Am Rande des Universums: Heimplanetarien

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Am Rande des Universums: Heimplanetarien
Am Rande des Universums: Heimplanetarien
Anonim

Die Menschen haben seit der Antike versucht, den Sternenhimmel zu zeichnen, aber sie haben vor weniger als 100 Jahren gelernt, eine fast vollständige Illusion des Nachthimmels zu erzeugen. Seitdem hat sich die Planetariumsausrüstung von feinmechanischen zu „seelenlosen Digitalen“entwickelt, wodurch immer spektakulärere Spektakel entstehen.

Nah am Rande des Universums: Heimplanetarien
Nah am Rande des Universums: Heimplanetarien

Wie seltsam, dass die einfachste Idee – ein Bild des Sternenhimmels auf eine halbkugelförmige Leinwand zu projizieren – einem vernünftigen Menschen erst im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts in den Sinn kam, als die Camera Obscura und der Projektor auftauchten seit Jahrhunderten bekannt, etwa ein Jahrhundert war seit der Erfindung der Fotografie vergangen und mehrere Jahrzehnte sind seit den ersten Experimenten der Gebrüder Lumiere vergangen. Schließlich ist die Idee eines Planetariums (und dieses Wort bezieht sich normalerweise sowohl auf das "Kuppeltheater" als Ganzes als auch auf den Projektionsapparat) im Wesentlichen äußerst einfach. Vor einem halben Jahrhundert wurden in unserem Land „Budget“-Projektoren hergestellt - zwei Halbkugeln wurden aus Pappmaché geformt und Löcher mit einer Nadel gestochen, wodurch die Karte des Sternenhimmels wiederholt wurde. Eine Glühbirne wurde in die aus zwei Halbkugeln gebildete Kugel eingesetzt, und leuchtende Punkte, die Sterne darstellten, erschienen auf den umgebenden Oberflächen.

Hanteln und Masken

Sie können versuchen, ein solches "Planetarium" zu Hause zu bauen, aber es gibt ein paar erhebliche Probleme. Erstens werden die „Sterne“aufgrund der Lichtstreuung verschwommen, und je weiter der Bildschirm entfernt ist, desto „träger“wird das Bild. Nun, und zweitens sollte ein echtes Planetarium nicht nur leuchtende Punkte um sich herum streuen – seine Aufgabe ist es, die Position von Sternen, sowie anderen Himmelskörpern für eine bestimmte Tageszeit, Jahreszeit und Breitengrad zu demonstrieren. Optik und Feinmechanik helfen, diese Probleme zu lösen.

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Der Himmel neigte sich

Das erste Planetarium eines optisch-mechanischen Systems, mit dem es möglich war, den Sternenhimmel auf eine Kuppel zu projizieren, wurde 1924 in der deutschen Firma Carl Zeiss (Jena, Deutschland) entwickelt. Bereits 1929 erschien in Moskau ein Planetarium mit einem Zeiss-Apparat und wurde damit zur Nummer 13 der Welt. Zwar funktioniert das Moskauer Planetarium seit 1994 bis heute nicht, was uns erneut über den Fluch des "Teufelsdutzends" nachdenken lässt. Das Planetarium der Architekten M. Barshch und M. Sinyavsky wurde nach dem klassischen Schema gebaut - mit einer Betonkuppel, deren Basis parallel zur Erdoberfläche stand, und die angezeigte Horizontlinie fiel praktisch mit dem realen Horizont des Sternenhimmels zusammen Himmel. In einem solchen Planetarium musste man, um die Polarregion zu sehen, den Kopf hoch heben. Einige moderne Planetarien (insbesondere vorgefertigte Strukturen) verwenden Kuppeln, die um 5-30º zur horizontalen Ebene geneigt sind. Es ist bequemer anzusehen.

Das klassische optisch-mechanische Planetarium - solche Geräte sind heute noch zu sehen - hatte die Form einer Hantel. An beiden Enden des „Sportgeschosses“befanden sich zwei Metallkugeln mit je 16 Projektionslinsen. Eine Kugel wurde entwickelt, um den Himmel der südlichen Hemisphäre zu projizieren, die andere - die nördliche Hemisphäre, sodass jede der Linsen ein Bild von 1/32 der Himmelskugel lieferte. Im Zentrum der Kugel war eine Lichtquelle platziert, deren Strahlen mit Hilfe von Linsen auf eines von 16 Dias fokussiert wurden, die Ausschnitte des Sternenhimmels darstellten. Dias (die sogenannten Sternmasken) waren Blätter aus Kupfer oder Zinnfolie, die zwischen transparenten Gläsern mit dünnen Löchern anstelle der projizierten Sterne eingelegt waren. Der Durchmesser der Löcher bestimmte die Helligkeit des Sterns. Das durch sie hindurchtretende Licht fiel dann in die entsprechende Linse, und das Bild wurde auf die Kuppel fokussiert.

