Astrofotografie

Bau einer Kühlung für die Planetenkamera ZWO ASI178
Vor längerer Zeit hatte ich mir zu Experimentierzwecken ein 12-V-Peltierelement mit zwei montierten Lüftern gekauft. Die Kosten waren mit ca. 16 Euro sehr über-schaubar. Ich erinnerte mich daran und der Gedanke war geboren: Warum nicht meiner Planetenkamera eine Kühlung verpassen?

Die ersten Überlegungen gingen in die Richtung, was kaputt gehen könnte und welche Eingriffe nötig wären. Fallen Folgekosten an, so dass sich alles nicht lohnt? Als dann beide Baugruppen – Kamera und Peltierelement – vor mir lagen, war schnell klar: Einen Versuch ist es allemal wert.

Erster Grund zur Freude war die Passgenauigkeit von Kamera und Peltierelement. Die ungekühlten ASI-Kameras haben keine Anschlüsse auf der Rückseite, Datenka-bel und Anschluss für Autoguiding liegen seitlich. Außerdem besitzt zumindest die ASI178 auf der Rückseite vier Gewindebohrungen. Damit war klar, dass keine Eingriffe an der Kamera nötig waren. Zuerst entfernte ich den großen Lüfter am Peltierelement. Er sorgt für die warme Abluft. Auch den kleinen Lüfter nebst Kühlkörper, der die kalte Luft abblasen sollte, konnte ich entfernen. Die Konstruktion habe ich bei Ebay gefunden, sie ist aus Fernost. Sie war tatsächlich als Kleintierlüfter für heiße Tage vorgeschlagen worden. Zu meiner großen Freude waren die Schrauben des kleinen Lüfters sowie der Schraubenabstand absolut passgenau zu den Gewindebohrungen auf der Rückseite meiner Kamera. Wärmeleitpaste, die ich weiter verwendet habe, war noch auf dem Peltierelement und auch etwas am Kühlkörper des kleinen Lüfters. Damit waren die Kamera und das Peltier-element sofort zu verschrauben. Jetzt nur noch den großen Lüfter wieder aufsetzen, verschrauben und fertig. Na ja, so ganz noch nicht. Nötig waren noch ordentliche Verdrahtungen von Peltierelement und Lüfter mit guten Steckern, die auch Leistung aushalten (Abb. 1). Von den derzeit üblichen Hohlsteckern, wie sie an Kameras und anderem Zubehör verwendet werden, habe ich abgesehen. Die Wackelrate damit ist beträchtlich. Ich bin auf Chinchstecker umgestiegen und habe auch andere Bauteile bei mir schon umgerüstet. Die Stecker sind Standard im Radio-Elektronikbereich. Jetzt konnte die Stromaufnahme getestet werden. Es lagen zwischen 4 und 4,5 Am-pere am Messgerät an. Über APT (Astro Photography Tool) konnte ich die Tempe-ratur am Sensor auslesen. Die Umgebungs-temperatur war hier 22 °C. Die Sensortemperatur bewegte sich langsam gegen 5 °C. Damit war ich schon sehr zufrieden. Eine Temperaturabsenkung um 17 °C habe ich nicht erwartet. Ich befürchtete aber Probleme in der Praxis:

  1. Die Kamera hat keine Trockenkammer. Wie lange würde es dauern, bis das dem Sensor vorgebaute Glas-/IR-Filter be-schlägt?
  2. Bei welcher Außentemperatur kühlt der Sensor so stark ab, dass er vielleicht vereist?
  3. .Die Kühlung wird über das Kameragehäuse erreicht. Der Sensor hat keinen „Finger“, keine Verbindung, die direkt am Peltierelement anliegt. Damit kühlt das Kameragehäuse stark ab, es kann ggf. sogar vereisen.

Meine Tests liefen alle auf dem „Trockendock“, ohne dass die Kamera am Teleskop angebaut war. Ich erwartete eine Verschlechterung durch das Abfließen der Kühlleistung über die Zwischenringe hin zum Okularauszug. Der Wärmeaustausch erfolgt von einem Objekt höherer Temperatur zu einem Objekt niederer Temperatur, bis beide Objekte sich im Wärmegleich-gewicht befinden. Ich müsste also mehr Kühlleistung produzieren, um den Erfolg zu halten. Zusätzlich kondensiert Feuchtigkeit außen in hohem Maß. Aber ich konnte Lösungen finden.

