Die Sonnenuhr HELIOS

Ausgabe 2 | 1. September 2002

Inhalt

Das kosmische Uhrwerk . . . . . . . .[03]

Entwicklungsgeschichte . . . . . . . .[15]

Die Sonnenuhr von Carlo Heller ist ein aufsehenerregendes, ästhetisches, wetter-festes und handwerklich außerordentlichliebevoll gefertigtes Präzisionsobjekt, das diejahrtausendealte Idee der Zeitmessung durchden Lauf der Erde um die Sonne in einemneuen Licht erstrahlen läßt.

Nils SchiffhauerFrankfurter Allgemeine Zeitung 4. September 2001

Das kosmische Uhrwerk

Ein neues Funktionsprinzip

Die Sonnenuhr HELIOS arbeitet nach einemweltweit einzigartigen Prinzip, das zumPatent angemeldet ist. Der in die Uhr einge-baute Hohlspiegel reflektiert das Sonnenlichtund projiziert das Abbild der Sonnenscheibeals Lichtpunkt auf den Schirm der Sonnenuhr.

Auf seiner Skala gibt der Lichtpunkt dieminutengenaue Mitteleuropäische Zeit (MEZ)und das Datum an. Der Schirm ist als Welt-kugel gestaltet. Der Lichtpunkt wandert überden Globus und zeigt, wo die Sonnenstrah-len gerade senkrecht auf die Erde treffen.Man spricht vom subsolaren Punkt auf derErdoberfläche. Die Sonne steht dort im Zenitund wirft keinen Schatten.

Erst das neue Funktionsprinzip - dieProjektion des Sonnenlichts auf einenGlobusschirm - macht es möglich, mit einemHöchstmaß an Präzision gleichzeitig dieMitteleuropäische Zeit, das Datum und diescheinbare Wanderung der Sonne anzuzei-gen. Subsolarer Punkt, Tageswanderung,Jahreszeiten, Wendekreise, Tagnachtgleiche -die Sonne selbst macht diese Naturphäno-mene auf der Sonnenuhr sichtbar.

Das kosmische Uhrwerk

Die Bewegung der Erde auf ihrer elliptischenBahn um die Sonne und um die eigene Achseist das gigantische kosmische Uhrwerk, dasdie Sonnenuhr antreibt - präzise und bestän-dig. Der Zeiger ist das Sonnenlicht. In jedemMoment kommt es aus einer anderenRichtung und trifft in einem anderen Winkelauf den Spiegel der Sonnenuhr.

Das Bild auf der folgenden Seite zeigt dieErde auf ihrer jährlichen Umlaufbahn, jeweilszu Beginn der vier Jahreszeiten. In diesemBeispiel steht die Sonnenuhr fest montiert inFrankfurt am Main und folgt der Bewegungder Erde um die Sonne und um die eigeneAchse. Die Sonnenstrahlen beleuchten eineHälfte der Erdkugel, dort ist es Tag.

Eingezeichnet ist der Sonnenstrahl, der senk-recht auf die Erde trifft und verlängert genaudurch ihren Mittelpunkt geht. Ein Beobach-ter, der sich gerade an diesem Ort befindet,sieht die Sonne im Zenit.

Ein weiterer Sonnenstrahl gelangt auf denSpiegel der Sonnenuhr und projiziert einAbbild der Sonne als Lichtpunkt auf denAnzeigeschirm.

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Zum Frühlingsanfang am 21. März steht dieSonne senkrecht über dem Äquator. DerHöhenwinkel der Sonne zur Äquatorebene,die sogenannte Deklination, beträgt 0°. DieTag-Nachtgrenze verläuft durch die Pole derErde. Auf der ganzen Welt ist der Tag genau-so lang wie die Nacht, man spricht von derTagnachtgleiche. Der Lichtpunkt auf derSonnenuhr zeigt die reale Situation imKosmos: er überquert zeitgleich den auf demGlobus eingezeichneten Äquator.

Drei Monate später, es ist der 21. Juni, ist dieErde um 90° weiter gewandert. Die Erdachsehat ihre Richtung beibehalten und ist genauder Sonne zugeneigt. Der Mittelpunkt desLichtkegels der Sonne trifft auf den nördli-chen Wendekreis, die Deklination der Sonnebeträgt 23,4°. Auf der nördlichen Hemisphäreist Sommeranfang und längster Tag im Jahr.

