in einer Höhe von 12 – 14 km. Ein Satellit kann ähnlich weit ins Weltall „hineinschauen“ wie Sofia, hat aber den Nachteil, dass seine Lebensdauer begrenzt ist, weil beispielsweise der Helium-Vorrat für die Kühlung der Kameras aufgebraucht ist. Außerdem können die Sofia Projektpartner das »fliegende Observatorium« immer wieder mit neuen Detektoren, Kameras etc. ausstatten und sich somit neue Forschungsziele setzen. Daraus erklärt sich die im Vergleich zu einem Satelliten erheblich längere Betriebsdauer von Sofia – ein Beispiel für nachhaltige Grundlagenforschung.

Über Sofia

Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen Sofia Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.