Isotubus

Fernrohrtubus, Isolation und Lüftung bei Newton Teleskopen?

Pro und Kontra hört und liest man dazu immer wieder, gerade bei Spiegelteleskopen, insbesondere bei Newtons, zumal ja Gitterrohrkonstruktionen funktionieren, obwohl dabei ganz oder teilweise auf Tuben verzichtet wird.

Nähert man sich dem Thema von der praktischen, also der nützlichen Seite, wird es dann doch eine kleine Geschichte von fast allem, was einen guten Newton ausmacht.
Das kann in der Dobson Variante und im Selbstbau dann so aussehen wie dieser 12 Zoll f/5,3 Dobson.

Ja, Spiegelteleskope funktionieren auch ohne Tubus, aber wenn man sich das diesbezügliche Vorgehen genauer anschaut, wird erst auf einen Tubus verzichtet, wenn es um Packmaß, Gewicht, Volumen, Montier- und Transportierbarkeit geht.
Besitzer von Großdobsons in Gitterrohr- und Skelettbauweise stecken sie selbst im Hochgebirge in "Streulichtsocken" aus lichtdichtem Stoff und bei den Großteleskopen der Profiastronomen ist die Kuppel  der Tubus Ersatz. Sie schützt zugleich noch Montierung und Technik.

Der Tubus ist also die Schutzhülle für die Optik und er hält im Idealfall Stör- und Streulicht vom Strahlengang fern.

Ein Tubus hat allerdings den Nachteil, dass sich in so einer Röhre deutliche Temperaturunterschiede gegenüber der Umgebung einstellen und lange halten können. Zum Beispiel passt sich der frei liegende Glasklotz eines großen Hauptspiegels deutlich schneller den herrschenden Temperaturen an, als der gleiche Spiegel das in einer relativ engen Tubus Röhre kann.
Inzwischen gibt es Spiegelträgermaterial, welches während des Temperaturausgleichs kaum noch die gefürchteten und für ein gutes Bild ruinösen Verformungen und Verspannungen zeigt. Dennoch bleibt auch hier das Problem der warmen Luft im Tubus, welche  über Tubus Öffnungen und Tubuswand den Ausgleich sucht und das ergibt unerwünschte Turbulenzen, also übles Tubus Seeing.

Bei kleineren Teleskopen kann es durchaus praktikabel sein, einfach abzuwarten, bis eine gute Temperaturanpassung erfolgt ist, größere  Newton/Dobsons, eventuell noch mit dicken Spiegelträgern, also viel Glasvolumen, laufen aber unter nicht ganz optimalen Bedingungen oft genug eine ganze Nacht der Temperatur hinterher und können so gut wie nie ihr volles Potenzial in Hochvergrößerung zeigen.

Der Spruch vom zu schlechten Seeing für den 16 Zoll Spiegel am Jupiter bezieht sich immer, auf atmosphärisches Seeing, auf Standort Seeing und (oft unbewusst) auf Tubus Seeing.
Wer Tubus Seeing an einem 12 Zoll Newton mit einer halben Stunde Wartezeit begegnet und glaubt, er habe sein Möglichstes getan, irrt. Dabei wird Teleskopleistung im Sinne von Abbildungsqualität und Vergrößerungsfähigkeit verschenkt. Das ist völlig unabhängig davon ob das Teleskop auf der optischen Bank 0,7 Strehlpunkte oder  0,9 Strehlpunkte abliefert.

Egal wie gut das Seeing "vor" dem Teleskop ist, die ankommenden Signale sind bereits verzerrt und wer nichts gegen Tubus Seeing tut, lässt eine durchaus vermeidbare, nochmalige Verzerrung zu. Tubus Seeing ist damit, zumindest unter akzeptablen Rahmenbedingungen, nicht nur das schlimmste Seeing, sondern auch das am einfachsten Vermeidbare. Letzteres gilt nicht nur für Optiken, die so klein sind, dass sie Seeing erst gar nicht auflösen.

Das Blubbern im Tubus kann, ohne geeignete Gegenmaßnahmen, recht lange dauern und die Profis, z.B. vom ORM am Roque-de-los-Muchachos-Observatorium auf La Palma, klimatisieren den ganzen Tag über, eigentlich das ganze Jahr über durchgängig, ihre  geschlossenen Kuppeln nahe an die während der Beobachtungen zu erwartenden Temperaturen, um mit dem Öffnen der Kuppeln optimal einsatzbereit zu sein. Adaptive Optiken gleichen atmosphärisches Seeing aus, keine Spiegelfehler durch Verspannung oder Kuppel(spalt)seeing.