Die Sonnenstrahlen treffen in steilem Winkelauf den Spiegel der Sonnenuhr auf, derLichtpunkt hat auf der Zeit- und Datumsskalaseinen höchsten Stand erreicht. An diesemTag läuft er - wie auch die Sonne in derRealität - auf dem nördlichen Wendekreisentlang. Zur Sommersonnenwende wird derAnzeigeschirm für die bisher aufsteigendeSonne gegen den für die jetzt absteigendeSonne ausgetauscht.

Ab sofort nimmt die Deklination der Sonnekontinuierlich ab, am 23. September - zumHerbstanfang - überquert sie wieder denÄquator und am 21. Dezember erreicht sieihre südlichste Bahn, den südlichen Wende-kreis. Die Sonnenstrahlen treffen auf dieSonnenuhr im flachen Winkel auf, der Licht-punkt bewegt sich auf der Datumslinie, diedem 21. Dezember zugeordnet ist. Es istWinteranfang und es wird Zeit, die Sonnen-uhr wieder mit dem für den Winter undFrühling gültigen Anzeigeschirm auszurüsten.

Die Sonnenuhr zeigt die MitteleuropäischeZeit (MEZ) bzw. die MitteleuropäischeSommerzeit (MESZ). Die MEZ ist die in denmeisten europäischen Ländern gültigeNormalzeit. Sie bezieht sich auf den 15.Längengrad östlich von Greenwich.

In allen vier Darstellungen der Erde ist esgerade 12 Uhr MEZ bzw. 13 Uhr MESZ.Demzufolge könnte man erwarten, dass alleOrte, die auf dem 15. Längengrad liegen,gerade Mittag haben. Das heißt, dass dieSonne ihren höchsten Punkt über demHorizont erreicht hat und genau im Südenden Meridian passiert.

Wir betrachten die Erde am 21. März: WiderErwarten steht die Sonne um 12 Uhr MEZnoch östlich des 15. Längengrads. Eine klassische Sonnenuhr mit erdachsparallelemSchattenstab, die in Görlitz auf dem 15.Längengrad steht, würde 11.53 Uhr wahreOrtszeit (WOZ) anzeigen. Auch zumSommer-, Herbst- und Winteranfang ist dieWOZ in Görlitz früher oder später als 12 Uhr.Nur an vier Tagen im Jahr steht die Sonne um12 Uhr MEZ, zum Zeitpunkt des wahrenMittags, genau im Meridian des 15. Längen-grads.

Die wahre Ortszeit, auch Sonnenzeitgenannt, ist also keine gleichmäßige Zeit undfolglich ungeeignet für die Zeitmessung mitmechanischen Uhren.

Daher hat man bereits im 18. Jahrhunderteine gemittelte Zeit, die mittlere Ortszeit(MOZ), eingeführt. Sie geht von einer fiktiven, sich gleichförmig auf dem Himmels-äquator bewegenden Sonne aus und umfasstalle Orte auf dem gleichen Längengrad.

Die Erfindung der Eisenbahn im Zuge derindustriellen Revolution im 19. Jahrhundertermöglichte Reisen über große Strecken. DieNotwendigkeit von überregionalen Zugfahr-plänen führten im nächsten Schritt zur weiteren Vereinheitlichung der Zeit: die Ein-führung der in Zeitzonen gültigen Normalzeitdurch eine internationale Vereinbarung imJahr 1884.

Die Zeitzonen liegen jeweils eine Stunde aus-einander, genau die Zeitdauer, die die Sonnefür ihre scheinbare Wanderung über der Erdefür 15 Längengrade benötigt.

Auf der Sonnenuhr sind der Nullmeridiandurch Greenwich, auf den sich die Weltzeitbezieht, und die Meridiane östlich und west-lich im Abstand von 15° als Repräsentantender Zeitzonen eingezeichnet. Die Mittel-europäische Zeit ist als die mittlere Ortszeitam 15. Längengrad östlich von Greenwichdefiniert.

Die Sonnenuhr HELIOS gibt die Mitteleuro-päische Zeit an, so dass in allen vier gezeig-ten Positionen der Erde (auf Seite 5) 12 Uhr MEZ bzw. 13 Uhr MESZ auf derZeitskala direkt ablesbar ist.

