Faserverbund für Radioteleskope: wenn die Oberflächengenauigkeit zum Funkkennwert wird

Das Square Kilometre Array (SKA) wird aus zwei Teleskopen bestehen: SKA-Mid mit 197 Parabolantennen in Südafrika und SKA-Low mit 131.072 log-periodischen Antennen in 512 Stationen in Westaustralien. Das ist der Endausbau, den das Observatorium als Ziel führt; gebaut wird in Stufen, 2025 standen sieben SKA-Mid-Antennen in der Karoo. Für den Faserverbund sind die Parabolantennen der interessante Teil, und daran ein Punkt: Die gekrümmte Fläche ist nicht die Verpackung des Bauteils, sie ist das Bauteil. Wie genau sie getroffen wird, lässt sich unmittelbar in verlorene Empfindlichkeit umrechnen.

Wie viel Abweichung eine Antenne erlaubt

Den Zusammenhang beschreibt seit John Ruzes Arbeit von 1952 die nach ihm benannte Gleichung: Der Gewinn einer Reflektorantenne sinkt exponentiell mit dem Quadrat des Verhältnisses aus quadratisch gemitteltem Flächenfehler (RMS) und Wellenlänge – dieselbe Abweichung ist bei langen Wellen belanglos, bei kurzen ruinös. Daraus ist ein Faustwert geworden: Bei einem RMS-Fehler von einem Sechzehntel der Wellenlänge fällt der zugehörige Wirkungsgrad auf 0,54, was als nutzbare obere Frequenzgrenze gilt. Für das Very Large Array (rund 400 Mikrometer RMS) liegt sie bei 47 Gigahertz, für ALMA (rund 20 Mikrometer) bei 940 Gigahertz.

SKA-Mid in der südafrikanischen Karoo arbeitet nach Angaben des SKA-Observatoriums von 350 Megahertz bis 15,4 Gigahertz, angestrebt sind 24 Gigahertz. Dort beträgt die Wellenlänge rund 12,5 Millimeter, ein Sechzehntel davon rund 0,8 Millimeter. Das ist das gesamte Fehlerbudget der Fläche, aufzuteilen auf Hauptreflektor, Subreflektor, Ausrichtung, Schwerkraft, Wind und Temperatur. Wie das Observatorium diese Anteile im Einzelnen bemisst, ist nicht veröffentlicht – die Gegenüberstellung hier ordnet nur Größenordnungen ein. Wer dieser Quelle folgt, stößt dort auf eine viel engere Zahl: 0,010 bis 0,030 Millimeter mittlere Oberflächengenauigkeit. Sie steht unmittelbar hinter dem Satz über die einzelnen, je drei Meter großen Paneele, während dieselbe Seite für die Justage der 66 Paneele zur fertigen Fläche Genauigkeit im Submillimeterbereich verlangt. Ausdrücklich zugeordnet wird die engere Zahl nicht; alles spricht dafür, dass sie das einzelne Paneel meint und nicht die gefügte Fläche – genau die Unterscheidung, um die es weiter unten geht. Vor diesem Hintergrund bekommt die Herstellerangabe zum Subreflektor ihr Gewicht: ein Gesamt-RMS unter 0,2 Millimetern.

Der Fall: 4,5 Meter aus über hundert Einzelteilen

Beim SKA-Mid-Teleskop bauen die spanischen Unternehmen Eosol und Compoxi den Subreflektor – den kleineren Spiegel, der das vom Hauptreflektor gesammelte Signal zum Empfänger umlenkt. Jeder ist eine rund 4,5 Meter große Composite-Struktur aus über hundert Einzelteilen, darunter sechs Hauptpaneele und drei Erweiterungen, und wird metallisiert, um die geforderten elektromagnetischen Eigenschaften zu erreichen. Die Mitteilung zum Designreview vom Juni 2025 nennt 45 Stück, die Mitteilung zum Erstmuster vom Juni 2026 spricht von 44 Einheiten in Serie.