Das Beschlagen des Sensors und auch des Korrektors – nur bei niedriger Außentemperatur – ist über eine Heizmanschette gelöst (Abb. 2). Sie wird um die Abstandsringe bzw. Adapterringe gelegt. Damit wird der kleine Raum vor dem Sensorglas bzw. Sensor und dem Korrektor (ca. 55 mm Abstand bei 2 Zoll Durchmesser) zur Trockenkammer umgewidmet. Auch ohne Korrektor sollte sich der Raum ausreichend aufwärmen. Im Sommer bei tropischen Nächten besteht da keine Gefahr. Es ist einfach warm genug. Die Heizmanschette macht ihrem Namen alle Ehre, sie heizt ordentlich und wird nicht nur warm. Sie zieht 1,3 Ampere Strom zusätzlich. Kleine Abweichungen nach oben oder unten sind möglich und ggf. regelbar (siehe unten). Alternativ, wenn man sowieso kaufen muss, ist Widerstandsdraht auch geeignet. Etwa 16 Ohm passend aufwickeln und auf die Isolation achten! Bei Nachbauten ist hier ein bisschen Probieren gefragt. Es gibt auch von ZWO Heizmanschetten zu kaufen. Die sind zwar für die gekühlten Kameras gedacht, scheinen aber auch hier zu funktionieren. Ein stufenlos einstellbarer PWM-Regler (Pulsbreitenmodulation) begrenzt vereinfacht gesagt die Spannung und damit die Heizleistung der Manschette. Damit ist der Widerstandswert nicht mehr so kritisch, Hauptsache sie heizt noch. Dieses Gerät ist bei den Kenndaten 12 V bis 24 V und 8 A für wenige Euro erhältlich.

Das Nichtbeschlagen des Sensorglases und das Nichtvereisen des Sensors wird dadurch erreicht, dass die Sensortemperatur über 0 °C gehalten wird. Im Frühjahr bei den ersten Versuchen hatte ich bei einer Außentemperatur von 11 °C durchaus -3 °C am Sensor und dann abgebrochen. Das verschwommene Bild war in der Vorschau am Laptop sichtbar. Zu einer speziellen Lösung hierzu komme ich weiter unten.

Das Kameragehäuse wird im Laufe der Nacht patschnass und tropft förmlich vor sich hin. Durch dieses Kondensieren entsteht ein Verlust der Kühlleistung. Ich habe mich deshalb entschieden, aus meiner Kamera in gewissem Sinn einen Kühlschrank zu machen (Abb. 3). Mit dem hier gezeigten Verpackungsschaum, der die Kamera völlig umschließt und nur eine Aussparung für das Datenkabel hat, wird die Kamera voll-ständig ummantelt. Der weiche Schaum ist geeignet. Styropor geht auch, schneidet sich mit dem Cutter aber viel schlechter und bröselt schrecklich. Das Ergebnis war umwerfend! Deutlich weiteres Herunterkühlen des Sensors und keine Feuchtigkeit mehr waren die Folge (Abb. 4).

Gedanken machte ich mir noch um die tieferen Außentemperaturen im Herbst bis zum Frühjahr. Wie schon erkannt, konnte die Sensortemperatur vor allem nach der Isolation deutlich unter den Gefrierpunkt fallen. Glücklicherweise war mein Astrofotofreund Willi Wacker derart begeistert von meinem Kühlprojekt, dass er sich gleich an die Arbeit machte, um seine Planetenkamera zu kühlen. Sein Freund Karl-Heinz Kower begleitete sehr interessiert unsere Bastelei und brachte eine Regelung für die Sensortemperatur ins Spiel. Die Kamera ist jetzt über einen kleinen programmier-baren Thermostat mit 5-A-Relais regelbar (Abb. 5). So ist die Solltemperatur der Kühlung einstellbar und ebenso die Hysterese (gemeint ist hier bei der thermostatgesteuerten Kühlung die Differenz von Ein- und Ausschalttemperatur). Das Peltierelement wird einfach zwischen die Anschlüsse des Relais geklemmt, fertig. Wenn die Außentemperatur es zulässt, regelt sich jetzt die Sensortemperatur zwischen 0,8 und 1,5 °C. Ich habe den Temperaturfühler des Gerätes zwischen Isolation und Kameragehäuse geklemmt. Das Gerät misst also die Oberflächentemperatur des Kameragehäuses und ich entscheide, bei welchem Adäquat der Sensortemperatur – abgelesen im APT – ich meine Set-Taste zwecks Programmierung drücke. Das Display ist rot beleuchtet und muss nachts eher etwas gedämpft werden.

Der finanzielle Aufwand ist mit ca. 12 Euro für das Peltierelement und ca. 12 Euro inkl. Porto für den Thermostat einschließlich eines kleinen passenden Gehäuses mini-mal. Die Heizmanschette hat meine Frau genäht. Nötige Zusatzwiderstände hatte ich noch, sie kosten aber auch nur wenige Cent. Gegebenenfalls kommen noch Steckverbinder dazu, so dass mit einem finanziellen Aufwand von maximal 35-40 Euro zu rechnen ist.