Die auf der Sonnenuhr HELIOS ablesbarenDaten gehen über das normale Maß weit hin-aus und werden im nächsten Abschnitt aneinem Beispiel erläutert.

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Die Funktionen der Sonnenuhr

Das Bild auf Seite 8 veranschaulicht dieFunktionen der Sonnenuhr HELIOS in einerMomentaufnahme am 1. April 2002, 13 UhrMESZ (12 Uhr MEZ). Links sieht man Erdeund Sonne, so wie ein Astronaut das kosmi-sche Uhrwerk in diesem Moment aus demWeltraum sehen würde. Der paralleleSonnenstrahl, der auf den Spiegel derSonnenuhr trifft, projiziert ein Bild der Sonnegenau an die Stelle auf den Anzeigeschirm,an dem die Sonne senkrecht über der Erdesteht.

Aus Sicht eines Betrachters, der auf dieSonnenuhr schaut (rechte Abbildung, Seite8), wird auf der Uhr exakt die Situation dar-gestellt, die sich dem Astronauten am 1. April 2002 um 13 Uhr MESZ bietet.

Im Einzelnen können direkt abgelesen wer-den:

> Standort: Wiesbaden. Der Standort derSonnenuhr ist seinen geografischenKoordinaten (50°5’34“ nördliche Breite,8°13’20“ östliche Länge) entsprechendauf der Weltkugel eingezeichnet. Für die-sen Standort wurde die Sonnenuhrberechnet und gefertigt, nur dort gehtsie genau.

> Uhrzeit: 13 Uhr MESZ. Die Uhrzeit liestman, indem man die Zeitlinie, auf der derMittelpunkt des Lichtpunkts steht, zumZeitring verfolgt und dort die MESZzuordnet.

Der Zeitring ist auswechselbar, je nach-dem ob die MEZ oder die MESZ gültig ist.Auf der Zeitskala ist für jede Minute eineLinie eingezeichnet, auf dem Zeitring sindalle fünf Minuten abgetragen.

> Zeitgleichung: - 3 min 54 s. DieZeitgleichung ist die Differenz aus derwahren und der mittleren Ortszeit.

Im obigen Bild zeigt der Lichtpunkt 13Uhr MESZ (12 Uhr MEZ) an, das ent-spricht definitionsgemäß 12 Uhr mittlererOrtszeit (MOZ) am 15. Längengrad.Dieser verläuft im Foto schräg zu denZeitlinien. Erreicht der Lichtpunkt diesenMeridian, ist dort 12 Uhr wahre Ortszeit(wahrer Mittag). Die Zeitgleichung istgenau die Zeit, die der Lichtpunkt benö-tigt, um den Weg von der 13 Uhr-Liniebis zum 15. Längengrad zurückzulegen.

Mit der Zeitgleichung lässt sich die wahreOrtszeit am 15. Längengrad um 13 UhrMESZ (12 Uhr MOZ) ermitteln:

Uns interessiert auch die WOZ inWiesbaden. Die Längengraddifferenzbeträgt:

Die Sonne wandert in einer Stunde 15°,also braucht sie für einen Längengradvier Minuten.Die Zeitdifferenz ist damit:

Die WOZ am Standort der Sonnenuhr ist:

Das ist die Zeit, die eine klassischeSchattensonnenuhr in Wiesbaden um 13 Uhr MESZ anzeigen würde.

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WOZ = MOZ + Zeitgleichung =12:00:00 Uhr MOZ - 3 min 54 s =11:56:06 Uhr WOZ

15° - 8°13’20“ = 6°46’40“

6°46’40“ x 4 min/° = 27 min 7 s

11:56:06 Uhr - 27 min 7 s = 11:28:59 Uhr

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> Datum: 1. April. Die Datumslinie, auf derder Lichtpunkt steht, wird nach rechtsoder links verfolgt. Sie entspricht derBahn, die die Sonne an diesem Tag ent-lang wandert (siehe Fotofolge auf Seite 10).

Der Monatsname steht auf der Linie, diedem 1. des Monats zugeordnet ist. Esfolgt alle fünf Tage eine Datumslinie, ander das Tagesdatum steht.

