Was ist ein Planetarium?

Praktikumsarbeit von
Eike Nenninger (Schülerpraktikant im April/Mai 2003)
Florian Leitner (Schülerpraktikant im Mai/Juni 2003)

Planetarium

Ein Planetarium ist ein Gebäude mit einer halbkugelförmigen Projektionsfläche, auf die von der Mitte der Halbkugel mit einer speziellen Projektionsmaschine - dem Planetariumsprojektor - der natürliche Sternenhimmel naturgetreu projiziert wird. Mittels der Gerätebewegungen lässt sich die Bewegung des Sternenhimmels simulieren. Das Planetarium stellt die unterschiedlichsten Bewegungsformen des Himmels und der Planeten mit stark vergrößerter Geschwindigkeit dar und ist deshalb hervorragend für Demonstrations- und Lehrzwecke geeignet.

Ein Planetarium wird darüber hinaus als Sternentheater für Vorführungen und Veranstaltungen bildender, kultureller und unterhaltsamer Art eingesetzt. Damit dient es der Weiterbildung von Kindern, Schülern und Studenten, sowie der Horizonterweiterung eines interessierten Publikums und der Allgemeinbildung. Aber auch als Lokalität für Hörspiele und Konzerte unter dem künstlichen Sternenhimmel findet es Verwendung.

Was ist der Unterschied zu einer Sternwarte?

In einem Planetarium wird ein künstlicher Sternenhimmel erzeugt, um dem Publikum anschauliche Einblicke in die astronomischen Grundtatsachen zu geben. In einer Sternwarte betrachtet man den natürlichen Sternenhimmel mit einem Teleskop zu Beobachtungs- oder Forschungszwecken.

Vorläufer des Planetariums: Astronomische Uhren und Armillarsphären

Rekonstruktion des Antikythera-Mechanismus, Griechenland um 500 v. Chr.

Rekonstruktion des Antikythera-Mechanismus, Griechenland um 500 v. Chr.


Die ersten astronomischen Maschinen und Uhrwerke, die als Vorläufer des Planetariums angesehen werden können, gab es schon vor über 2.000 Jahren.

Rekonstruktion einer Armillarsphäre; Planetarium Orange

Rekonstruktion einer Armillarsphäre; Planetarium Orange

Zifferblatt der astronomischen Uhr im Dom zu Münster

Zifferblatt der astronomischen Uhr im Dom zu Münster

Da sie jeweils nur eine oder wenige Bewegungen des Planetensystems simulieren, z.B. den Lauf von Sonne und Mond durch den Tierkreis, oder den Umlauf der Erde um die Sonne, kann man sie jedoch nicht mit modernen Planetarien vergleichen, die alle wichtigen Bewegungen des Planetensystems in einer Weise darstellen, die der Beobachtungssituation in der Natur entspricht. Ein frühes Beispiel für eine astronomische Uhr ist der Mechanismus von Antikythera, der Sonnen- und Mondstände anzeigt.

Die Prinzipien für den Bau einer einfachen astronomischen Uhr werden in einem pdf-Dokument einführend erläutert, das hier zurm Download vorliegt.

Download: astrouhr.pdf (101 KB)

Moderne Projektionsplanetarien

Heute prägt die ständige Veränderung in der Technik und die Entwicklung neuer Projektionsprinzipien (genannt seien Laser oder Glasfaserlichtleiter) die Konstruktion der modernen Planetariumsprojektoren.

In Recklinghausen gibt es ein Kleinplanetarium mit einem Kuppeldurchmesser von 8 Metern und 74 Sitzplätzen. Großplanetarien haben Kuppeldurchmesser bis zu 30 Metern und mehrere hundert Sitzplätze, was auch den Einsatz einer leistungsstärkeren Projektionsmaschine erfordert.

Das Recklinghäuser Planetarium besitzt seit 1985 den Zeiss- Kleinplanetariumsprojektor ZKP2. Von 1966 bis 1985 war der Zeiss-Projektor ZKP1 in Betrieb. Das ZKP2 ist ein Planetariumsprojektor in der klassischen Hantelform und weist alle wesentlichen Funktionen zur Darstellung des Sternenhimmels für alle Orte der Erde, der Fixsternpräzession und des Planetenlaufes aus der Sicht der Erde auf. Alle ca. 6.000 mit bloßen Auge sichtbaren Sterne werden projiziert, ebenso die Milchstraße und die hellsten nebelartigen Objekte wie die Andromeda-Galaxis, der Orionnebel und der Sternhaufen Präsepe im Sternbild Krebs. Ferner ist die Darstellung von Koordinatenlinien möglich, womit der Einsatz des Projektors in der Lehre der Sphärischen Geometrie, der Positionsastronomie und der astronomischen Navigation möglich ist.

