Das Schleifen eines Fernrohrspiegels

von Herbert Zellhuber

Eigentlich wollte ich mir gar kein 150-mm-Teleskop bauen, mich interessierte hauptsächlich nur die Herstellung eines Fernrohrspiegels.

1. Der Grobschliff
Den 150er Glasrohling mit Schleif- und Poliermittel besorgte ich mir von der VdS-Materialzentrale für insgesamt 65 €. Während des ITV 2002 führte Stathis Kafalis einen Spiegelschleif-Workshop und Rüdiger Heins einen Schleifmarathon durch. Da konnte ich schon hautnah miterleben, wie ein Fernrohrspiegel entsteht.
Beim Steinmetz holte ich mir dann noch eine ebene Steinplatte, die ich mit einer Flex zu einer Scheibe mit 150mm bearbeitete und als Schleifschale benutzte. Nachdem der Spiegel an einer Seite 1mm angefast war, begann ich zu schleifen. Ich legte hierzu einen Lappen auf die Werkbank, darauf die runde Steinplatte und gab etwas 80er Carbo mit Wasser hinzu. Mit ganzen Strichen und seitlichem Überhang wurde dann die Glasplatte laut knirschend über die Platte geschoben. Hin und wieder wurde die Schleifschale gedreht, um das Glas gleichmäßig auszuhöhlen. Wenn das knirschende Geräusch merklich nachließ, nahm ich die Glasscheibe ab und gab frisches Carbo und Wasser hinzu. Nach einer halben Stunde war auch schon eine Aushöhlung der Glasplatte erkennbar. Nach ein paar weiteren Stunden war die Mulde schon über 1mm tief (ich legte ein Lineal auf und maß den Spalt mit einer Fühlerlehre). Da ich einen Spiegel mit f/7 bis f/8 haben wollte, sollte die Vertiefung 1,3mm betragen; das war also schon erreicht. Um die kugelförmige Aushöhlung genau nachmessen zu können, baute ich ein Sphärometer, ähnlich wie es Martin Trittelvitz in seinem Buch "Spiegelfernrohre - selbst gebaut" auf S.25 beschreibt. Dabei erkannte ich, dass die Mitte des Spiegels bereits eine Brennweite von 900mm hatte, die äußeren 30mm zum Rand hin allerdings erst 1800mm. Ich vertauschte nun Schleifschale und Spiegel - die Schleifschale lag nun auf dem Spiegel - damit zum Rand hin mehr Material abgetragen wird. Nach mehreren Schleifstunden sah ich, dass zwar die Schleifschale schon merklich dünner wurde und das Schleifmittel erheblich abnahm, der Rand aber längst noch nicht die gewünschte Form hatte. Ich bat deshalb Martin Trittelvitz um Rat. Er meinte, dass es das Beste wäre, ein dickes Metallrohr (Flansch oder ähnliches) zu nehmen, um damit konzentriert den Rand zu bearbeiten. Das war wirklich ein guter Tipp! Mit einem Messingrohr aus der Schrottkiste schliff es sich wesentlich effektiver und erzeugte weit weniger Schlamm als der Stein.

Links die Schleifschale aus Stein, die sich nicht bewährte. Auf dem Spiegel liegt das Messingrohr, mit dem der Randbereich bearbeitet wurde. Mitte oben: Sphärometer
2. Die Herstellung der Schleifschale
Als nächstes benötigte ich eine passende Schleifschale für den Feinschliff, mit der auch eine möglichst ideale Sphäre erreicht werden sollte. Im Baumarkt verlangte ich harte, unglasierte Fliesen, wobei mir der Verkäufer sogenannte Feinsteinzeug-Fliesen empfahl. Zufällig waren zerbrochene Fliesen da, die ich umsonst mitnehmen konnte. Ich besorgte noch eine Tüte Gips, mit der ich das Fliesentool herstellte. Dazu machte ich mir aus einem Pappstreifen eine Manschette, die ich um den Spiegel spannte. Innen kleidete ich die Form mit Frischhaltefolie aus, um das Gipstool ohne Probleme wieder von der Pappe und dem Spiegel lösen zu können. Dann gab ich den Gipsmörtel in die Form. Nach einer halben Stunde war der Gips so fest, dass die Form entfernt werden konnte. Das Ganze ließ ich eine Woche trocknen. Inzwischen schnitt ich aus den Fliesen diverse quadratische und dreieckige Plättchen aus. Beim flexen muss man aufpassen, dass sich die Fliese nicht zu stark erhitzt, sonst bricht sie. In diese Feinsteinzeug-Fliesen muss man die Rillen auf beiden Seiten ziemlich tief schleifen, um sie wie gewünscht brechen zu können. Die Kanten der Plättchen schliff ich einigermaßen gerade, rundete die Ecken ab und faste sie auf einer Seite leicht an.
Als das Gipstool trocken war, klebte ich die ausgeschnittenen Steinchen darauf. Den Spiegel deckte ich vorsichtshalber mit Frischhaltefolie ab. Auf der hinteren Seite bestrich ich die Steinchen mit UHU-Plus und legte sie mit der Fase nach unten auf den abgedeckten Spiegel. Dazwischen legte ich Streichhölzer als Abstandhalter. Dann wurde der Gipsrundling auf der gewölbten Fläche, die ja die Gegenform des Spiegels hat, ebenfalls mit UHU-Plus bestrichen und auf die Steine gelegt. Nachdem der Kleber getrocknet war, hatte ich die fertige Schleifschale. Mit 80er Carbo schliff ich noch so lange, bis alle Steine gleichmäßig angeschliffen waren. Dann ging ich zum 120er Carbo über.