> Jahreszeit: Frühling. Wir haben aufstei-gende Sonne, erkennbar am nach Nordenhin zunehmenden Datum. Der Lichtpunktbefindet sich nördlich des Äquators. Es istFrühling auf der nördlichen Hemisphäreund Herbst auf der Südhalbkugel.

> Subsolarer Punkt: Berbérati(Zentralafrikanische Republik). Hier tref-fen die Sonnenstrahlen senkrecht auf dieErde. Ein Erdbewohner, der sich in diesemMoment dort aufhält, sieht die Sonnegenau im Zenit stehen. Eine Ortsbestim-mung würde die geografischenKoordinaten 4°33’48“ nördliche Breite,15°58’35“ östliche Länge ergeben. DerLichtpunkt befindet sich an dieser Stelleauf dem Globus der Sonnenuhr.

> Wahrer Mittag: 15°58’35“ östlicheLänge. Berbérati und alle Orte, die aufdem Längengrad liegen, auf dem sich derLichtpunkt gerade befindet, haben wah-ren Mittag. Die Sonne erreicht ihrenTageshöchststand, sie kulminiert.In der Navigation ist das der idealeZeitpunkt zur Ortsbestimmung. Geografische Breite: Zu diesem Zweckwürde der Erdbewohner in Berbérati dieHöhe der Sonne über dem Horizont mitdem Sextanten messen. Die Deklinationder Sonne (ihre Höhe zur Äquatorebene)entnimmt er einem nautischen Jahrbuchfür den 1. April 2002 und bestimmt diegeografische Breite:

Geografische Länge: Diese errechnet derErdbewohner in Berbérati aus demZeitunterschied der sogenannten Weltzeit(Universal Time UT1 = MEZ - 1h) zurmittleren Ortszeit (MOZ) in Berbérati. Die Weltzeit bezieht sich auf den Null-meridian, der durch die Sternwarte inLondon-Greenwich geht und gleichzeitigder Ausgang für die Zählung der geogra-fischen Länge ist. Auf seiner Uhr liest derBewohner in Berbérati zum Zeitpunkt deswahren Mittags (12 Uhr WOZ) die Welt-zeit 11 Uhr UT1 ab. Die Zeitgleichung zur Bestimmung dermittleren Ortszeit (MOZ) entnimmt ereinem nautischen Jahrbuch und rechnet

wie folgt: Die Sonne legt in einer Stunde 15°zurück, benötigt also für einen Längen-grad vier Minuten:

Die Berechnungsgrundlagen derSonnenuhr

Der scheinbaren Ungleichmäßigkeit der wah-ren Ortszeit liegen exakte Gesetze der Bewegung der Erde um die Sonne und umihre Achse zugrunde. Bereits Kepler schreibtin seiner 1609 veröffentlichten Astronomianova, dass die Erdbahn eine Ellipse ist. Ineinem ihrer Brennpunkte steht die Sonne.

Die Erde bewegt sich am schnellsten, wennsie der Sonne am nächsten ist, am lang-samsten im sonnenfernsten Punkt. Diese Geschwindigkeitsunterschiede und dieTatsache, dass die Erdachse zur Erdbahn um23,4° geneigt ist, führen dazu, dass derSonnentag mal kürzer und mal länger als 24Stunden ist. Also geht die wahre Ortszeitgegenüber der mittleren Ortszeit mal vor undmal nach. [09]

Breite = 90° - Höhe + Deklination =90° - 90° + 4°33’48“ = 4°33’48“

Zeitunterschied = UT1- MOZ = UT1- WOZ + Zeitgleichung =11Uhr - 12Uhr - 3 min 54,3 s =- 63 min 54,3 s

Länge = Zeitunterschied / 4 min/° =-63 min 54,3 s / 4 min/° = 15°58’34,5“ östliche Länge

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15:30 Uhr MESZ +++ Sonne im Zenit: 4° 36' 12" N 21° 31' 55" W +++ Atlantischer Ozean

13:00 Uhr MESZ +++ Sonne im Zenit: 4° 33' 48" N 15° 58' 35" O +++ Zentralafrikanische Republik

14:03 Uhr MESZ +++ Sonne im Zenit: 4° 34' 48" N 0° 13' 21" O +++ Durchgang Nullmeridian südlich Ghana

11:30 Uhr MESZ +++ Sonne im Zenit: 4° 32' 21" N 38° 28' 50" O +++ Äthiopien

10:38 Uhr MESZ +++ Sonne im Zenit: 4° 31' 31" N 51°29' 00" O +++ Indischer Ozean

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Das kosmische Uhrwerk, das die SonnenuhrHELIOS antreibt, ist der Urmaßstab unsererirdischen Zeit.