Die Frage ist nur, ob eine Planetenkamera mit ihren sehr kleinen Pixeln (hier 2,4 μm) das Richtige ist. Es gibt von ASI und sicher auch anderen Herstellern noch ungekühlte Kameras bis zum APSC-Format. Für bastelfreudige Einsteiger, die eine Planetenkamera haben, ist das auf jeden Fall lohnend. Wer sich eher für Deep-Sky-Aufnahmen entscheidet und eine dafür passende Kamera kaufen will, sollte eine ungekühlte Kamera mit größeren Pixeln und größerem Gesichtsfeld wählen. Bei Langzeitbelichtungen ist es günstiger fürs Rauschverhalten, wenn die Pixel nicht zu klein sind. Die Pixelgröße in Abhängigkeit von der Brennweite und des örtlichen Seeings sollte auf jeden Fall bedacht werden. Astrofotoanfänger, die sich einen Hauch Bastelei zutrauen, können hier ziemlich Geld sparen. Eine von vornherein gekühlte Astrokamera, die bis auf -30 °C herunterkühlt, kann das natürlich nicht ersetzen.

Trotzdem ist die Rauschminderung enorm und deutlich zu sehen, wie Wilfried Wacker in der Abbildung 6 dokumentiert hat. Im Vergleich zu einer ungekühlten DSLR, die im Sommer eine Sensortemperatur von gut 30 °C erreichen kann (ausgehend von 25 °C Außentemperatur plus 3 bis 6 °C durch den Betrieb), ergibt sich eine Absenkung um ca. 15 bis 20 °C – ein echter Erfolg.

Den Artikel beende ich aber nicht, ohne ein Bild mit dieser Anordnung zu zeigen (Abb. 7). Die Aufnahme entstand im heimischen Garten unter schwierigen Bedingungen, da eine Peitschenleuchte der Stadt 5 m entfernt am Straßenrand steht.

Alles hat viel Spaß gemacht und der gegen-seitige Kontakt zu Wilfried Wacker und Karl-Heinz Kower (wir alle gehören der FG Astrofotografie an) hat das Projekt beflügelt. So ein Erfolg setzt Anreize. Von Anfang an hat mich die Heizmanschette gestört. Damit ist das nächste Projekt am Horizont – eine Kammerheizung, integriert in einen 2-Zoll- oder T2-Adapter. Das Ziel ist, mit dem Sensor noch einmal 5 °C weiter herunter in den Minustemperatur-bereich zu kommen und weniger Strom für die Manschette zu benötigen. Wer mit seiner Ausrüstung mobil im Feld ist, sollte ja schließlich immer ein waches Auge auf den Ladezustand seiner Autobatterie oder seines separaten Akkublocks haben.

Allen, die etwas Ähnliches angehen wollen, viel Freude und Erfolg damit.

Autor: Harald Kaiser

Bezugsquellen für die Bauteile:
Peltierelement
über Ebay aus China, Lieferzeit ca. 5 Wochen, Suchbezeichnung: 12V-Peltierelement Modul Peltierkühler, Kosten derzeit 11,39 Euro portofrei.

PWM-Regler über Ebay, Suchbezeichnung: LED Dimmer PWM 12V-24V DC 8A Regler Helligkeitsregler Light Strip Controller DE, derzeit 6,54 Euro portofrei.

Thermostat und auch Widerstände und ggf. Wärmeleitpaste
z.B. bei: Reichelt Elektronik Art.-Nr. DEBO XH-W1209T und Gehäuse DEBO XH-W1209 C, Kosten ca. 12 Euro

Abb. 1: Kamera mit montiertem Peltierelement und Heizmanschette
Abb. 2: Anordnung der Widerstände in der Heizmanschette
Abb. 3: Isolationsring
Abb. 4: Kamera mit Isolierung
Abb. 5: Verbaute Thermostat
Abb. 6: Vergleich des Rauschens von Darks bei +30 °C (oben)und +9 °C (unten). Bild: Wilfried Wacker
Abb. 7: Irisnebel NGC 7023, am 20.06.2020 bei 3 °C, 49 x 120 s belichtet, am 22.06.2020 bei 5 °C, 56 x 150 s, Newton 250 mm/1.000 mm, keine Filter

Smartphonehalterung selbst gebaut
Die modernen Smartphones zeichnen sich zum Teil u. a. durch sehr gute Kameras aus. Das hegte bei mir den Wunsch, mein Smartphone für erste einfache Astrofotos an meinem 4,5-Zoll-Newtonteleskop einzusetzen. Ich habe bisher nur visuell beobachtet.