Einen Vergleich zwischen gutem Seeing am Stern und schlechtem Seeing sowie schlechtem Seeing + Tubusseeing zeigen die beiden folgenden Grafiken, dabei sind links auch noch mögliche Abberationen des Teleskops in ihren Auswirkungen ohne Seeing zu sehen. Die andere Grafik zeigt das Ganze dann unter deutlichem Seeingeinfluss. Dabei ist zu erkennen, was das für die Abbildungsleistung des Teleskops bedeutet, mögliche Fehler gehen weitestgehend im Seeing unter und sind kaum zu beurteilen.

Es ist also sehr wichtig, etwas gegen Seeing zu tun und das ist, bezüglich Tubusseeing, sehr gut möglich und gar nicht so schwer.

Wir Hobbyastronomen lagern schon mal Teleskope im kühlen Keller und viele  setzen auch auf aktive Belüftung. Dabei hat sich in meiner Praxis mit Newtons die saugende Lüftung durch den Tubus mittels eines hinter der Spiegelzelle angebrachten, regelbaren Lüfters bewährt. Der thermisch beste Ansatz wäre eigentlich, den Durchmesser des Tubus so groß zu wählen und die Spiegelzelle so offen zu gestalten, dass die turbulente Luft einfach schnell genug und außerhalb des Strahlengangs abfließen kann. Neben Gewicht, Volumen und Packmaß gilt es allerdings auch, die Größe des erforderlichen Umlenk-/Fangspiegels zu bedenken, welcher den kompletten Strahlenkegel seitlich aus dem Tubus heraus und in eine mit Okularen erreichbare Fokus Lage lenken soll.

Je weiter der Weg, um so größer muss er sein und um so größer auch die pöse Obstruktion, welche den Kontrast zu Poden chleudert.

Folglich akzeptieren wir in aller Regel zu enge Tuben, die nebenbei auch noch zu kurz sind. Diese Tuben sind bevorzugt aus Metall und allzu oft aus sehr dünnwandigem Walzblech, welches außen mit farbigem Glanzlack und innen mit grauem bis schwarzem Mattlack versehen ist. Etwas dickeres Blech wäre aus Stabilitätsgründen oftmals sinnvoll, aber das bringt unerwünschtes Gewicht.

Doch das ist nicht mal das größte Problem dieser Walzblech Dosen.

Egal ob die Sonne auf die Tubusoberseite knallt oder der kalte Weltraum sie Nachts vereisen lässt, während die zum Erdboden gewandte, wärmere Unterseite nicht mal Feuchtigkeit zieht. Das dünne Blech leitet diese  unterschiedlichen Temperaturen sehr direkt von der Außenseite des Tubus auf die Innenseite weiter. Da Luft mit unterschiedlicher Temperatur IMMER den Ausgleich sucht, sorgt auch das für ganz erhebliches Tubusseeing.

Solche Strömungen werden von der saugenden Lüftung erfasst und im Idealfall unschädlich gemacht, wenn man die Lüftung während der Beobachtung durchlaufen lässt. Ich stelle jedoch immer wieder fest, dass es nach der weitgehenden Temperaturanpassung sinnvoll ist, die Lüftung so weit wie möglich herunter zu regeln. Erst dann habe ich die besten Voraussetzungen für höchste Vergrößerungen. Ich vermute, dass zu starke Lüftung sogar zu Unterkühlung von Bauteilen führt und zu starke Luftströmung im Tubus, selbst wenn sie recht gleichmäßig scheint, aus optischer Sicht nicht optimal ist.

Es erscheint mir also sinnvoller, diese Temperaturunterschiede der Außenwand des Tubus nicht, oder in möglichst gemäßigtem Umfang, an die Innenwand des Tubus gelangen zu lassen.
Das kann man mit einem Isotubus erreichen und die gedrosselt während der Beobachtung durchlaufende saugende Lüftung erledigt den Rest. Der Unterschied kann durchaus so aussehen wie auf der folgenden Grafik, wenn man sich das am stark defokussierten Stern mal anschaut.

Es handelt sich hier, zwecks besserer Machbarkeit, Anschaulichkeit und Erkennbarkeit, um Vergleichsbilder mit einen fotografisch ausgelegten Newton mit hoher Obstruktion und massiver, dicker Fangspiegelspinne.