Das Gipstool mit den aufgeklebten Fliesen
3. Der Feinschliff
Mit dem 120er Carbo schliff ich so lange, bis keine Löcher vom Grobschliff mehr zu sehen waren. Ab nun schliff ich nur noch TOT (tool on top); ich machte w-förmige Striche mit seitlichem Überhang. Mal schliff ich mit halben Strichen, dann wieder mit ganzen und viertelten. Gelegentlich wurde der Spiegel und die Schleifschale - wie schon beim Grobschliff - gedreht. Mit der Bleistiftprobe (auf die Schleifschale und dem Spiegel werden Bleistiftkreuze gezeichnet und ein paar Striche geschliffen) stellte ich fest, dass die Mitte etwas tiefer als der Rand war. Trotzdem ging ich zur nächsten Körnung, dem 220er über. Auch hier wurde so lange geschliffen, bis keine Löcher vom 120er mehr zu sehen waren. Dazu verwendete ich als Lupe ein kleines Objektiv mit ca. 15mm Brennweite (Vergrößerung ca. 16fach) das ich mal aus einem Schrottgerät ausschlachtete. Den Spiegel beleuchtete ich von unten mit einer Taschenlampe. Nachdem das 320er ausgeschliffen war, zeigte die Bleistiftprobe fast schon eine Sphäre. In gleicher Weise schliff ich mit 500, 600 und 800er. Nun zeigte sich auch eine sphärische Form. Nach dem 1200er hatte der Spiegel eine sehr feine Oberfläche und war somit ausgeschliffen. Die Arbeit mit den sehr harten Feinsteinzeug-Fliesen verlief reibungslos, diese würde ich sofort wieder für den Feinschliff verwenden.
4. Der Foucault-Tester
Die Grundplatte (18mm starke Spanplatte) misst 20cm × 28cm. Darauf sind parallel zueinander zwei Schienen aus Edelstahl im Durchmesser 10mm montiert. Die obere Platte (20cm × 20cm) läuft auf diesen Schienen und kann 65mm verschoben werden. Diese Platte kann mittels einer Rändelschraube, in die eine Gewindestange M3 eingreift, fein eingestellt werden. Durch Lösen der Klemmschraube kann die Gewindestange entkoppelt werden und die Platte von Hand verschoben werden. Auf der oberen Platte ist eine Aluleiste mit der Lichtquelle montiert. Die Lichtquelle ist eine weiße Leuchtdiode, die auf dem Bild allerdings noch nicht gezeigt ist; mit einem Potentiometer kann die Helligkeit reguliert werden. Gegenüber befindet sich ein Kreuzschlitten, den ich aus Alu-Vierkantrohr und 8mm Edelstahl-Rundlingen herstellte. Durch eine Rändelschraube kann dieser feinfühlig eingestellt werden. Auf dem oberen Schlitten ist eine Leiste mit der Rasierklinge befestigt. Die Herstellung dieses Schlittens war für mich als Mechaniker relativ einfach, zumal alles Material vorhanden war und keine Kosten verursachte.