Da ich in meinem Keller eine kleine Werkstatt habe, lag es für mich nahe, es für die ersten fotografischen Experimente mit einer kostengünstigen Halterung im Selbstbau zu versuchen. In meiner Materialsammlung gab es noch ein Stück 16 mm dicke Korkplatte. Die erschien mir stabil genug. Als Befestigung des Smartphones wählte ich eine Siliconhülle, passend zu meinem Smartphone.

Im ersten Schritt habe ich die Korkplatte auf die Größe der Siliconhülle zugeschnitten und die Kanten mit Schleifpapier gerundet. Die Bohrung für das Kameraobjektiv habe ich mit einem Forstner-Bohrer mit einem Durchmesser von 34,6 mm (Topfbohrer für Türschaniere) gebohrt (Abb. 1 und 2).

Die Okulare haben einen ähnlichen Durchmesser, so dass ich damit auch gleich die Okularaufnahme realisieren könnte. Mit 16 mm ist die Platte auch dick genug, um ein Verkippen am Okular zu vermeiden. Ich musste keine zusätzliche Steckhülse fertigen. Bei Bedarf kann diese Bohrung mit Klebeband wieder etwas verengt werden.

Die Kanten habe ich mit einem Akkuschleifer gerundet (Abb. 3). Die Siliconhülle ist mit einer 5-mm-Senkkopfschraube auf der Korkplatte befestigt (Abb. 4). Dabei ist es wichtig, dass diese Schaube etwa in der Mitte der Hülle sitzt, um den Okularwechsel zu vereinfachen. Die Schraube wird auf der Rückseite mit einer Flügelmutter oder einem Sterngriff geklemmt. Damit kann ich die Okulare sehr flexibel wechseln (Abb. 5).

Die ersten Fotografien von den Jupitermonden (Abb. 6) und vom Mond (Abb. 7) zeigen das Ergebnis. Die Halterung ist ausreichend stabil, wenngleich ich noch weitere Übung brauche, um das Ergebnis zu verbessern. Nach vielen Jahren der Abstinenz ist mit diesem kleinen Projekt die Freude an der Astronomie bei mir neu aufgeflammt.

Autor: Hans-Ulrich Veith

Literaturhinweis:

[1] P. M. Oden, 2019: „Mondfotografie mit dem Smartphone“, Sterne und Weltraum 7/2019, S. 80

[2] DeepSkyCamera-App für Android Astrofotografe mit dem Smartphone

Abb. 1: Herstellung der Okularhalterung mit dem Forstner-Bohrer
Abb. 2: Bearbeitung der Bohrungsränder mit dem Elektroschleifer
Abb. 3: Ansicht okularseitig
Abb. 4: Ansicht kameraseitig
Abb. 5: Gesamtansicht von der Seite
Abb. 6: Der zunehmende Mond, aufgenommen mit der selbstgebauten Halterung an meinem 4,5-Zoll-Newton

Polhöhenwiege für Astrotrac TT320x und andere Reisemontierungen
Vor vielen Jahren während eines Praktikums habe ich mir eine Polhöhenwiege für meine erste parallaktische Montierung gebaut, die seinerzeit für ein kleines Tischfernrohr, das Multi 70 S von Vixen, gedacht war und auch genutzt wurde. Die Teile für die Polhöhenwiege stammen aus einem Schrottcontainer der Praktikumsfirma.