Diese Isolierung des Tubus sollte eher Dämmung genannt werden. Es geht, wie zuvor schon gesagt, nur darum Temperaturunterschiede des Rohres an sich, die zwischen Ober- und Unterseite bei nächtlicher Beobachtung eigentlich immer und teils recht massiv auftreten, nicht bis an die Innenseite des Rohrs vordringen zu lassen und damit von Strahlengang fern zu halten.
Es geht hier nicht um das Prinzip Thermoskanne, welches bei Teleskopen mit geschlossenen Tuben (MAK, SC pp) durchaus Erfolg versprechende Ansätze bietet. Beim Newtons geht es um einen offenen, belüfteten Tubus mit Wanddämmung.

Bauvorschlag für einen gedämmten Newtontubus:

Ich habe mich bei meinem 8-Zöller, weil gerade vorhanden, für Blasenschaumfolie in 1,5mm Stärke entschieden, die an der, einfach mit Prittstift eingestrichenen, Innenseite des Tubus vollflächig angedrückt wurde. Überstände werden mit dem Teppichmesser abgeschnitten. Ein scharfer Schnitt, mittig über den inneren Überstand, lässt zwei Streifen abfallen, nach deren Entfernung sich die Naht fast unsichtbar schließt. Das geht auch mit Heizkörper-/Dämmtapete oder dünnen, flexiblen Styrodur- oder Moosgummi Matten.

Weitere Dämmung und auch Stabilität für die Folienröhre bringt eine Lage schwarze, selbstklebende Veloursfolie, welche zugleich auch Streu- und Störlicht wirksam unterdrückt. Nachdem ich mich bei einigen Tuben extrem mit ganzen Bahnen quälte, habe ich hier mit mehreren überlappenden Bahnstreifen gearbeitet. Das verarbeitet sich wesentlich leichter und die labile Blasenschaumfolie hätte auch kaum mehrfaches Kleben und Lösen, zurecht ziehen zugelassen. Diese Veloursfolie kann lose Fasern enthalten, es ist also ratsam, sie vor dem Einbau mit einem Fusselroller oder einer harten Bürste zu entfusseln und dann nochmals mit dem Staubsauger ab zu saugen. Auch nach dem Einbau sauge ich sie nochmal mit dem Möbelbürstenaufsatz am Staubsauger ab. So behandelt hatte ich noch bei keinem Tubus, auch nach jahrelangem Gebrauch, Probleme mit Veloursfuseln auf dem Hauptspiegel, zumal der häufige Gebrauch meiner Teleskope in der freien Natur ohnehin alle ein bis drei Jahre eine Spiegelreinigung erfordert. Staub stört dabei nicht mal so sehr die Beobachtung. Gereinigt wird, weil sichtbar anhaftende Pollen und Hinterlassenschaften von Spinnen, Insekten und anderem Getier die Spiegelbeschichtung langfristig schädigen können.


In etwas dickeren Hartpapiertuben, auch bei Verwendung von KG-Rohren mit porösem Kern oder einer äußeren Tubus Dämmung, z.B. mit Kork genügt Veloursfolie innen bereits für eine ausreichende Dämmung. Die feinen Härchen mit den Luftzwischenräumen wirken ähnlich wie ein Fell. Was da an Temperaturunterschieden durch kommt, kann eine langsam laufende, durch den Tubus saugende Lüftung problemlos angleichen und/oder abführen.

Ich habe mit der inneren Lage aus Veloursfolie, der folgenden Lage Schaumfolie und der äußeren Blechhülle einen Komposit  Aufbau für den Tubus erstellt und ihn dadurch noch etwas enger gemacht.

Wegen der Enge und trotz der offenen  Selbstbauzelle für den HS hätte ich aber ohnehin einen Lüfter benötigt. Der kurze, vordere Überhang bringt keine Vignettierung, wobei die engste Stelle ohnehin der Abschlussring des Tubus ist.
Die Tau-/Störlichtkappe braucht ordentlich Überhang und einen deutlich größeren Durchmesser. Sie ist dringend erforderlich, weil man bei dem kurzen Tubus mühelos aus dem Tubus herausschauen kann, wenn man etwas schräg durch den Okularauszug einblickt. Das muss verhindert werden, denn hier dringt extrem schädliches Störlicht direkt, an allen möglichen Bauteilen reflektierend und gestreut, in die Fangspiegel- und Okular-Ebene ein. Außerdem liegen dann innere Teile des Okularauszugs, die Fangspiegelspinne, der Fangspiegelhalter und der Fangspiegel selbst so nahe an der Tubusöffnung, dass sie (mit allen negativen Folgen) unterkühlen können.