Auch die Atomuhren werden regelmäßigdurch das Einfügen oder Entfernen einerSchaltsekunde mit der Erddrehung synchroni-siert.

Die naturbedingten Gangschwankungen derBewegung der Erde um die Sonne und ihreAchse sind im voraus exakt erfassbar. DieZeit- und Datumsskala der Sonnenuhr wirdberechnet, indem für jeden Tag und jedeMinute im Jahr die scheinbare Position derSonne bestimmt wird. Die scheinbarePosition der Sonne ist der Winkel, in dem dieSonne am Himmel des Aufstellungsortsbeobachtet wird. In diesem Winkel treffendie Sonnenstrahlen auch auf den Spiegel derSonnenuhr und werden auf den Schirm proji-ziert. Dem Projektionsort, der Stelle an demder Lichtpunkt zu sehen ist, wird die entspre-chende Zeit und das Datum zugeordnet.

Die präzise Berechnung der scheinbarenPosition der Sonne und des Projektionsortsauf dem Schirm für einen bestimmtenZeitpunkt im Jahr erfolgt in drei Schritten:

> Berechnung der Position der Sonne, gese-hen vom Erdmittelpunkt aus (scheinbaregeozentrische Position): Grundlage ist dieBewegung der Erde um die Sonne unddie eigene Achse (Keplersche Gesetze).Dabei führen verschiedene Einflußgrößenzu Unregelmäßigkeiten. Die elliptischeErdbahn wird durch die Anziehungskräftedes Mondes und der Planeten gestört.

Auch die Erdachse erfährt durch dieAnziehungskraft der Sonne eine lang-fristige Veränderung ihrer Lage zurErdbahnebene (Präzession). In derBerechnung wird die aktuelle Neigungzugrunde gelegt. Auch das Licht auf sei-nem 150 Millionen Kilometer langen Wegzur Erde wird durch physikalischePhänomene beeinflusst, die Abberationdes Lichts und die Lichtlaufzeit gehen alsBerechnungsgröße ein.

> Berechnung der Position der Sonne,gesehen von der Sonnenuhr aus (schein-bare topozentrische Position): Die Uhr istmit der eingebauten Wasserwaage hori-zontal zum Aufstellungsort ausgerichtet.Die geografischen Koordinaten sindbekannt.

Aus der geozentrischen Position derSonne kann dann die topozentrischePosition, die Himmelsrichtung (Azimut)und die Höhe der Sonne am Aufstellungs-ort, bestimmt werden. Hierbei mussberücksichtigt werden, dass infolge derBrechung der Lichtstrahlen in der Erd-atmosphäre (Refraktion) die Sonne höheram Himmel erscheint. Bei niedrigenSonnenständen kann die Strahlenablen-kung bis zu einem halben Grad betragen.

> Das Sonnenlicht wird im Spiegel nachden Regeln des Reflexionsgesetzes imdreidimensionalen Raum reflektiert undals Lichtpunkt auf den Schirm geworfen.Dazu muss die Lage des Spiegels zurHorizontebene bekannt sein. Damit derLichtpunkt an der richtigen Stelle aufdem Anzeigeschirm ankommt und dieexakte Zeit und das Datum anzeigt, hatein spezielles Laser-Fertigungsverfahren inVerbindung mit genauen optischenMessmethoden entwickelt.

Die scheinbare geozentrische Position derSonne wird mit einer Genauigkeit von einerWinkelsekunde (3.600 Winkelsekunden = 1 Winkelgrad) berechnet. Diese hoheGenauigkeit wird im Jahr, für das die Sonnen-uhr gefertigt wird, erzielt. Der Lichtpunktüberquert auf die Sekunde genau die ent-sprechende Zeitlinie.

Hinsichtlich der Dauergenauigkeit ist dieSonnenuhr der Quarzuhr deutlich überlegen.Im ersten Jahr geht sie ganz genau undweicht selbst in 100 Jahren maximal ±30Sekunden ab. Die Gangabweichung einerQuarzuhr beträgt ±1 Sekunde pro Woche, ineinem Jahr kann sie also bereits fast eineMinute vor oder nach gehen.