Dazu nennt Eosol eine Reflektivität über 99,9 Prozent und 50 Jahre ausgelegte Lebensdauer im rauen Klima der Karoo. Gefertigt wird in Compoxis Werk in Girona, das nach Unternehmensangaben zwei Reinräume, einen großen Autoklaven, eine Lackierkabine und ein Messlabor umfasst – eine Liste, die das Verfahren mitbeschreibt.

Aufschlussreich ist die Arbeitsteilung. Der Hauptreflektor folgt dem 2016 ausgewählten Konzept „Panel, Space-frame supported Metal“ – Metallpaneele auf einem Raumfachwerk, entwickelt von JLRAT/CETC-54 mit dem Mainzer Partner MT Mechatronics. Bewertet wurde unter anderem nach Oberflächengenauigkeit, Fertigbarkeit vor Ort und Langzeitstabilität; unterlegen war ausgerechnet ein Faserverbundentwurf, die einschalige, am Rand abgestützte Composite-Bauweise unter Führung des kanadischen National Research Council. Die 15-Meter-Fläche besteht aus 66 einzeln justierten Paneelen; die gesamte Antennenstruktur ist nach Angabe des Observatoriums über 22 Meter hoch und wiegt über 50 Tonnen. Faserverbund sitzt am Ende im Subreflektor, der außerhalb der Mitte zum unteren Rand der Schüssel hin versetzt ist – konstruktiv gilt: Was dort sitzt, belastet die tragende Struktur mit.

Wärmedehnung der fertigen Struktur

Die 50 Jahre sind der eigentliche Anspruch. Eine Antenne im Freien durchläuft täglich einen Temperaturzyklus, über die Betriebsdauer Zehntausende, und jede Materialpaarung antwortet mit einer anderen Längenänderung. Das ist etwas anderes als der Reaktionsschwund beim Aushärten, den Schwund und Maßhaltigkeit behandelt: Diese Verformung wiederholt sich und muss jedes Mal klein und reversibel bleiben.

Faserverbund hat dafür einen Hebel, den ein homogener Werkstoff nicht bietet: einen über den Lagenaufbau einstellbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Kohlenstofffasern dehnen sich in Faserrichtung kaum aus und verhalten sich leicht negativ – Richtwert auf der Seite zur HT-Carbonfaser –, während jede Harzmatrix sich deutlich positiv ausdehnt. Im passenden Verhältnis heben sich beide Anteile über einen weiten Temperaturbereich weitgehend auf; deutsche Hersteller von Präzisionsbauteilen nennen das Temperaturinvarianz. Metalle mit sehr kleiner Dehnung gibt es zwar auch, Invar ist das bekannte Beispiel – nur liegt ihr Wert fest, während er beim Laminat Teil des Entwurfs ist.

• Richtungsabhängig: Nahe null liegt die Dehnung nur längs der Faser, quer dazu bestimmt das Harz. Eine gekrümmte Fläche verlangt deshalb einen Aufbau mit allen Richtungen – quasi-isotrop ist der übliche Kompromiss.
• Symmetriepflicht: Ein unsymmetrischer Aufbau wirkt bei Temperaturwechsel wie ein Bimetall – im Sandwich auch über die Paarung aus Deckschichten, Kern und Klebschicht.
• Werkstoffgrenze: E-Glas liegt als Richtwert bei rund 5 × 10⁻⁶ pro Kelvin und damit klar im Positiven, wie die Seite zu E-Glas zeigt. Eine Glasfaserfläche folgt der Temperatur – wann sich der Wechsel lohnt, klärt GFK oder CFK.

Nicht gemeint ist damit die Wärmedehnung des Werkzeugs gegenüber dem Bauteil im heißen Prozess – Invar, Tooling Board, Aluminium. Das ist eine eigene Frage und steht im Vergleich der Werkzeugmaterialien.