Raumuhr

Wenn wir am Himmel nur ferne Sterne sehen würden, die scheinbar bewegungslos sind, dann würden zwei Projektionskugeln reichen, aber in Wirklichkeit bewegen sich andere Himmelskörper ständig vor dem Hintergrund des Himmels - die Sonne, der Mond, die mit bloßem Auge sichtbaren Planeten des Sonnensystems, aber auch Kometen, Asteroiden, Meteore. Um die Bewegung der Planeten darzustellen, wurden spezielle Plattformen für zusätzliche Projektoren auf dem „Hantelgriff“angeordnet. Jede der Hemisphären hat einen separaten Satz planetarer Projektoren. Zusätzlich wurden am Instrument selbst oder daneben Projektionsgeräte installiert, um den Mond, die Sonne, Kometen, Asteroiden, Nebel, die Milchstraße und Meteorschauer darzustellen. Andere Projektoren erzeugten den Effekt von Sonnenuntergang und Sonnenaufgang, projizierten ein separates bewegtes Bild der Satellitensysteme von Jupiter und Saturn, m alten Ränder oder mythologische Bilder der Konstellationen.

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Insgesamt könnte das Planetarium mehr als hundert verschiedene Projektionsgeräte enth alten. Um zu einem bestimmten Zeitpunkt und Datum ein genaues Bild des Himmels auf der Kuppel des Planetariums zu erstellen, mussten alle diese Projektionsgeräte als eine Einheit fungieren. Um dies zu erreichen, verwendete der Apparat einen Mechanismus, der aus einem Getriebesystem bestand, das auf der Grundlage des kopernikanischen Modells des Sonnensystems aufgebaut war. Um die tägliche Bewegung des Himmels und die jährliche Bewegung der Planeten vor dem Hintergrund der Sterne darzustellen, drehten sich die Kugeln und Planetenprojektoren um die Längsachse des Apparats (die Weltachse). Außerdem konnte sich die „Hantel“in einer vertikalen Ebene um die Querachse bewegen – so veränderte sich das Erscheinungsbild des Himmels je nach Breitengrad und Jahreszeit. Ein weiterer Bewegungsgrad der gesamten Anlage ermöglichte die Darstellung von Präzessionen – Schwingungen der Erdachse mit einem Zyklus von 26.000 Jahren. Besucher des Planetariums konnten den Himmel sehen, dessen Nordpol beispielsweise vom heutigen Polarstern zur Wega vom Sternbild Lyra verschoben ist. In Wirklichkeit kann man das erst in 12.000 Jahren sehen.

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Mechanik und Optik

Zusätzlich zu dem für optisch-mechanische Systeme traditionellen Hantel-Layout (oben abgebildet) gab es andere Optionen für Stern- und Planetenprojektoren, wie diese hier.

Die Atmosphäre ist der Feind eines Astronomen, und deshalb leuchten die Sterne meistens während der Bildungsvorträge in Planetarien mit einem gleichmäßigen Licht, als ob wir sie aus dem Weltraum beobachten würden. Manchmal war es jedoch erforderlich, einen dem Bodenbeobachter vertrauten Flackereffekt zu erzeugen. Dazu wurde in alten Planetarien ein Ventilator verwendet, dessen Flügel die Luftschichten unter der Kuppel durchmischten und die Bilder künstlicher Sterne verzerrten.

Star-Threads

Wer vor 20 Jahren Planetarien besuchte, erinnert sich, dass zu Beginn des Vortrags die Lichter ausgingen und erst einige Zeit später der Sternenhimmel aufleuchtete. Die Pause war nötig, damit sich das menschliche Auge an die Dunkelheit gewöhnen konnte, sonst wäre die dunkle Kuppel dem Betrachter leer vorgekommen. Das Hauptproblem war die geringe Helligkeit und der kleine Dynamikbereich, dh der Kontrast des projizierten Bildes. Die Wurzel des Problems liegt in der Konstruktion eines herkömmlichen opto-mechanischen Planetariums. Weniger als 1 % des von der Lampe in der Kugel emittierten Lichts fiel durch die Sternmasken auf die Kuppel. Das reflektierte Licht künstlicher Sterne, egal wie schwach es war, „beleuchtete“die Kuppel zusätzlich, und der Himmel wurde von schwarz zu gräulich, was den Kontrast des gesamten Bildes verringerte. Wurde ein großer Lichtfleck auf die Kuppel projiziert - zum Beispiel ein Vorlesungsfilmmaterial, erlosch tatsächlich der Sternenhimmel.