Die Genauigkeit der Sonnenuhr

Eine klassische Sonnenuhr mit erdachsparal-lelem Schattenstab (Polstab) misst die Erd-drehung relativ zur Sonne, den sogenanntenStundenwinkel. Die Zeit, die sie anzeigt, wirddaher auch Sonnenzeit genannt. Jeden Tagzeigt sie mittags, die Sonne steht dann imSüden, 12 Uhr wahre Ortszeit (Sonnenzeit)an. Die Stunden vormittags und nachmittagssind dazu um 15° pro Stunde nach Ostenbzw. Westen versetzt. Eine naturgegebeneZeit, nach der man sich bis zum Beginn derNeuzeit gerichtet hat.

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Die Sonnenuhr HELIOS gibt die Mitteleuro-päische Zeit an, eine vom Menschen erdachteZeit, die ihm für das tägliche Leben geeignetschien.

Um diese Zeit exakt anzeigen zu können,berücksichtigt die Sonnenuhr HELIOS nichtnur die Erddrehung, sondern auch die jährli-che Wanderung der Erde um die Sonne.

Seit Jahrtausenden haben sich die Menschendamit beschäftigt, ein optimales Zählsystemder Tage im Jahr zu finden, den Kalender. Derheute am weitesten verbreitete Gregoriani-sche Kalender teilt das Jahr in 365 Tage ein.Ausgehend vom Frühlingsanfang (Frühlings-punkt) dauert der Umlauf der Erde um dieSonne 365,242 Tage (tropisches Jahr), sodass der Kalender alle vier Jahre einen Schalt-tag, den 29. Februar, vorsieht. Mit dieserKorrektur beträgt das Kalenderjahr 365,25Tage, ist also etwas zu lang. Um diese Rest-differenz auszugleichen, wird zur Jahr-hundertwende der Schalttag weggelassen,außer wenn das volle Jahrhundert glatt durch400 teilbar ist.

Damit wird erreicht, dass das Kalenderjahrüber einen langen Zeitraum mit dem tropi-schen Jahr übereinstimmt und dass dadurchder Beginn der Jahreszeiten nicht verschobenwird.

Die Datumsanzeige der Sonnenuhr HELIOS,die durch den natürlichen Umlauf der Erdeum die Sonne gesteuert wird, folgt dem tro-pischen Jahr und zeigt die gerade aktuelleDifferenz zum Kalenderjahr an.

In der folgenden Grafik wird die Genauigkeitder Datumsanzeige einer für das Jahr 2002berechneten Sonnenuhr dargestellt.

Zum Jahreswechsel am 1.1.2003 um 0:00Uhr ist das Jahr für die Sonnenuhr noch nichtvorbei, es läuft noch um einen viertel Tag län-ger. Dann steht die Sonne wieder am gleichen Ort wie am 1.1.2002 um 0:00 Uhr.

Wenn am 1.1.2003 die Sonne aufgeht, kannman auf der Sonnenuhrskala diese Differenzvon circa einem viertel Tag ablesen, der Licht-punkt läuft knapp unter der Datumslinie. Am1.1.2004 geht das Datum um einen weiterenviertel Tag nach. 2004 ist ein Schaltjahr, sodass sich am 29.2.2004 das Datum um einenTag in die andere Richtung verschiebt. DieUhr geht jetzt um einen halben Tag vor. 2005springt sie wieder um einen viertel Tag zu-rück und 2006 erreicht sie fast die ursprüng-lichen Verhältnisse des Jahres 2002. EineRestabweichung bleibt, da der Schalttag dieDifferenz nicht vollständig ausgeglichen hat. Die Restabweichung wächst im Laufe derVierjahreszyklen an, bis sie zur Jahrhundert-wende 2100 durch Weglassen des Schalttagskompensiert wird.

Die Zeitanzeige wird auch durch die Datums-verschiebung beeinflusst, sie wirkt sich abervergleichsweise geringfügig aus. Die obereGrafik auf der nächsten Seite (Genauigkeitder Zeitanzeige) zeigt, dass die maximaleAbweichung in den nächsten 50 Jahreninnerhalb von 20 Sekunden bleibt, derMittelwert sogar innerhalb von 3 Sekunden.