Der Recklinghäuser Planetariumsprojektor

Der Planetariumsprojektor besteht aus einer Vielzahl einzelner Projektionseinrichtungen für die Sterne, die Sonne, den Mond, die Planeten, die Milchstraße und diverse Koordinatenlinien. Während für jeden der klassischen Wandelsterne (Sonne, Mond, Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn) jeweils ein eigener beweglicher Projektor installiert ist, werden die Fixsterne durch zwei helle Lampen in den sogenannten Fixsternkugeln erzeugt. Alle Projektoreinheiten sind in das hantelförmige Hauptgerät integriert, welches von einem Schaltpult kontrolliert und gesteuert wird. Der gesamte Projektor ist auf einen Grundring mit weißen und blauen Raumleuchten montiert.

Erläuterung der verschiedenen Projektionseinrichtungen

1) Sternprojektion

Sternprojektion im Planetarium Recklinghausen: Die Lichtauslässe der Fixsternkugeln sind mit Linsen versehen, die das Bild der Sterne scharf auf die Projektionskuppel in einem Abstand von ca. 4 m abbilden. Sie enthalten Sternfeldblenden, die entsprechend der natürlichen Sternverteilung Löcher aufweisen und so das Licht und die Position einzelner Sterne simulieren. Die Sternhelligkeit wird durch die Größe der Löcher und damit der Größe des Sternflecks an der Kuppel dargestellt.

Sternenhimmel im Planetarium

Blick von außen auf eine Sternfeldblende bei eingeschalteter Projektion

Blick von außen auf eine Sternfeldblende bei eingeschalteter Projektion
An beiden Fixsternkugeln ist jeweils ein Projektor für einen Teilabschnitt der Milchstraße angebracht. An der nördlichen Fixsternkugel ist noch ein Projektor für die Linie der Ekliptik befestigt. Die Ekliptik ist eine gedachte Ebene im Planetensystem auf der die Sonne und die Planeten zu sehen sind. Sie ist zugleich die Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Sie läßt sich als didaktisches Hilsfmittel mit dem kleinen Projektor in die Kuppel projizieren. Vergleichbare Projektoren gibt es auch für die astronomischen Koordinatenlinien des Meridians und des Himmelsäquators.

2) Projektion der Sonne, des Mondes und der Planeten

Die Erde läuft innerhalb eines Jahres um die Sonne herum. Ihre Bahn ist nahezu kreisförmig mit der Sonne im Mittelpunkt dieses Kreises. Auch die anderen Planeten des Sonnensystems wandern auf kreisähnlichen Bahnen verschiedener Größe um das Zentralgestirn unseres Planetensystem. Bei der Beobachtung von der bewegten Erde sieht man, wie die Planeten mit verschiedenen Geschwindigkeiten entlang der Ekliptik laufen. Immer wieder gibt es dabei auch rückläufige Bewegungsphasen. Sie treten auf, wenn die Erde einen äußeren Planeten auf der Innenbahn überholt, oder selbst innen von einem der inneren Planeten Merkur oder Venus überholt wird. Das Planetarium veranschaulicht diese kuriosen Bewegungsformen der Planeten.

Umlauf der Erde um die Sonne (schematisch)

Umlauf der Erde um die Sonne (schematisch):
Die Rotationsachse der Erde schließt mit der Senkrechten auf der Umlaufsbahn einen Winkel von 23,5° ein.
Planetenschleife am Planetariumshimmel Der scheinbare Lauf der Sonne auf der Ekliptik wie auch die Bewegungen des Mondes und der Planeten werden bei einem Planetariumsprojektor mittels mehrerer Umlaufgetriebe und zusätzlicher Zwischengetriebe bewirkt, die die einzelnen Projektoren entsprechend ihrer scheinbaren Bewegungsverhältnisse in der Natur steuern.
Der Antriebsmotor für die Jahresbewegung ist stufenlos regelbar und ein Jahr lässt sich damit auf eine Zeitspanne von etwa 30 Sekunden zusammenraffen.

