Ein Schwarm von Robotern soll die Horizonte der Astrophysik erweitern

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Quelques-uns des microrobots durant leur assemblage. © 2021 EPFL

Quelques-uns des microrobots durant leur assemblage. © 2021 EPFL

Tausend Mikroroboter aus den Labors der EPFL, die in der Lage sind, optische Fasern mit noch nie dagewesener Präzision zu platzieren, werden in Kürze zwei große Teleskope in Chile und den USA ausstatten und versprechen einen Quantensprung in der Menge der gesammelten Daten und damit in unserem Verständnis des Universums.

Das Universum wächst. Doch das Phänomen ist noch immer geheimnisumwittert. Wie schnell genau findet diese Expansion statt? Warum beschleunigt sie und schiebt verschiedene Himmelsobjekte weiter auseinander, wenn die Schwerkraft sie doch näher zusammenbringen sollte? Welche Rolle spielen dabei die unsichtbare dunkle Materie und Energie? Dank der an der EPFL entwickelten Mikroroboter können Antworten auf diese Fragen, die im Mittelpunkt der heutigen astrophysikalischen Forschung stehen, durchaus gefunden werden.

Die von den EPFL-Wissenschaftlern entwickelten Mikroroboter werden einen echten Sprung in der Anzahl und Qualität der gesammelten Daten und damit im Wissensfortschritt zu diesem Thema ermöglichen. Dieser Satz von 1.000 kleinen Robotern, dessen Herstellung gerade abgeschlossen wurde, ist gerade an die Ohio State University geliefert worden. Es wird schließlich die beiden Teleskope - das "Irenaeus der Brücke" am Las Campanas Observatorium (der Carnegie Institution for Science) in Chile und das "Sloan" am Apache Point Observatorium in New Mexico, USA - ausstatten, die im Rahmen der internationalen Kollaboration "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS) eingesetzt werden, an der die EPFL vollständig beteiligt ist (siehe unseren im Juli 2020 veröffentlichten Artikel).

Diese Roboter-Positionierer werden eingesetzt, um die Platzierung der Hunderte von optischen Fasern zu automatisieren, die benötigt werden, um die Augen dieser Teleskope auf die zu beobachtenden Objekte auszurichten. Im Wesentlichen geht es darum, Sterne in unserer Galaxie - der Milchstraße - anzuvisieren. Durch die Charakterisierung ihrer Leuchteigenschaften wird es möglich sein, die "Rotverschiebung" - die Rotverschiebung zum Roten - des Spektrums benachbarter Galaxien, die Schwarze Löcher oder Mitglieder von Galaxienhaufen beherbergen, zu berechnen und so deren Entfernung zu bestimmen. Diese Messungen werden uns erlauben, die dreidimensionale Karte der Sterne und Galaxien im Universum weiter zu detaillieren, eines der Hauptziele der SDSS.

Spitzenarbeit

Bisher wurde die Positionierung der optischen Fasern der SDSS-Teleskope manuell vorgenommen. Es war reine Spitzenarbeit, langwierig und mühsam. Um die Zielobjekte zu erreichen, mussten Hunderte von optischen Fasern in Löchern auf einer großen Metallplatte platziert werden. Und es war klar, dass für eine möglichst klare Beobachtung die Lage jeder Faser auf den Mikrometer genau gemessen werden musste.

Es dauerte etwa einen Monat, um die Ziele zu bestimmen, die Platte zu entwerfen, sie herzustellen, zu bohren und an die Sternwarte zu schicken. Dann 45 Minuten in fachkundigen Händen, um die tausend Fasern einzufügen. Schließlich dauerte der Plattenwechsel in den Beobachtungsnächten etwa 20 Minuten, in denen keine Beobachtungen möglich waren. "Diese in der Schweiz hergestellten Roboter beschleunigen diesen Prozess erheblich und ebnen den Weg für eine spektroskopische Erkundung des Zeitbereichs in großem Maßstab, wie es sie noch nie gegeben hat", schwärmt Juna Kollmeier, Projektleiterin des SDSS-V Projekts.

Die Roboter sollen im Herbst nächsten Jahres am "Sloan"-Teleskop und Anfang 2022 am "Irenaeus Bridge"-Teleskop einsatzbereit sein.

Zwei- bis dreimal so viele Sterne

"Neben einem gigantischen Gewinn an Flexibilität und Präzision erhoffen wir uns auch eine signifikante Steigerung der Anzahl der beobachteten Objekte", sagt Mohamed Bouri, Leiter der REHAssist-Gruppe an der EPFL, die für das Design und die Implementierung der Roboter verantwortlich ist.

"Wir werden kürzere Beobachtungen durchführen und zwei- bis dreimal so viele Sterne oder Galaxien anvisieren können wie bisher, aber auch spektroskopische Beobachtungen von veränderlichen Objekten, wie z. B. Sternexplosionen, durchführen können", ergänzt Jean-Paul Kneib, Direktor des Astrophysik-Labors der EPFL (LASTRO).

Diese Leistung ist das Ergebnis der Arbeit von "Astrobots", deren Ziel es ist, Synergien zwischen den Bereichen Astrophysik und Robotik an der EPFL zu fördern. Seit 2013 entwickelt diese fakultätsübergreifende Forschungsgruppe Robotersysteme, um die Effizienz astronomischer Beobachtungen zu verbessern. Bis Ende 2019 hat das "Astrobots"-Team in Zusammenarbeit mit der University of Michigan und der University of Berkeley bereits 5.000 Roboter für das Projekt "Dark Energy Spectroscopic Instrument" (DESI) realisiert, mit dem man besser verstehen will, was dunkle Energie ist.

Es besteht kein Zweifel, dass sich mit den Projekten DESI und SDSS der Horizont der Astronomen und Astrophysiker erheblich erweitern wird, was für die kommenden Jahre eine noch reichhaltigere und präzisere Karte des Universums verspricht. Und es kommt noch mehr: Die EPFL-Forscher werden weiter an diesem Projekt arbeiten.

Die 1.000 Roboter wurden an der EPFL entworfen und validiert und von der Schweizer Firma "Micro Precision Systems" (MPS) unter Verwendung von Mikromotoren der Faulhaber-Gruppe gebaut und montiert.