Die Bleche wurden an den Kanten mit einer Fräsmaschine überarbeitet, so dass sie am Ende winkelig waren. Die Maße der Polhöhenwiege ergaben sich im Wesentlichen aus den gefundenen Schrotteilen und nicht aus irgendwelchen Berechnungen. Die Klemmringe wurden auf der Drehbank gefertigt und dort auch exzentrisch gebohrt. Die Klemmringe und die Welle hat mir dann ein Kollege bei der Firma nach meinen Wünschen an die Bleche angeschweißt. Das Material besteht aus verschiedenen Edelstählen (was der Schrottcontainer eben so hergab). Das Ganze ist inzwischen etwa 30 Jahre her. Damals haben sich alle über die Eigeninitiative des Praktikanten gefreut. Heute wäre das so sicher nicht mehr ohne Weiteres möglich. So ändern sich die Zeiten.
Etwas Ähnliches lässt sich aber auch ohne Werkzeugmaschinen bauen, z.B. aus Holz. Die Steifigkeit der Polhöhenwiege hängt im Wesentlichen von dem Konstruktionsprinzip ab und weniger vom Elastizitätsmodul der Werkstoffe. Wesentlich ist, dass sich alle beweglichen Teile nach der Einstellung festklemmen lassen, so dass jegliches Spiel verschwindet. Es darf nicht einfach nur ein Winkel sein, der sich um den Drehpunkt herum elastisch verformt. Es sollte vielmehr geometrisch ein Dreieck darstellen, das die Verformung stark behindert, weil es durch die geschlossene Geometrie wesentlich steifer ist.
Eines schönen Tages, Jahre später, habe ich dann auf einem ATT in Essen die Reisemontierung Astrotrac TT320x gesehen und gekauft. Damals war die zugehörige Polhöhenwiege von Astrotrac ausverkauft und erschien mir für 350,- EUR auch ziemlich teuer. Jedenfalls kam mir bei dieser Gelegenheit mein altes Schätzchen wieder in den Sinn und wurde kurzerhand für den Astrotrac TT320x umgebaut (Abb. 1).
Die Polhöhenwiege lässt sich auch unter Last verstellen, in dem die beiden Inbusschrauben an der Klemmung etwas gelöst werden und sich der Neigungswinkel mit der Flügelmutter an der Gewindestange einstellen lässt. Das Widerlager der Gewindestange im Bereich der Flügelmutter ist der Kopf eines alten Fotostativs vom Flohmarkt, das für diesen Zweck herhalten musste. Der Kopf lässt sich ebenfalls festklemmen. Vielleicht ersetze ich alle Inbus- und Kreuzschlitzschrauben noch durch Rändelschrauben, so dass ich zum Einstellen kein Werkzeug mehr benötige, nach dem nächsten Baumarktbesuch wahrscheinlich. Die Polhöhenwiege hat einen sehr großen Einstellbereich, so dass sie, abgesehen von äquatornahen Bereichen, nahezu weltweit eingesetzt werden kann (Abb. 2).
Die Gewindestange ist spielfrei mit dem Winkel verbunden. Am oberen Ende der Gewindestange befindet sich eine Messingkugel aus dem Bastlerladen oder von einem alten Möbelstück – ich weiß es nicht mehr genau. Sie ist zwischen zwei Brettchen eingeklemmt und funktioniert als Gelenk. Alle an der Polhöhenwiege vorhandenen Gelenke können festgeklemmt werden, so dass die Wiege in sich kein Spiel hat und eine sehr große Steifigkeit aufweist. Auch unter großer Belastung verformt sie sich kaum und würde auch bei Verwendung von noch hö herwertigen Bestandteilen der Montierung wie Fotokopf, Astrotrac und Stativ nicht den Schwachpunkt des Ganzen darstellen.
Zur Befestigung des Astrotrac TT320 ist mir ein Vierkant-Aluprofil in die Hände gefallen. Das wurde mittig durchbohrt und im rechten Winkel dazu mit vier Schrauben auf dem Blech des Polhöhenwinkels geschraubt. Die vier Schrauben halten auf der Rückseite gleichzeitig das Brett, auf dem die Messingkugel für die Gewindestange eingespannt ist. Durch das untere Loch kann man mit Hilfe eines Inbusschlüssels die Schraube anziehen, die den Astrotrac TT320 hält. Die Mutter dient dem Kontern der Schraube. Wichtig für die Steifigkeit ist auch hier das geschlossene Vierkantprofil. Ein Winkel aus dem Baumarkt hätte es im Prinzip auch getan, wäre aber wesentlich elastischer gewesen und hätte die Steifigkeit der Gesamtkonstruktion stark beeinträchtigt (Abb. 3 und 4).
Schwierig war es, die 3/8-Zollschraube mit Kontermutter zu bekommen, um den Astrotrac 320 darauf zu befestigen. Hier hilft eine gut sortierte Grabbelkiste. Ab und zu hat auch der Stativhersteller Berlebach solche Schrauben im Angebot.
Mit dem verwendeten guten Fotokopf kann man dann auch schwere Objektive aufsetzten und mehrere Minuten problemlos nachführen, z.B. ein Pentax f = 500 mm, 1:4,5, mit Kamera auf der Montierung. Kamera und Objektiv wiegen zusammen ca. 5 kg (Abb. 5). Entscheidend für die mögliche Nachführdauer ist dann nur die vorherige genaue Polausrichtung. Das Batteriepack des Astrotrac TT320 habe ich einfach auf die Polhöhenwiege geschnallt (Abb. 6). Wenn es auf das Gewicht nicht so ankommt, benutze ich einen 12-V-Motorradakku, der auf dem Ablagebrett des Stativs liegt und der auch die Kamera versorgt.
An dieser Stelle noch eine kleine Verbesserung für den Astrotrac TT320. Die Befestigung des Polsuchers mit Magneten ist sicher eine Spielerei, denn das Polsucherfernrohr fällt bei kleinen unachtsamen Stößen nach unten aus der Halterung und zerschellt am Boden. Um das zu verhindern, ist es unbedingt erforderlich, das Polsucherfernrohr gegen Herausfallen zu sichern. Ich habe das mit Schaumstoffringen improvisiert, die ich über das Polsucherfernrohr gezogen habe und die größer sind als das Loch für den Polsucher, so dass der Polsucher nicht herausfallen kann. Außerdem dämpft der Schaumstoff den Aufprall, sollte es, aus welchen Gründen auch immer, doch einmal geschehen. Das Provisorium hält auch schon seit Jahren und ich habe nicht vor, es zu ändern (Abb. 7).
Zum Abschluss noch ein Foto des Orionnebels M42, das am Stadtrand von Olten in der Schweiz am 28.12 2016 mit dieser Montierung entstanden ist (Abb. 8). Allerdings mit einem alten Tele-Picon 1:4,5 / 400 mm von Piesker, Berlin, West-Germany, mit 5 min Belichtungszeit bei ISO 800 mit einer für die Astronomie modifizierten Canon 40 D. Vor dem Aufnahmechip war noch ein CLS-Filter in die Kamera eingeklipst. Kamera und Objektiv wiegen hier etwa 3,5 kg. Die Aufnahme ist ansonsten unbearbeitet. Sie zeigt außerdem, wie gut der Astrotrac TT320x funktioniert, der ja nicht fürs Guiden ausgelegt ist. Sie zeigt aber auch, wie wichtig eine gute Polausrichtung ist, und man sieht, dass die Montierung in ihrer Gänze mit der Belastung, Brennweite und Belichtungszeit noch nicht am Ende ist. Alles in allem bin ich mit diesem Aufbau für die Reise sehr zufrieden.
Autor: Christoph Jelsen
Abb. 1 Gesamtansicht der Polhöhenwiege
Abb. 2: Detailansicht Polhöheneinstellung der Polhöhenwiege
Abb. 3: Detailansicht exzentrische Klemmringe
Abb. 4: Detailansicht Aluminium-Vierkantprofil mit Befestigungsschraube für den Astrotrac TT320x
Abb. 5: Gesamtansicht Montierung mit Objektiv und Kamera
Abb. 6: Detailansicht Polhöhenwiege mit Batteriepack
Abb. 7: Detailansicht mit Polsucherfernrohr des Astrotrac TT320x, gegen Herausfallen gesichert
Abb. 8: M 42, aufgenommen mit Tele-Picon 1:4,5/400 mm, Belichtungszeit 5 min bei ISO 800 mit einer Canon 40Da

