Parabolspiegel


Parabolspiegel
Rotationsparabolantenne zur Satellitenkommunikation; im Brennpunkt befinden sich Sender und Empfänger (bidirektionale Verwendung im Zeitmultiplexbetrieb) .
Brennpunkteigenschaft einer Parabel
Parabolantenne als Radarantenne auf einem Schiff: Sender und Empfänger im Brennpunkt für Zeitmultiplexbetrieb
Parabolantenne für Satellitenfernsehen: nur Empfang
Parabolantenne als Radioteleskop: nur Empfang


Ein Parabolspiegel hat ein Rotationsparaboloid als spiegelnde Fläche. Ein einfach gekrümmter Parabolspiegel ist eine Parabolrinne. Parabolspiegel reflektieren einfallende ebene Wellen so, dass sie auf einen Punkt (Brennpunkt) zulaufen.

Parabolspiegel funktionieren weitgehend unabhängig vom Typ der Welle. Die Voraussetzung ist lediglich, dass der Spiegel groß im Vergleich zur Wellenlänge ist und die Welle an der Oberfläche reflektiert wird. Sie eignen sich für elektromagnetische Wellen wie Licht, Radar- oder Radiowellen. Auch Schallwellen lassen sich mit Parabolspiegeln in einem Brennpunkt konzentrieren oder von dort aus in ebener Form ausstrahlen.

Parabolspiegel haben ähnliche abbildende Eigenschaften wie Linsen, die aber nur für Licht geeignet sind, da sie von anderen Wellen in der Regel nicht durchdrungen werden.

Inhaltsverzeichnis

Brennpunkteigenschaft parabolischer Flächen

Eine Parabel lässt sich wie folgt defininieren:

„Eine Parabel ist der geometrische Ort aller Punkte P, deren Abstand zu einem speziellen festen Punkt – dem Brennpunkt F – gleich dem zu einer speziellen Geraden – der Leitgeraden l – ist.“ (siehe Graphik)

Die Mittelsenkrechte PG ist die Tangente an die Parabel im Punkt P.[1] Sie bildet mit dem Strahl PF und dem senkrecht einfallenden Strahl den gleichen Winkel, spiegelt letzteren also in Richtung zu F, dem Brennpunkt.

Aus der Parabel wird durch Rotation um ihre Symmetrieachse das Rotationsparaboloid, die reflektierende Fläche eines Parabolspiegels.

Ein kleiner Bereich der Parabel beidseits des Scheitels A ist näherungsweise ein Kreis. Es handelt sich um den Bereich des vom Punkt F ausgehenden Raumwinkels, der von sphärischen Hohlspiegeln (oder Kugelspiegeln) benutzt wird. Solche Spiegel sind einfacher herzustellen und deshalb preiswerter als Parabolspiegel. Sie bündeln einfallendes paralleles Licht näherungsweise auch in einem Punkt. Wenn sie als Reflektoren für eine (punktförmige) Lichtquelle zur Erzeugung eines parallelen Lichtbündels eingesetzt werden, wirkt sich ihr kleinerer Raumwinkel nachteilig aus, weil weniger Licht erfasst wird.

Anwendungen

Parabolspiegel werden sowohl zum Empfang (z. B: Satellitenempfang, Spiegelteleskope) von Wellen aus einer bestimmten Richtung als auch zum Senden (z. B. Richtfunk, Radar) von Wellen in eine bestimmte Richtung eingesetzt. Häufig wird mit ein und dem selben Parabolspiegel sowohl gesendet als auch empfangen (Zeitmultiplexverfahren).

Licht

In Scheinwerfern werden die radialen Lichtstrahlen einer punktförmigen Lichtquelle mit Parabolspiegeln so reflektiert, dass ein Großteil der Strahlen annähernd parallel austritt.

Die Spiegel von Spiegelteleskopen sind bei einigen Typen Parabolspiegel. Sie dienen dazu, das (parallele) Licht von Sternen und anderen astronomischen Beobachtungsobjekten soweit zu konzentrieren, dass deren Intensität ausreicht, um mit dem Auge gesehen oder in Detektoren gemessen zu werden. Das bekannteste Beispiel sind die Spiegel von Newton-Teleskopen mit einem im Vergleich zur Brennweite großen Spiegel-Durchmesser, d. h. einem "schnellen" Öffnungsverhältnis. Ab einem Verhältnis von ca. 8:1 sind sich ein Parabolspiegel und ein (einfacher herzustellender) sphärischer Spiegel so ähnlich, dass aus Kostengründen bei einigen Newton-Teleskopen keine Parabolspiegel eingesetzt werden. Die heute in der Großforschung eingesetzten Spiegelteleskope sind meist Ritchey-Chrétien-Cassegrain-Teleskope, die hyperbolische Spiegeloberflächen haben.

Eine andere wichtige Anwendung ist die Bündelung von Sonnenlicht zur Nutzbarmachung von Solarenergie. Durch die Bündelung mit großen Parabolspiegeln lassen sich in deren Brennpunkt hohe Temperaturen erreichen. Die damit zur verfügungstehende Energie kann genutzt werden um Metalle zu schmelzen (siehe Solarschmelzofen) oder Dampf zu erzeugen (siehe Sonnenwärmekraftwerk). Auch kleintechnische Anwendungen wie der Solarkocher nutzen oft Parabolspiegel zur Bündelung der Sonnenenergie. Dieses Prinzip wurde auch schon in der Antike für die Entzündung des Olympischen Feuers eingesetzt, wobei eine Fackel im Brennpunkt entzündet wurde.

Radar und Radiowellen

Radargeräte mit großer Reichweite werden mit Parabolspiegeln ausgestattet, um dem Radarstrahl eine gute Richtwirkung zu geben.

In der Radioastronomie werden extrem große Parabolspiegel aus Metall verwendet, die den Spiegeln bei Radargeräten ähneln.

Bei Richtfunkstrecken werden sowohl für den Sender als auch für den Empfänger Parabolspiegel in Form von Parabolantennen eingesetzt. Auf diese Weise kann mit vergleichsweise wenig Sendeleistung eine Kommunikationsverbindung über große Strecken hergestellt werden.

Die Empfangsantennen für das Satellitenfernsehen sind ebenfalls Parabolantennen.

Schall

In Flüstergewölben sind die Wände annähernd parabolisch geformt. Auf diese Weise werden auch leise Geräusche am Brennpunkt über weite Strecken ohne großen Verlust übertragen.

Ein Mikrofon im Brennpunkt eines Parabolspiegels empfängt Schall aus Richtung der Spiegelachse. Störgeräusche, die aus anderen Richtungen kommen, werden nur schwach empfangen. Diese Konstruktion eignet sich z. B. als Richtmikrofon.

Einzelnachweise

  1. Beweis für die Mittelsenkrechte als Tangente an die Parabel, [1], Seite 6

Literatur

  • Das große Buch der Technik. Verlag für Wissen und Bildung, Verlagsgruppe Bertelsmann GmbH, Gütersloh, 1972
  • Eberhard Spindlert: Das große Antennen-Buch. 11. Auflage, Franzis-Verlag GmbH, München 1987, ISBN 3-7723-8761-6.

Weblinks

 Commons: Parabolspiegel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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