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Flicker-Effekt

Es gibt eine spezielle Technologie, um den Effekt von funkelnden Sternen zu simulieren, die durch die Bewegung von Luftmassen in der Atmosphäre entstehen und dem irdischen Beobachter vertraut sind. Zu diesem Zweck wird eine spezielle elektronische Vorrichtung verwendet, mit der Sie die Helligkeit des Leuchtens einer einzelnen Faser ständig zufällig und in einem kleinen Bereich variieren können.

Eine neue Generation von optisch-mechanischen Planetarien auf Basis von Glasfasertechnologien hat es ermöglicht, die Helligkeit von Sternen zu erhöhen und gleichzeitig einen hohen Bildkontrast aufrechtzuerh alten. Die Hauptinnovation ist die effizientere Nutzung der Lampe im Inneren des Projektors. Mit Hilfe von Linsen wird das Licht der Lampe in ein lichtleitendes Bündel gebracht, dessen einzelne Fasern dann nach dem Prinzip „eine Faser – ein Loch“durch die Löcher der Sternmaske geteilt werden. Auf diese Weise konnte eine deutlich effizientere Nutzung der Projektionslampe - bis zu 90 % - erreicht werden, wodurch die Sterne im Planetarium deutlich heller zu leuchten begannen. Gleichzeitig wird das Licht viel weniger gestreut und die Projektion des Sterns auf der Kuppel wirkt wie ein hell leuchtender Punkt, der nahezu nicht abblendet, selbst wenn auf der Kuppel ein Video oder ein Sonnenuntergang-Sonnenaufgang-Panorama gezeigt wird.

Schöne Illusionen

Faseroptik-Technologie wird in optisch-mechanischen Geräten verwendet, die von Carl Zeiss hergestellt werden - UNIVERSARIUM und STARMASTER. Die meisten Sterne, die diese Planetarien zeigen, sind weiß, daher wird als Projektorlampe eine Bogenlampe verwendet, deren Schein keine farblichen „Verunreinigungen“aufweist. Richtig, aus Gründen der Realität sind einige helle Sterne entsprechend ihrer wahren Spektralklasse „eingefärbt“. Dieser Effekt wird erreicht, indem die Lichtleiterfäden passend zu den entsprechenden Löchern der Sternmaske eingefärbt werden. Bisher mussten für diese Zwecke Filter eingesetzt werden.

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Sternenlicht

Optisch-mechanische Systeme der nächsten Generation verwenden Punktlichtquellen für jeden angezeigten Stern. Die Rolle der Lichtquellen übernehmen optische Fasern, die von einem Lichtleiterbündel ausgehen, in das Licht von einer Projektionslampe eintritt. Bei Bedarf kann der Sternenprojektor per Shutter sofort abgesch altet werden. Durch die Verwendung von Glasfasertechnologie können Sie ein helles und kontrastreiches Bild auf der Kuppel erzeugen.

Bei den Modellen der Planetarien der ersten Generationen gab es keine Möglichkeit einer realistischen Übertragung des Flackerns des Sternenhimmels. Die Glasfasertechnologie hat geholfen, dieses Problem zu lösen. Zwischen der Lichtquelle und dem Lichtleiterbündel ist ein spezielles Gerät installiert, das die Lichtmenge, die in jede einzelne Faser des Bündels eintritt, zufällig variiert. Kleine Helligkeitsunterschiede werden vom Auge als Flimmern wahrgenommen.

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Die Entwicklung der optisch-mechanischen Planetarien hat zu einer signifikanten Änderung ihres Designs geführt. Behält beispielsweise das SKYMASTER-Gerät für Planetarien mit kleiner Kuppel (6-14 m) die traditionelle „Hantelform“bei, so werden Planetarien für mittlere und große Kuppeln (STARMASTER und UNIVERSARIUM) nach dem „Sternenkugel“-Schema gebaut (Sternenkugel). Hier hat der Sternenhimmelprojektor eine nahezu kugelförmige Form, wobei auf der einen Halbkugel Linsen für die Projektion der Nordhalbkugel und auf der anderen für die Südhalbkugel montiert sind. Planetenprojektoren werden separat installiert und können sowohl synchron mit dem Sternenhimmelprojektor als auch unabhängig voneinander arbeiten.