Selbstbau einer Kamerakühlung
Als langjähriger Astrofotograf frage ich mich immer wieder, wie man die Aufnahmetechnik weiter optimieren kann, um noch bessere Ergebnisse zu erreichen. Doch zunächst: Was macht überhaupt die Qualität eines guten Astrofotos aus? Eines von vielen Qualitätsmerkmalen einer Astrokamera ist die Fähigkeit, möglichst dunkle Himmelsbereiche zu detektieren.

So versuchen viele Astrofotografen zum Beispiel eine dunkelbraune Dunkelwolke vom fast schwarzen Himmelshintergrund zu trennen. Die erste Hürde für dieses Ziel ist die Lichtverschmutzung, die diese Objekte trotz längerer Einzelbelichtungszeit verschluckt. Diese Einschränkung kann man durch einen dunklen Himmel fern der Städte, durch Farbfilter oder auch Addition vieler Einzelbilder gut in den Griff bekommen. Allerdings bleibt im dunklen Hintergrund weiterhin eine pixelige Grundhelligkeit, die von dem thermischen Rauschen des Kamerachips herrührt. Betrachtet man das Histogramm des Dunkelbildes (Belichtung bei geschlossener Kamera), so findet man am unteren (dunklen) Ende nahezu eine Normalverteilung von Helligkeitswerten, eben dieses thermische Rauschen (Abbildung 1). Im Folgenden möchte ich dieses Rauschen mit der mathematischen Kenngröße der Standardabweichung, einem Maß für die Breite der Verteilung, quantitativ beschreiben. Diese Kenngröße eines Bildes ermittele ich mit der Software „Pix- Insight“. Da bei diesen kurzen Belichtungszeiten die Verteilung des Rauschens links im Histogramm abgeschnitten wird, erscheint die berechnete Standardabweichung etwas geringer, als sie tatsächlich ist. Längere Belichtungszeiten bei so hohen ISO-Werten sind bei mir dank lichtstarker Optiken unüblich. Alternativ zur Standardabweichung kann auch die Dateigröße eines Bildes als quantitatives Maß für die Rauschleistung herangezogen werden. Die folgenden Testbilder im cr2-Format sind mit 14 bit aufgenommen worden. Um eine von der bit-Tiefe des Digitalbildes unabhängige Skalierung für die Helligkeit bzw. Standardabweichung der Pixel zu bekommen, skaliere ich meine Diagramme und Angaben von „Schwarz“ = 0 ADU = 0 und „Weiß“ = 16.383 ADU = 1.