Der Foucault-Tester mit dem Kreuzschlitten

Die Spiegelhalterung baute ich aus Spanplatten, die ich miteinander verleimte. Mit einer Höhenverstellschraube und zwei Seiteneinstellschrauben kann der Spiegel genau ausgerichtet werden.
5. Herstellung der Polier-Pechhaut
Der Guss einer Pechhaut kann in eine ziemliche Sauerei ausarten, deshalb stellte ich mir aus 2mm dicken Silikonmatten eine Gussform her. Ich hatte nur 8cm breite Streifen, diese klebte ich mit flüssiger Silikon-Fugendichtmasse zusammen. In die obere Matte schnitt ich mit einem scharfen Messer 12 Teile aus, die nach dem Guss als Noppen hervortreten. Wenn die Matte auf den Spiegel gelegt wird, passt sie sich der sphärischen Form an.

Die einzelnen Teile der Gussform für die Polier-Pechhaut. Rechts unten ist die Zeichenschablone aus Pappe.


Die fertige Gussform auf dem Spiegel

Als weiteres richtete ich mir eine runde 10er Aluplatte im Durchmesser von 150mm zurecht, an welche ein Knauf angeschraubt wurde, um den Polierer später besser halten zu können. Zwischen dem Spiegel und der Gussform aus den Silikonmatten legte ich vor dem Guss ein Stück Papier, um die Matte wieder leicht abnehmen zu können und dass das überfließende Pech nicht über den Spiegel läuft. Dann schmolz ich das Pech in einer Dose auf der Heizplatte. Um keinen Ärger mit der Hausfrau zu bekommen, verlegte ich den Schmelzvorgang allerdings in den Schuppen, da die Geruchsentwicklung nicht unerheblich war. Ich goss das flüssige schwarze Pech in die Gussform und setzte die etwas angewärmte Aluplatte auf. In der Hektik setzte ich die Platte knapp einen cm außerhalb der Mitte. Das war mir vorerst aber mal egal, da die Form eh nicht exakt symmetrisch in der Mitte liegen sollte. Nachdem das Pech etwas abgekühlt war, zog ich die Silikonform ab. Das gelang ohne Probleme. Das Pech war immer noch so warm, dass man es durch Fingerdruck verformen konnte. Ich bestrich mit einem Pinsel den leicht vorgewärmten Spiegel mit Polierweiß-Emulsion, legte den Polierer drauf und mit leichtem Druck und schiebenden Bewegungen passte ich das Pech der Spiegelform an.
6. Das Polieren und Messen
Als das Pech erkaltet war, begann mit den ersten zaghaften Polierstrichen. Den Spiegel legte ich dazu auf Luftpolsterfolie (Verpackungsmaterial). Ob die Pechhaut wohl gleichmäßig greift? Ob der Spiegel wohl sphärisch geschliffen ist? Nach einer halben Stunde wusch ich Spiegel und Polierer ab und konnte erfreut feststellen, dass die Pechhaut überall greift und auch der Spiegel auf der gesamten Fläche gleichmäßig anpoliert ist. Das schaut doch schon mal nicht schlecht aus, dachte ich und legte gleich eine weitere Poliersitzung nach. Dann war die erste Messung fällig. Ich verdunkelte den Keller (kein Problem, da mir dieser Raum auch als Dunkelkammer dient) und richtete Spiegel und Foucault-Tester zueinander aus. Hierbei war der künstliche Stern vor der LED abgenommen und diese auf maximale Helligkeit geregelt. Mit einer weißen Pappscheibe suchte ich den Reflexionspunkt und stellte diesen knapp neben die Lichtquelle. Ich achtete darauf, dass dieser Punkt dort möglichst scharf abgebildet ist. Nun positionierte ich das Auge hinter diesen Punkt. Anfangs tat ich mir noch schwer, das hell erleuchtete Bild des Spiegels im Auge zu behalten. Sobald ich den Kopf zur Seite bewegte, war das Bild weg. Mit etwas Übung gelang es mir aber und ich setzte den künstlichen Stern (mit einer Nadel durchstochenes, feines Löchlein in einer Alufolie) vor die Leuchtdiode. Wieder benötigte ich etwas Übung, um auch dieses Bild längere Zeit im Auge zu behalten zu können. Nun fuhr ich mit der Messerschneide langsam in die Richtung des Reflexionspunktes und sah, wie sich das Abbild des Spiegels langsam von einer Seite her verdunkelte. Durch Drehen der Rändelmutter verschob ich nun die obere Platte solange, bis sich beim hereinschieben der Messerschneide das Bild von der anderen Seite verdunkelte. Nun suchte ich den Punkt, an dem sich das Bild schlagartig verdunkelte, wenn die Messerschneide eingeschoben wird. Bald hatte ich diesen Punkt gefunden. Ich war begeistert, zum ersten Mal konnte ich dieses Phänomen beobachten. Meine Begeisterung steigerte sich noch, als ich die Messerscheide gaaanz langsam reinschob: Das Bild des Spiegels wurde langsam grau, dann noch dunkler und ging dann in schwarz über. Was mich doch etwas stutzig machte, war das durchgehend gleichmäßige Grau des gesamten Spiegels - keine erhellte oder dunklere Zone war zu erkennen. Sollte der Spiegel tatsächlich eine sphärische Form haben? Nein, ich kann's nicht glauben! Ich polierte also weiter, wobei ich meistens mit rund und oval geführten, kreisenden Strichen polierte und den Spiegel gelegentlich drehte. In den Polierpausen lege ich den Spiegel unter Wasser und stelle den Polierer drauf. Dieser saugt sich dann immer leicht an und es muss etwas Kraft aufgewendet werden, um sie wieder zu trennen. Mit fortschreitender Politur waren mit der 16fach-Lupe immer weniger Pits erkennbar und die auspolierten Zonen wurden immer größer. Auch die Kontrollen am Foucault-Tester verliefen ohne Zwischenfälle. Aber nach etlichen weiteren Politurstunden zeigte sich ein abgesunkener Rand. Um diesen "auszubügeln" polierte ich MOT (mirror on top). Leider zeigte sich danach ein grausames Loch in der Mitte, das auch nach mehreren Stunden Polierarbeit nicht kleiner werden wollte. Also kehrte ich zurück zum Feinschliff. Das Fliesentool lackierte ich aber vorher noch mit Farbe. Somit kann der Gips nicht mehr feucht werden und ich kann ihn auch leichter abwaschen, außerdem bröselt dann kein Gips mehr ab. Zum Ende des Feinschliffs handelte ich mir dann noch einen ca. 3cm langen Kratzer ein. Der ist mir nun aber egal. Als weiteres verbesserte ich meinen Foucault-Tester, in dem ich mittels entsprechend dimensionierter Druckfedern das Gewindespiel aufhebe. Aus einem Objektiv 25/110 und einem 20mm-Okular baute ich noch ein kleines Fernrohr, das hinter die Messerschneide platziert wird und damit das Bild leichter zu erkennen ist.
Nach dem Feinschliff ging's wieder ans Polieren. Diesmal goss ich mir eine streifenförmige Pechhaut. Zum Entfernen der alten Pechhaut steckte ich den Polierer mit einem Stück Rundstahl in eine durchsichtige Plastiktüte und schlug sie ab. Zum Reinigen der Aluscheibe nahm ich Nitroverdünnung.