Im Gegensatz zu den alten optisch-mechanischen Systemen werden die Projektoren von einem Computer gesteuert, der Präzisionsschrittmotoren steuert. Dadurch konnte auf eine komplexe Mechanik verzichtet werden, und Projektoren können jetzt fast sofort jede Position einnehmen, während dies in herkömmlichen Planetarien eine bestimmte Anzahl von Zyklen des Mechanismus erfordern konnte. Auf die gleiche Weise müssen wir beim Vorstellen einer normalen Uhr, sagen wir, drei Stunden, den Minutenzeiger zwangsläufig dreimal umkreisen lassen, während wir bei einer Uhr auf einem Computer sofort die erforderlichen Daten über die Tastatur eingeben können.

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Starball

Dieses System repräsentiert die neueste Generation opto-mechanischer Systeme. Hier sind die Projektoren der nördlichen und südlichen Hemisphäre des Sternenhimmels zu einer einzigen Struktur zusammengefügt, während die Hilfsprojektoren auf einer separaten Plattform untergebracht sind. Im Gegensatz zum traditionellen Schema hat die "Sternenkugel" mehr Bewegungsgrade. Es wird von einem Computer mit Schrittmotoren gesteuert, wodurch das gewünschte Bild des Sternenhimmels sofort angezeigt werden kann.

„Starball“hat gegenüber „Hanteln“den Vorteil, dass seine Aufhängung viel mehr Freiheitsgrade zulässt. Wenn das Planetarium in der "Hantel" -Version den Pol der Himmelskugel nur entlang der Bahn der Präzession verändern könnte, dann hat die "Kugel" in diesem Sinne viel mehr Möglichkeiten. Es kann zum Beispiel verwendet werden, um den Blick auf den Himmel aus dem Cockpit eines Raumfahrzeugs darzustellen, das sich in eine beliebige Richtung bewegt.

Von Mechanik zu Digital

Moderne optomechanische Planetarien, die auf der Basis von Glasfasertechnologien gebaut wurden, geben auf der Kuppel ein sehr genaues und gleichzeitig helles und kontrastreiches Bild des Sternenhimmels wieder. Diese Ausrüstung hat jedoch natürliche Beschränkungen, die mit dem Verfahren der Bilderzeugung und -projektion verbunden sind. Da die Position der Sterne relativ zueinander festgelegt ist, ist es unmöglich, mit einem optisch-mechanischen Planetarium die sich ändernden Umrisse der Sternbilder oder den Blick auf den Himmel von einem entfernten Punkt in der Galaxie darzustellen. Nur eine neue Generation digitaler Technologie kann diese Einschränkungen überwinden. Seit geraumer Zeit gibt es sogenannte Planetariumsprogramme, mit deren Hilfe man nach vorgegebenen Parametern (z. B. „Blick vom Mars“) ein Bild vom Standort von Himmelskörpern erzeugen und auf einem darstellen kann Computerbildschirm. Der nächste logische Schritt war die Entwicklung spezieller Projektoren, die in der Lage sind, ein maschinell erzeugtes Bild auf der Kuppel des Planetariums anzuzeigen. Die ersten derartigen Geräte erschienen in der ersten Hälfte der 1980er Jahre.

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Fulldome-Video

"Full Dome Video" ist der Name einer neueren Technologie zur Anzeige von Multimediainh alten auf einem Kuppelbildschirm. Digitalprojektoren dieser Art ersetzen nicht nur die opto-mechanischen Geräte von Planetarien, sondern bilden auch die technische Basis einer besonderen visuellen Gattung, die dem Betrachter das Gefühl vermittelt, in die virtuelle Realität einzutauchen. Gleichzeitig verwandeln sich moderne Planetarien in Plattformen für die Vorführung von Multimedia-Shows, sowohl lehrreich als auch unterh altsam.