Schaut man sich ein verrauschtes Bild an, so fällt es bei den schwächsten Sternen schwer zu sagen, ob da nun tatsächlich ein Stern ist oder nur ein paar Pixel, die zufällig gerade etwas heller rauschen. Durch Addition oder Vergleich vieler Einzelbilder desselben Objektes lassen sich diese schwachen Details am PC dann doch herausrechnen, was aber die Gesamtbelichtungszeit deutlich erhöht. So sind viele der aktuellen „Astrofotos des Jahres“ nur mit vielen Stunden oder sogar Tagen an Gesamtbelichtungszeit entstanden. Bei dieser Methodik muss aber gesagt werden, dass sich durch Addition lediglich die Standardabweichung verkleinern lässt, nicht aber die mittlere Hintergrundhelligkeit. Die Verteilung wird schmaler, so dass schwache Details aus dem Rauschen heraustreten. Für qualitative Astrofotos muss es somit Ziel sein, sowohl die mittlere Hintergrundhelligkeit als auch die Standardabweichung zu verkleinern.

Die Ursache des thermischen Rauschens des Kamerachips ist die Temperatur und ihre Infrarotstrahlung, die einzelne Pixel schwach anregt. Dieses Rauschen ist somit abhängig von der eingestellten ISO-Empfindlichkeit (Abbildung 2) und der Chiptemperatur. Senkt man also die Temperatur, so verringert sich das Rauschen (Abbildungen 3 und 4).

Im Dauerbetrieb einer Kamera erwärmt sich allerdings der Chip zunehmend um ca. 10 K gegenüber der Umgebungstemperatur, was das Rauschen zunehmen lässt. An dieser Stelle drängt sich nun die Idee auf, durch eine aktive Kühlung das Rauschen zu reduzieren. Seit Kurzem sind Spiegelreflexkameras auf dem Markt, die mittels Peltierelementen, Kühlkörper und Lüfter den Kamerachip von hinten kühlen sollen. Ich glaube durchaus, dass diese gekühlten Kameras gute Dienste leisten und der Astrofotografie in gewisser Weise einen Quantensprung bescheren werden. Für den horrenden Preis dieser Kameras habe ich jedoch kein Verständnis, führt man sich vor Augen, dass die notwendigen Bauteile einer solchen Kühlung meist Standardware des PC-Tuningbereiches sind und für weniger als 100 Euro zu kaufen sind. So wollen wir doch einmal schauen, ob sich eine solche Kühlung nicht leicht selbst bauen lässt.

Einen Kühlkörper von 53 mm x 53 mm x 20 mm und einen kleinen Lüfter hatte ich seit vielen Jahren zu Hause, ohne zu wissen, wofür ich dies irgendwann einmal brauchen würde. Hinzu bestellte ich mir noch ein Peltierelement (TEC1-12710) für ca. 4 Euro. Dieses Peltierelement ist eine kleine, flache, quadratische Keramik, die auf der einen Seite kalt und auf der anderen Seite warm wird, wenn man sie mit Gleichstrom versorgt. So klappte ich bei meiner Canon EOS 60Da den Bildschirm zur Seite und setzte dieses Peltierelement mit Wärmeleitkleber auf die Rückseite des Kameragehäuses, wo in etwa der Chip liegt (Abbildung 5). Auf das Peltierelement kamen ein Wärmeleitklebestreifen, Kühlkörper und Lüfter, deren Funktion es ist, die Wärme der heißen Seite des Peltierelements möglichst schnell abzuführen. Die Spannung des Peltierelementes regelte ich auf 5 Volt mit ca. 1,5 Ampere, da bei dieser Spannung der Kühlkörper kaum warm war, also nicht überfordert war. Bei größeren Spannungen kann es zu einem Wärmestau kommen, so dass selbst die kalte Seite des Peltierelementes warm wird.

