Einfaches Radioteleskop für die 21 cm Linie des neutralen Wasserstoffs


Die Radiotechnik hat mich, sogar weit vor der Astronomie, schon seit meiner Jugend sehr interessiert. Dies fing an mit bescheidenen Basteleien mit Flachbatterie, Lämpchen, Nachttischlampen-Schalter und Klingeldraht, ging über den Kosmos-Radiomann als Weihnachtsgeschenk bis hin zu meinem späteren Beruf in der Elektronik-Entwicklung eines großen Elektro-Konzerns. Damals waren das "Elektronik-Basteln" und später die "Mikrocomputer-Technik" meine Haupthobbys, was nicht immer ganz preiswert war. Dann kam, spätestens 1996 mit Komet Hyakutake, die Astronomie dazu und das war nicht viel anders... vom finanziellen Gesichtspunkt her. Mittlerweile kann man über die einschlägigen Online-Platformen erstaunlich günstig Elektronik aus Fernost beziehen und so kommen Projekte in finanzielle Reichweite, die beide Interessen auf faszinierende Weise miteinander verknüpfen. Angefangen hat's mit Meteorscatter mittels eines einfachen "missbrauchten" DVBT-Sticks mit einer selbstgebauten 2m-Antenne und nun bin ich bei der Beobachtung der Strahlung des neutralen Wasserstoffs auf der 21cm-Linie, also bei 1420 MHz gelandet. Da ich mittlerweile mein Equipment funktionsfähig und die ersten erfolgreichen Detektionen hinter mir habe, ist es an der Zeit mal wieder meine Web-Seite etwas zu füttern.

An dieser Stelle sei noch auf das Radioastronomie-Board bei "astronomie.de" verwiesen, auf dem auch mein "bescheidener Werdegang" mit vielen Bildern zu finden ist: https://forum.astronomie.de/

Für den Interessierten sehr zu empfehlen, sind die Web-Seiten des Vereins "Astropeiler e.V.", der das historische 25-Meter Radioteleskop auf dem Stockert in der Eifel erhält und betreibt: https://astropeiler.de/
Neben den hochinteressanten Sonntagsführungen, die im Sommerhalbjahr dort angeboten werden (siehe Web-Seite), sind auch die wunderbare Landschaft und in der Nähe gelegene, andere Sehenswürdigkeiten (Radioteleskop Effelsberg, Kakushöhle, diverse Römische Fundstätten) immer einen Besuch wert.


Nun kurz ein paar Sätze zu den physikalischen Hintergründen und dem technischen Aufbau meiner Anlage:

Die 21cm-Strahlung:
Wasserstoff ist jenes Element, welches neben etwas Helium den mit Abstand größten Anteil an der Materie hatte, die sich nach dem Abkühlen des Plasmas nach dem Urknall bildete. Aus diesem Gas erbrüteten Generationen von Sternen alle schwereren Elemente. Es ist aber auch heute noch sehr viel Wasserstoff im ganzen Universum und in unserer eigenen Galaxie vorhanden.
Beim neutralen Wasserstoff, das heißt beim Wasserstoff in seiner nicht ionisierten Form, kreist ein Elektron um einen Atomkern der aus nur einem Proton besteht. Nun können die Spins (Drehrichtungen) des Kerns und des Elektrons in so einem Atom in zwei Zuständen vorliegen, entweder parallel oder antiparallel. Zwischen diesen beiden Zuständen gibt es eine geringe Energiedifferenz von etwa 5,9·10-6 eV, was der Frequenz 1420,40575177 MHz bzw. 21cm Wellenlänge entspricht. Da es bei den Atomen in den Wolken interstellaren Wasserstoffs immer wieder zum Spin-Wechsel kommt, strahlt diese Materie auf besagter Frequenz Radiostrahlung aus, welche wir mit unseren Radioteleskopen nachweisen können. Im Spektrum dieser Stahlung lassen sich sogar, über die Dopplerverschiebung, Bewegungen der Wasserstoff-Wolken nachweisen.

Der technische Aufbau:
Erfreulicherweise ist der Aufwand für den Nachweis dieser Strahlung deutlich geringer als man zunächst vermuten könnte und somit dem Amateur gut zugänglich. Durch den, mittlerweile sehr preiswerten, Zugang zu diversen Elektronik-Modulen aus Fernost über die bekannten Online-Platformen, ist die Realisiation eines entsprechenden Aufbaus mit geringem finanzielen Aufwand möglich. Allerdings ist etwas handwerkliches Geschick gefragt, dass sich aber in überschaubarem Rahmen hält.