Segmentieren und fügen: wo die Genauigkeit verloren geht

Wie viel Bauteilgenauigkeit auf der Fläche ankommt, zeigt das 40-Meter-Radioteleskop im spanischen Yebes. Seine Hauptfläche besteht aus 420 Aluminiumpaneelen in zehn Ringen; für das einzelne Paneel gibt der Hersteller photogrammetrisch gemessene RMS-Fehler unter 80 Mikrometern an. Für die zusammengebaute Fläche nennt das Modell des Antennenbauers mit Schwerkraft, Wind und Temperaturgradienten bestenfalls 150 Mikrometer RMS bei 45 Grad Elevation. Gemessen wurde vor und nach der Paneeljustage im Sommer 2018 – jeweils bei 43 Grad Elevation – eine Verbesserung von 287 auf 175 Mikrometer, allerdings erst nach Abzug großskaliger Verformungen; rechnet man diese mit, nennt dieselbe Arbeit 350 bis 400 Mikrometer, abgeleitet aus dem Wirkungsgrad der Apertur. Zwischen Einzelteil und fertiger Fläche liegt in jeder dieser Lesarten mindestens rund der Faktor zwei, in der ungünstigsten deutlich mehr – und dieser Verlust steckt nicht im Laminat, sondern in Fügung, Auflagerung und Umgebung.

Bei einem Subreflektor aus über hundert Teilen liegt die Arbeit im Fügeplan: Jede Fügestelle bringt Lage, Klebspaltdicke und die Verformung beim Aushärten des Klebstoffs als Fehlerquellen mit. Weil sich eine solche Fläche nicht in einem Zug erzeugen lässt, gehört die Messtechnik in denselben Ablauf wie die Fertigung – in der Radioastronomie Photogrammetrie und Mikrowellen-Holografie, die die Fläche über das Antennenmuster misst und die Verstellwerte der Paneele liefert. Zur Kette aus Scan, CAD und CAM siehe Digital to Mold, zur Prüfung Qualität.

Reflektieren statt durchlassen

Ein Reflektor hat die spiegelbildliche Aufgabe zum Radom: Dort soll die Wand für die Welle unsichtbar bleiben, was die Wanddicke zum Funkparameter macht – nachzulesen bei den radartransparenten Composites. Hier soll die Fläche vollständig spiegeln. Kohlenstofffaser ist leitfähig, eine CFK-Schale wirkt als Faradayscher Käfig, wie GFK oder CFK beschreibt – zunächst ein Vorteil. Er trägt aber nicht beliebig weit: Laut Patentliteratur zur Metallisierung von Antennenreflektoren fällt die Reflektivität von kohlenstofffaserverstärktem Epoxid mit steigender Frequenz auf unbrauchbare Werte, ältere Verfahren deckten nur etwa 1 bis 20 Gigahertz ab.

Wie Compoxi metallisiert, ist nicht veröffentlicht. Ein Patent der italienischen Nanocom Srl mit Priorität 2012 zeigt die Größenordnungen: Aluminium, Kupfer, Zink, Edelstahl oder Silber wird thermisch aufgespritzt, die Schicht misst im Aluminiumbeispiel rund 100 Mikrometer ohne und 350 Mikrometer mit abschließendem Polieren, die Rauheit 10 Mikrometer Ra, poliert 0,5 bis 1 Mikrometer. Vorher wird gestrahlt; ohne diesen Schritt, so das Patent, arbeitet der Reflektor bei 30 Gigahertz nicht mehr sauber.

Darin steckt die unbequemste Erkenntnis des Falls: Die Beschichtung ist selbst eine Maßabweichung. Ob 100 Mikrometer roh oder 350 mit Endpolitur – beides liegt in der Größenordnung des Toleranzbudgets. Sie muss nicht nur haften und leiten, sondern über mehrere Meter gleich dick sein – sonst schreibt der letzte Arbeitsgang ab, was Form, Laminat und Fügung erarbeitet haben.