Mechanismus innere Planeten

Die Projektoren für Sonne und Gegenschein, Merkur, Venus und Mond in Aktion:
v_iplan.avi (2,5 MB)

 

Für die Videos ist ein installierter DivX-Codec erforderlich.
Die Projektoren für die Wandelsterne liegen zwischen den Fixsternkugeln und der zentralen Kugel in der Gerätemitte. In einem Planetarium werden die Planeten nicht wie in einer astronomischen Uhr durch Zeiger dargestellt, sondern durch Lichtprojektoren. Zwischen der nördlichen Fixsternkugel und der zentralen Kugel liegen die Projektoren für die Sonne, die inneren Planeten Merkur und Venus und den Erdmond. Aber auch zwei weitere Hilfsprojektoren sind auf dem Mechanismus für den Sonnenprojektor installiert: der Projektor für den Gegenschein, der auf den Oppositionspunkt zur Sonne gerichtet ist, in den auch der Erdschatten weist, und ein Projektor für ein Zählwerk, der die momentane Jahreszahl über das Sonnenbild projiziert.

Mechanismus äußere Planeten

Die Projektoren der äußeren Planeten Mars, Jupiter und Saturn:
v_aplan.avi (2,5 MB)

zunehmende Mondsichel

zunehmende Mondsichel

3) Die Mondphasen

Die Mondphasen entstehen, weil nur eine Seite des Mondes von der Sonne beleuchtet wird und wir immer nur einen veränderlichen Anteil dieser hellen Seite von der Erde aus sehen können. Kann man seine helle Seite ganz sehen, ist Vollmond. Er steht der Sonne dann gegenüber. Zeigt er uns die dunkle Seite, so ist Neumond. Er steht dann bei der Sonne und wandert gemeinsam mit ihr über den Tageshimmel.

buckliger Mond

buckliger Mond

Im Mondprojektor eines Planetariums befindet sich eine kleine drehbare Schalenblende. Bei Vollmond liegt die Schalenblende an der Wand des Projektorinneren an. Man sieht folglich ein vollständig rundes Mondbild. Wenn sie sich weiter dreht, verdeckt sie das Mondbild immer weiter bis zum Neumond. Danach gibt sie das Mondbild bis zum nächsten Vollmond wieder frei.

4) Der Tagesgang

Der Planetariumsprojektor simuliert durch Drehen der einzelnen Projektoren für die Sonne, den Mond, die Planeten und die Fixsterne das tägliche scheinbare Auftauchen und Verschwinden der Gestirne. Die Projektoreinheit wird von einem am Mittelstück des Gerätes angebrachten Motor angetrieben. Die Drehzahl kann über einen Widerstand stufenlos geregelt werden.

Erddrehung

Erde und Erdachse

Strichspuraufnahme

Strichspuraufnahme des Himmelspols

Tagesgang

Der Tagesgang
v_tag.avi (2,5 MB)

5) Verlagerung des Beobachtungsortes auf andere geografische Breiten

Der sichtbare Anteil des Sternenhimmel verändert sich, wenn man sich an einen weiter südlich oder nördlich gelegenen Beobachtungsort auf der kugelförmigen Erde begibt. Man sieht den Sternenhimmel dann gewissermaßer aus einer veränderten Haltung und alle Sternbahnen verlaufen steiler (bei einer Reise in die Tropen) oder flacher zum Horizont (bei einer Reise zur Polarregion). Ein Beobachter am Nordpol z.B. sieht nur die Sterne der nördlichen Hemisphäre in konstanter Höhe über dem Horizont kreisen. Am Äquator sieht man ein Auf- und Untergehen aller Sterne, die sich senkrecht über den Horizont erheben oder in diesen hineinwandern. Auf mittleren Breiten sieht man schräg verlaufende Sternbahnen bei den meisten Sternen; manche - die zirkumpolaren Sterne - umrunden den Pol vollständig ohne unter den Horizont hinabzusinken.

Zur Einstellung des Sternenhimmels für jeden Breitenkreis auf der Erde kann der Hauptkörper des Gerätes um eine waagerecht liegende Achse (Horizontalachse) gedreht werden. Der entsprechende Motor und das Übersetzungsgetriebe befinden sich im Grundring des Gerätes.

Polhöhe

Veränderung der Polhöhe
v_polh.avi (2,5 MB)

6) Präzessionsbewegung der Sternensphäre

Die Erde vollführt innerhalb von ca. 25.700 Jahren eine Taumelbewegung, bei der die Erdachse einen Kegelmantel beschreibt - die sogenannte Präzessionsbewegung.