Links ist die aus Silikonmatten hergestellte Gussform für die streifenförmige Pechhaut, daneben der Halter aus Aluminium mit angeschraubtem Knauf. Zwischen Spiegel und Gussform liegt ein Blatt Papier, um nach dem Guss die Matte wieder leicht vom Spiegel trennen zu können. Das Papier ist am Rand hochgezogen, damit überfließendes Pech nicht zwischen Gussform und Spiegel gelangen kann.

Bei der ersten Messung ergab sich diesmal jedoch keine Sphäre - die Mitte war ein wenig tiefer. Deshalb befasste ich mich schon gleich mit der Zonenmessung, die ich hier näher beschreiben möchte.
Ich teilte den Spiegel in drei Zonen ein, siehe Bild links. Somit ergeben sich mittlere Spiegelzonen mit dem Radius von 45 und 65mm. Ein Parabolspiegel hat bekanntlich in den jeweiligen Zonen entsprechend andere Krümmungsradien. Diesen Krümmungsradius p kann man berechnen. Man benötigt dazu den Krümmungsradius des (sphärischen) Spiegels r (hier 2240mm) und den mittleren Radius der Spiegelzone z (hier 45 und 65mm). Aus der Formel  p = ( z² : r : 2 ) + r  ergeben sich folgende Werte:
(45mm² : 2240mm : 2) + 2240mm = 2240,45mm
(65mm² : 2240mm : 2) + 2240mm = 2240,95mm
Das Bild rechts zeigt den schematischen Aufbau zwischen Lichtquelle, Stellung der Messerschneide und Abstand zum Spiegel. Bei einfach gebauten Foucault-Testern kann man die Lichtquelle und die Messerschneide nur parallel zum Spiegel bewegen (eine seitliche Feinbewegung der Messerschneide ist jedoch immer nötig). Beim entsprechenden Abstand von Lichtquelle und Messerschneide zum Spiegel - dies kann sehr genau mit einer Messuhr bestimmt werden - wäre dann die jeweilige Zone gleichmäßig grau ausgefüllt.