Ich startete eine Belichtungsreihe mit 298 Sekunden Einzelbelichtungszeit und nur kurzen Pausen von 2 Sekunden. Gleich beim Start setzte ich die aktive Kühlung (kalte Seite des Peltierelements, ca. 2 °C) hinten auf die Kamera, die etwas oberhalb der Umgebungstemperatur von 17,8 °C vorgewärmt war. Das Ergebnis war eindeutig. Das Rauschen nahm im Vollbetrieb innerhalb von 60 Minuten um gerade mal 10% zu, bei ca. 20 °C Chiptemperatur (Abbildung 6). Als ich jedoch die Kühlung entfernte, nahm das Rauschen rasch zu und die Chiptemperatur lag nach 60 Minuten ohne Kühlung bei ca. 28 °C. Abschließend pausierte die Kamera und wurde erneut für 30 Minuten gekühlt. Das Rauschen konnte nochmals gesenkt werden und der Chip nahm eine Temperatur von ca. 15 °C an. Auch visuell tritt eine merkliche Verbesserung des Rauschens ein (Abbildung 7).

Bereits dieser einfache Aufbau zeigt eine deutliche Reduzierung des Rauschens. Ich werde den Kühlkörper und den Lüfter noch etwas vergrößern. Das eigentlich Bemerkenswerte an dieser kostengünstigen wie effektiven Lösung zur Verbesserung der Astrofotos ist, dass sich diese Idee noch nicht früher herumgesprochen und durchgesetzt hat. Ich denke, schon bald werden viele Spiegelreflexkameras in der Astrofotografie mit passiven oder aktiven Kühlsystemen ausgestattet sein. Zu Beginn werden die meisten aufgrund des erheblichen Preisunterschiedes wahrscheinlich Selbstbau-Lösungen sein. Meiner Meinung nach macht dieses Tüfteln zu einem großen Teil unser Hobby aus. Viel Spaß beim Basteln!

Autor: Peter Köchling


Abb. 1: Oben das Histogramm des roten Kanals von 0,00 bis 0,02 eines Dunkelbildes, aufgenommen bei -9,9 °C. Unten das Dunkelbild bei 21,1 °C. Belichtungszeit 118 s  bei ISO 6400 auf Canon EOS 60Da. Die Verteilung des thermischen Rauschens wird mit höheren Temperaturen breiter, die Standardabweichung nimmt also zu.
Abb. 2: Das Rauschen des Kamerachips in Abhängigkeit von der ISO-Empfindlichkeit  einer Canon EOS 400D und 60Da mit 298 s Belichtungszeit.
Abb. 3: Hier sind die Standardabweichungen des roten, grünen und blauen Kanals einer Belichtungsreihe von Dunkelbildern gezeigt. Mit zunehmender Umgebungstemperatur nimmt die Standardabweichung zu (Schwarz = 0, Weiß = 1). Jedes Einzelbild ist mit einer Canon EOS 60Da bei 118 s und ISO 6400 entstanden. Ein Weißabgleich wurde nicht durchgeführt, so dass der rote Kanal stärker rauschend erscheint.
Abb. 4: Hier sind die Standardabweichung des roten, grünen und blauen Kanals (mit Weißabgleich) einer Belichtungsreihe von Dunkelbildern gezeigt, aufgetragen gegen die Temperatur des Kamerachips, gemessen mit einem Infrarotthermometer kurz vor der  Belichtung. Jedes Einzelbild ist mit einer Canon EOS 60Da bei 298 s und ISO 3200 entstanden.

Abb. 5: Der Testaufbau: Die Canon EOS 60Da mit Peltierelement, Kühlkörper und Lüfter. Die Kühlung ist mit speziellem Wärmeleitklebeband festgeklebt und lässt sich leicht wieder entfernen.
Abb. 6: Jeder Balken zeigt die Belichtungszeit und das Rauschen im roten, blauen und grünen Kanal, bei 298 s mit ISO 3200. Die Zunahme des Rauschens nach 60 Minuten mit Peltierkühlung der Canon EOS 60Da im vollen Betrieb beschränkt sich auf ca. 10%. Ohne Peltierkühlung verdoppelt sich das Rauschen innerhalb einer Stunde durch die Erwärmung des Kamerachips. Durch anschließendes Vorkühlen für eine halbe Stunde kann die Chiptemperatur sogar unter die Umgebungstemperatur gesenkt werden.
  Abb. 7a-7c: Dunkelbilder (Ausschnittsvergrößerung, Histogramm gestreckt) der Canon EOS 60Da mit Einzelbelichtungszeit 298 s bei ISO 3200 und Umgebungstemperatur 17,8 °C, oben ohne Peltierkühlung nach 60 Minuten im Dauerbetrieb. Mitte mit Peltierkühlung nach 60 Minuten im Dauerbetrieb, unten nach 30 Minuten mit Peltierkühlung zur Vorkühlung. Die lästigen Hotpixel gehen dank Kühlung deutlich zurück.