Mein Aufbau der Empfangskette:


Die Wellen des 21cm-Signals werden von der Rohrantenne (links oben) aufgefangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das Signal ist sehr schwach und muss zunächst mit einem möglichst rauscharmen Vorverstärker (Low Noise Amplifier) im Pegel angehoben werden.
Danach erfolgt mittels eines Bandpassfilters eine Begrenzung der empfangenen Frequenzen auf einen Bereich um die 21cm Wasserstofflinie herum.
Bevor das Signal nun über ein Kabel zum SDR-Stick geschickt wird, wird es nochmals mittels eines weiteren LNAs verstärkt. Dieser Verstärker muss nicht unbedingt ganz so rauscharm sein wie der erste.
Das jetzt noch analoge Signal wird einem DVBT-Stick mit RTL2832U-Chipsatz zugeführt, der es in eine digitale Form bringt, die dann von einem PC mit geeigneter Software ausgewertet werden kann.
Die beiden LNAs sind aktive Baugruppen und brauchen eine geeignete Spannungsversorgung. Diese wird bei mir von einem kleinen, selbst gelöteten Board mit einem Spannungsregler bereit gestellt.


Die Kosten der einzelnen Komponenten lagen bei mir etwa bei:

~ 15,- Euro für Alu-Rauchrohr 150mm Durchmesser für die Antenne
~ 8,- Euro für erstes LNA-Modul
~ 15,- Euro für Alu-Rechteckrohr ca. 1m für Filter (220mm erforderlich)
~ 10,- Euro für 4 x SMA Einbaubuchsen
~ 12,- Euro für 5 x Verbindungskabel 15cm
~ 10,- Euro für weitere SMA-Kleinteile
~ 15,- Euro für Rauschquelle zum Filterabgleich
~ 5,- Euro für zweites LNA-Modul
~ 15,- Euro für einfachern RTL-DVBT-Stick (ich benutze einen vorhandenen etwas hochwertgeren)
? Coax-Kabel (hatte ich vorrätig)
? Spannungsversorgung aus Teilen der Bastelkiste

Macht in Summe etwa 105,- Euro


Im Prinzip ist das Empfangsteil damit funktionsfähig, ich habe allerdings noch ein Wenig "drum herum" gebaut ;-).



Blick in die Ofenrohr-Antenne mit der lambda/4-Sonde.


Rückseite meiner Ofenrohr-Antenne mit einstellbarer Reflektorplatte (Luxus!).


Mein Aufbau der Empfangseinheit. Oben "Ofenrohr", unten rechts erster LNA, unten mitte Filter, unten links zweiter LNA und dahinter ein 5 Volt Spannungsregler.
(Der erste LNA ist mittlerweile direkt an die Antenne montiert wie man im nächsten Bild sieht)



Etwas mehr "drum herum" mit Schrittmotor-Gabelmontierung und 45cm Vorsatz-Horn für eine kleinere Beamweite.


Blick ins 45cm Horn.


Ein paar mechanische Details der Gabelmontierung.


Ein besonderes Bauteil ist das Cavity-Bandpassfilter für 1420 MHz, da dieses im Eigenbau erstellt wurde. Das Design orientiert sich an den Angaben von Matjaž Vidmar auf seiner tollen Web-Seite: http://lea.hamradio.si/~s53mv/cavity/cavity.html.
Hier nun ein paar Bilder vom Bau meines Filters:


Teile fürs Bandpassfilter.


Die Erregersonden des Filters.


Fertiges Filter bei der Kontrollmessung.


Aufgenommene Filterkurve.


Filterkurve eines zweiten gebauten Filters.


cold/hot-Test mit Ermittlung der Systemtemperatur (ein Maß für das Eigenrauschen der Anlage im Verhältnis zur Nutzsignalempfindlichkeit).


Erster Nachweis intergalaktischen Wasserstoffs. Die beiden leichten "Beulen" bei 1420,2 MHz bzw. 1420,3 MHz dürften vom Wasserstoff stammen. Die unterschiedliche
Frequenzlage in verschiedenen Betrachtungsrichtungen deutet auf unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten der Wolken gegenüber dem Betrachter hin.



Weitere Aussichten:
Für meine ersten Versuche habe ich die Software HDSDR verwendet, diese ist für Radioastronomie leider schlecht geeignet, da sie zum Einen das Spektrum nur logarithmisch darstellt und zum Anderen keine Möglickeit bietet, die Spektren zum Zwecke der Weiterverarbeitung zu exportieren. Aus diesem Grunde werde ich versuchen auf eine Softwarelösung vom Astropeiler umzusteigen, dazu muss ich mich aber mit dem Linux-Betriebssystem befassen, mit dem ich bisher keinerlei Erfahrung habe. Es wird also noch spannend werden ;-).


Im Moment haben Viele von uns durch die Corona-Kriese viel Zeit. Ich habe noch ein paar Ideen für eine poor-Mans-Version der Antenne und des Filters, also noch einfacher und preiswerter (für Diejenigen, denen das hier noch zu teuer und aufwändig ist). Bei Erfolg wird dies natürlich hier auch veröffentlicht.


Zum Schluss möchte ich mich noch ganz besonders bei Wolfgang vom Astropeiler, der mich nach besten Kräften unterstützt hat und dies immer noch tut, bedanken. Allererste Klasse!!!


reinhard.lauterbach@freenet.de