Wieder bieten sich die bereits genannten Materialien zum einfachen Selbstbau an, eine alte, schwarze Isomatte tut es aber auch.
(M)eine Faustformel besagt, dass die Länge der Tau-/Störlichtkappe mindestens 1,5 x Durchmesser des Tubus über die vordere Fangspiegelkante hinaus reichen muss. Das hat sich in unzähligen Beobachtungssituationen, wie sie unten zu sehen ist, immer wieder bestens bewährt.

Gute Passform erreicht man, indem man das Material einfach von außen um den Tubus wickelt. Die gewünschte Trichterform mit dem größeren Durchmesser zur vorderen Öffnung hin entsteht, indem man das Material hinten eng um den Tubus legt, verbindet/klebt und vorne einfach drei bis 5 Zentimeter Luft lässt. Danach stellt man die durchgängige Klebeverbindung her. Ob auf Stoß, oder mit Überständen, die individuelle Fingerfertigkeit setzt hier Grenzen, die Funktion steht allerdings im Vordergrund.

Messbarer Nutzen

Hier ist die Angabe absoluter Zeit- oder Vergrößerungszahlen nicht möglich.

Allein schon das atmosphärische Seeing unterliegt erheblichen Änderungen und die individuelle Toleranz verschiedener Beobachter, gegenüber Seeingeinflüssen allgemein, ist sehr unterschiedlich.
Hinzu kommt, dass größere Öffnungen mit mehr Auflösungsvermögen natürlich auch Seeing besser auflösen können und die Temperaturanpassung größerer Massen an die Umgebung allgemein länger dauert, wobei noch berücksichtigt werden muss, dass es sehr dicke 12 Zoll Spiegel aber auch sehr dünne 20 Zoll Spiegel gibt.
Damit sind nur die wichtigsten grundsätzlichen Einflussfaktoren genannt, auch Justagezustände und Fehlbedienungen wie z.B. ungeeignete Okulare haben große Auswirkungen.

Ich kann sinnvoll, weil praktisch an Teleskopen auf Teleskoptreffen erprobt, einschätzen, dass sich zum Beispiel die erforderliche Zeitspanne, die ein Teleskop zur Anpassung benötigt, um ein gutes Bild in Hochvergrößerung abzuliefern, je nach Umständen und Bedingungen um bis zu 70% verkürzen lässt.
Dabei steht ein Blechtubus im Originalzustand neben einen saugend belüfteten Isotubus.
Im Mittel geht es um 40%.
Kein Drama bei den gängigen 30 Minuten für den 5-6-Zöller, insbesondere wenn man einen Zeitansatz von drei Stunden und mehr hat. Bei 8 Zoll + x und Anpassungszeiten von 60 Minuten bis unendlich sieht das für manchen Beobachter schon anders aus.

Das ist aber nur ein Teil des Nutzens, denn danach wirkt sich ein belüfteter Isotubus  sehr deutlich auf die Anwendungsmöglichkeit höherer Vergrößerungen, also auf die Ausnutzung des Auflösungsvermögens eines Teleskops aus.
Hier geht es um bis zu 30%, im Extremfall auch mal mehr.
Im Durchschnitt sehe ich 20% Mehrleistung.
Das bedeutet an einem kleineren Teleskop  im konkreten Fall den Unterschied zwischen 130fach und 160fach, an größeren Teleskopen auch schon mal 300fach oder eben 360fach.
Damit sind wir nun an einem kritischen Punkt.
Wer ohnehin nur zwei oder drei Okulare einsetzt, also gegebenenfalls von 250fach gleich auf 400fach springen muss, wird kaum einen Nutzen vom Isotubus haben, außer dass schon bei 250fach im Isotubus eher ein sehr ruhiges "Standbild" zu erwarten ist, als im nackten Blecheimer. Wer aber dann die Möglichkeit auf 300fach oder auch 360fach nutzen kann, hat ein anderes, ein deutlich besseres Teleskop. Man benötigt also ein bis zwei Okulare mehr, feinere Zwischenschritte, um das Teleskop und seine Möglichktien voll zu nutzen.
Allein der übliche Test über das Ein- und Ausschalten, bzw (besser) den Abbau der Lüftereinheit am Isotubus, zeigt immer wieder deutlich, dass eine eben noch sehr gute Abbildung nach dem Ausschalten des Lüfters innerhalb von Sekunden zusammen bricht.

Alles ist eine Frage des Anspruchs.