Die Vorteile digitaler Projektoren liegen auf der Hand - sie haben keine Mechanik, sind also einfacher zu warten und vor allem benötigen sie keine Dutzende oder gar Hunderte von Projektionsgeräten, die miteinander synchronisiert werden müssen. Das Bild des Sternenhimmels, Virtual-Reality-Objekte, Video – all das wird mit Hilfe geeigneter Programme zu einem Ganzen zusammengesetzt und dann auf die Kuppel projiziert. Für kleine Planetarien bis 10 m Kuppeldurchmesser eignet sich ein einzelner Projektor, für größere Planetarien kommen Mehrkanalsysteme zum Einsatz, bei denen beispielsweise ein Projektor im Zenitbereich arbeitet und fünf weitere am Rand ein Bild liefern Teile der Kuppel. Tatsächlich ist das digitale Planetarium ein Sonderfall des sogenannten Fulldome-Videos. Diese Technologie ermöglicht es, eine Vielzahl von Multimedia-Programmen auf die Kuppel zu projizieren, die nicht unbedingt mit Astronomie zu tun haben, aber dem Betrachter ein ungewöhnliches Gefühl des „Eintauchens“in das Bild vermitteln.

Anders als das von optisch-mechanischen Systemen erzeugte Bild besteht das digitale Bild eines Fulldome-Videos aus Pixeln. Die Qualität der Projektion hängt natürlich direkt von der Auflösung der Matrix ab, mit der die Projektion durchgeführt wird. Idealerweise sollte die Pixelgröße des projizierten Bildes unterhalb der Auflösung des Auges liegen, was durch die hohe Auflösung der Matrix erreicht wird. Um ein Bild in Projektoren zu erzeugen, werden Kathodenstrahlröhren sowie LCD- und DLP-Matrizen verwendet. Die Verwendung von Kathodenstrahlröhren wird dadurch bestimmt, dass die LCD-Matrix nicht in der Lage ist, tiefe Schwarztöne zu übertragen. Der „Illuminated Sky“-Defekt macht sich besonders bei Mehrkanalsystemen bemerkbar, wenn an den Fugen der projizierten Flächen helle Streifen erscheinen. CRTs gehen mit diesem Problem besser um. Was die DLP-Technologien (Digital Light Processing) betrifft, bei denen das Bild mithilfe von Mikrospiegeln erzeugt wird, so basiert beispielsweise der Velvet-Projektor (Carl Zeiss) auf seiner Basis – das einzige Gerät der Welt, so der Hersteller ergibt einen absolut schwarzen Hintergrund mit einem Kontrastverhältnis von 2.500.000:1, das um eine Größenordnung höher liegt als das der besten Videoprojektoren. Es gibt auch Fulldome-Projektoren, die auf Lasertechnologie basieren.

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Ein gravierender Nachteil bestehender digitaler Systeme ist ihr ziemlich hoher Preis. Außerdem zeigen solche Projektionsgeräte, insbesondere solche, die nicht allzu teuer sind, den Sternenhimmel etwas verzerrt und geben die Farben der Sterne manchmal nicht ganz richtig wieder. Einen Ausweg bietet die Kombination eines modernen opto-mechanischen Planetariums vom Typ STARMASTER SB mit digitalen Projektionsgeräten. Hier wird auf traditionelle Weise das Bild des Sternenhimmels geformt und multimediale Inh alte an die Projektoren übergeben. Viele Experten sind heute jedoch zuversichtlich, dass optisch-mechanische Systeme nach einiger Zeit endgültig dem Fulldome-Video weichen werden. Bis dahin wird die Digit altechnik all ihre Mängel beseitigt haben und erschwinglicher werden.

An der Decke und im Badezimmer

Professionelle Ausrüstung für Planetarien kann eigentlich nicht billig sein, aber der Wunsch eines Menschen, in die Sterne zu schauen, ist so groß, dass Modelle von „Heimplanetarien“auf dem Markt erschienen sind, mit denen man einen Nachthimmel gest alten kann die Decke und die Wände Ihres eigenen Hauses. Es gibt sogar Geräte, die in einer mit Wasser gefüllten Wanne oder einem Pool schwimmen. Sie eignen sich natürlich eher nicht zum Studium der Astronomie, sondern um eine „romantische Atmosphäre“zu schaffen. Doch trotz seiner überwiegend dekorativen Funktionen ist beispielsweise das Desktop-Modell Sega HomeStar Extra in der Lage, bis zu 120.000 Sterne an der Decke anzuzeigen, was unvergleichlich mehr ist, als unsere Augen in der schwärzesten Nacht sehen können.

Dank an die Ladenkette Zuma (www.zooma.ru) für die Bereitstellung des Meade MySky Planetariums zum Testen. Wir danken A. A. Kokhanov, Leiter der Abteilung für Astronomie und Geophysik der Moskauer Kinder- und Kinderabteilung (YU)T, für die Hilfe bei der Vorbereitung des Materials

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