Es ist aber günstiger, wenn beim Foucault-Tester die Messerschneide unabhängig von der Lichtquelle in die Richtung des Spiegels verschoben werden kann - wie im Bild links gezeigt. Zum Berechnen der benötigten Schnittweitendifferenz s braucht man ebenfalls den mittlerer Radius der Spiegelzone z und den Krümmungsradius r des Spiegels. Aus der Formel  s = z² : r   ergeben sich folgende Werte:
       45mm² : 2240mm = 0,9mm
       65mm² : 2240mm = 1,9mm
Der Spiegel wäre also parabolisch, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: Die erste Schnittweitenmessung ergab zwischen der zentralen und äußeren Zone ca. 1,5mm. Der Spiegel war gleichmäßig anpoliert und ich machte weiter, wobei ich nach jeder halben Stunde eine Pause einlegte, den Spiegel abwusch und prüfte. Bei der fortschreitenden Polierung wurde auch wieder eine Sphäre erreicht. Irgendwann war der Spiegel auspoliert, leider war aber der Rand wieder abgesunken. Nun, ich dachte mir: Wenn der Rand so weit abdeckt wird, ist dieser Fehler behoben und ging deshalb zur Parabolisierung über. Dazu goss ich mir einen sternförmigen Polierer, mit dem die entsprechenden Zonen vorsichtig ein wenig vertieft wurde. Irgendwann betrug die Schnittweitendifferenz zwischen mittlerer und äußerer Zone ca. 1,5mm. Mit 1,5mm war der Spiegel zwar leicht unterkorrigiert, aber ich ließ es gut sein. Der Spiegel diente - wie schon am Anfang erwähnt - nur als Übungsstück und wird auch nicht belegt.
7. Fazit:
Die Fertigkeiten zur Herstellung eines Spiegels habe ich nun in der Praxis kennengelernt. Ich erfuhr, dass die Herstellung eines Spiegels doch eine sehr aufwändige Angelegenheit sein kann. Man muss schon etliches an Zeit und Geduld aufbringen, auch Rückschläge sind möglich. Ob ich mir irgendwann mal einen größeren Spiegel schleifen werde, weiß ich nicht.
Mittlerweile habe ich die "Scherbe" samt Schleifschale usw. weitergegeben - es kann der nächste dran "fummeln".

Test meines Newton-Spiegels 8"f/6

Mit dem Foucault-Tester überprüfte ich auch meinen 8"-Spiegel. Bei den vier Bildern unterhalb sieht man zentrisch den Lochverstärker, der zur Justage nötig ist. Zusätzlich stellte ich vor den Spiegel einen Rahmen, der mit Bindfäden bespannt wurde, um die Zonenmessung leichter beurteilen zu können. Fotografiert wurde auf 400er Scharzweiß-Film mit einem 135mm-Teleobjektiv im Abstand von ca. 20cm von der Messerschneide.

Beim ITV 2003 sah ich eine interessante Spiegelschleifmaschine für den Grobschliff. Statt dem üblichen Vorschleifen mit 80er Carbo würde ich mir nun ein ähnliches Gerät bauen. Sie ist mit Regalwinkeln usw. recht einfach herzustellen. Die gekrümmten Schienen entsprechen der Form des Spiegels (Radius = doppelte Brennweite). Die Flex hat eine diamantbestückte Schleifscheibe. Der Erbauer dieser Maschine war gerne bereit, mir die Vorgehensweise beim Schleifen zu erklären:
  1. angefasten Spiegelrohling auf der drehbaren Scheibe mittig ausrichten
  2. Flex einschalten und zustellen bis die Scheibe den Spiegel ankratzt
  3. Schlitten hin und herschieben und gelegentlich zustellen, nach ein paar Schüben wird die Scheibe mit dem Rohling ein Stück weitergedreht. Gelegentlich wird etwas Wasser hinzugegeben, so dass keine größere Staubentwicklung entstehen kann. Glasstaub ist nicht nur unangenehm, sondern auch gefährlich für die Lunge!
  4. dies so lange fortführen bis der Spiegelrohling bis zur Fase ausgehöhlt ist

Nach Angaben des Erbauers ist mit ein wenig Übung ein 6"-Spiegel in einer halben Stunde vorgeschliffen. Danach kann man das Fliesentool herstellen und den Spiegel wie üblich weiterbearbeiten.

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