Die Taumelbewegung der Erdachse (schematisch)

Die Taumelbewegung der
Erdachse (schematisch)

Sternkarte mit Präzessionskreis

Sternkarte mit Präzessionskreis um den Nordpol der Ekliptik im Sternbild Drache. Die Jahreszahlen deuten an, wo der Nordpol in vergangenen Zeiten stand bzw. in zukünftigen Zeiten steht.

Aufgrund dieser langsamen Verlagerung der Erdachse wandert der Frühlingspunkt systematisch durch alle Sternbilder des Tierkreises.

Auch stehen nach und nach ständig andere Sterne in der Nähe der Himmelspole, denen dann in verschiedenen Epochen dieses Zyklus - dem sogenannten Platonischen Jahr - die Funktion eines Polarsterns (ein Stern der in der Nacht scheinbar immer an der gleichen Stelle am Himmelsnordpol steht) zukommt. Folglich wird nach einiger Zeit unser jetziger Polarstern nicht mehr am Himmelsnordpol stehen. In ca. 12.000 Jahren wird Wega Polarstern sein.

Die Präzessionsbewegung wird durch die Drehung der Fixsternkugeln um die Längsachse des Projektors simuliert. Die Längsachse zeigt folglich auf den ekliptischen Pol. Bei der Präzessionsbewegung verändern sich nur die ekliptischen Längen der Sterne, nicht jedoch die ekliptischen Breiten.

Planetariumsprojektor - Präzession
Drehung der Fixsternkugeln:
v_praez.avi (2,5 MB)
 
Für die Videos ist ein installierter
DivX-Codec erforderlich.
 
Drehung der Südkugel:
v_praez2.avi (2,5 MB)
Südkugel - Präzession

7) Darstellung der Himmelskoordinaten

Die Lage eines jeden Sterns und Planeten wird durch die Angabe von Gestirnskoordinaten bestimmt. Die Himmelskoordinaten lassen sich durch Hilfslinien in der Planetariumskuppel veranschaulichen. Der Himmelsäquator ist eine Erweiterung des Erdäquators in das Weltall. Die Ekliptik ist die Bahn, auf der die Sonne durch den Tierkreis läuft. Sie kann in zwölf Monatsabschnitte unterteilt werden. Jeden Monat steht die Sonne in einem anderen Tierkreiszeichen.

Koordinatendarstellung im Planetarium Recklinghausen

Koordinatendarstellung im Planetarium Recklinghausen

Die Planeten laufen ebenfalls entlang der Ekliptik. Die Punkt, an denen die Ekliptik den Äquator schneidet nennt man Frühlings- und Herbstpunkt. Wenn die Sonne im Frühlings oder Herbstpunkt steht, ist der Tag genauso lang wie die Nacht. Dies nennt man Tag-Nacht-Gleiche. Wenn die Sonne sich von der Südhälfe des Himmels kommend den Äquator quert, ist Frühlingsanfang. Herbstanfang ist, wenn sich die Sonne von Norden her kommend auf den Äquator begibt. Der Meridian steigt am Nordhorizont senkrecht auf und läuft durch den Himmelspol und den Zenit senkrecht auf den Südhorizont zu. Alle Koordinaten inien sind in Grad-, Stunden oder Monatseinheiten unterteilt.

Bewegung des Stunden- und des Vertikalkreises

Bewegung des Stunden- und des Vertikalkreises:
v_koor.avi (2,5 MB)

Der Projektor für den Stundenkreis ist drehbar im Mittelstück des Gerätes gelagert. Die von ihm projizierte Lichtlinie führt vom Pol senkrecht zum Äquator. Der Projektor kann auf jeden beliebigen Stern eingestellt werden und nimmt an der Tagesdrehung teil. An der Zentralkugel hängen außerdem zwei Einrichtungen für die Projektion der Äquatorlinie in die Kuppel. An der östlichen Gerätesäule ist ein Projektor für den Meridian befestigt. Auf dem Grundring befinden sich drei weitere drei Projektoren. Die zwei äußeren dienen zur Projektion des horizontnahen Lichtes das in der Morgen- und Abenddämmerung vom Horizont her leuchtet. Der Projektor in der Mitte auf dem Grundring projeziert eine weitere Hilfslinie, den sogenannten Vertikalkreis.

Praktikumsarbeit von
Eike Nenninger (Schülerpraktikant im April/Mai 2003)
Florian Leitner (Schülerpraktikant im Mai/Juni 2003)

 

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