Stattet man die Sonnenuhr HELIOS mit vierPaar Anzeigeschirmen für einen Vierjahres-zyklus aus, kann man die Synchronisation derDatumsanzeige mit dem GregorianischenKalender verbessern.

Dazu werden die Schirme der auf- undabsteigenden Sonne für jedes Jahr zwischen2002-2005 gefertigt. Für diese Jahre stimmtdie Datumsanzeige exakt. In 2006 wird danndas erste Schirmpaar wieder verwendet, imFolgejahr das zweite und so weiter.

Die Datumsanzeige weicht damit in denJahren 2006-2009 nur um durchschnittlich0,03 Tage ab. In der unteren rechten Dar-stellung auf der Folgeseite ist die Entwick-lung bis zum Jahr 2052 zu verfolgen.

In allen Diagrammen ist neben den kalender-bedingten Differenzen die langfristige Ver-änderung der Erdachslage einbezogen. Diesogenannte Präzession führt zu einer lang-samen Verschiebung des Frühlingspunkts,dem Ausgangspunkt des tropischen Jahres.

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Zum Frühlingsanfang am 20./21. März über-schreitet die Sonne den Himmelsäquator (vgl.Das kosmische Uhrwerk, Seite 5). DieserSchnittpunkt der Ekliptik mit dem Himmels-äquator war in der Antike als Widderpunktbekannt, denn noch vor 2.000 Jahren lag erim Sternbild Widder.

Heute ist er bereits im Sternbild Fische, inrund 24.000 Jahren wird der Frühlingspunktdurch den ganzen Tierkreis gelaufen sein.

Von allem unbeeinflusst ist die Anzeige derZenitposition der Sonne auf dem Globus derSonnenuhr. Das von der Sonne projizierteBild zeigt stets die tatsächliche Wanderungder Sonne an. Da die Sonnenuhr auf der Erdefest montiert ist, macht sie jede Bewegungunseres Planeten mit und selbst die langfristi-ge Veränderung der Erdachslage (Präzession)wird berücksichtigt.

Der Anzeigebereich der Sonnenuhr

Die Sonne bewegt sich im Laufe des Jahres ineinem immens großen Winkelbereich. DieSonnenstrahlen sollen zu einem möglichstgroßen Teil auf den Spiegel der Sonnenuhrfallen, sowohl bei niedrigen Sonnenständenim Winter als auch bei hohen im Sommer.

Zur maximalen Lichtausbeute und optimalenAbbildungsqualität des Lichtpunkts wird derSpiegel in der für die geografische Breite ambesten geeigneten Neigung angebracht. Fürmittlere Breiten (50° nördliche Breite), z.B. fürFrankfurt/Main, ist eine Neigung von 10°nach Süden optimal. Je nach Aufstellungsortwird die Spiegelneigung angepasst, in Flens-burg beträgt sie 15°, in Venedig 5° und aufden Balearen ist ein horizontaler (0°) Spiegelam besten.

Der Umriss des Anzeigeschirms wird fürjeden Aufstellungsort so ausgelegt, dass dasSonnenlicht möglichst ganzjährig auf denSpiegel trifft.

Die Erde dreht sich in 24 Stunden einmal umihre Achse, folglich bewegt sich die Sonneum die Sonnenuhr und ihr Licht trifft unwei-gerlich auf den Schirm und nicht mehr aufden Spiegel. In der folgenden Abbildung istdieses Phänomen dargestellt. Am 1. Maibewegt sich die Sonne auf der eingezeichne-ten Bahn.

> Um 13 Uhr befindet sie sich in Position A,die Sonnenstrahlen treffen auf denSpiegel, werden reflektiert und zeigen aufder Skala die Zeit und das Datum an.

> Um 17:00 Uhr hat sich die Sonne zurPosition B bewegt, die Sonnenstrahlenpassieren noch den Schirm.

> In Position C um 17:25 treffen die Strahl-en bereits auf den Schirm, der an dieserStelle das Licht ohne Ablenkung durch-lässt - eine korrekte Zeitanzeige ist alsogegeben.

> In Position D um 17:50 Uhr befindet sichdie Sonne über der Zeit- und Datums-skala. Der Anzeigeschirm ist in diesemBereich, der durch die Wendekreisebegrenzt wird, mattiert. Das vom Spiegelprojizierte Sonnenlicht wird dort gestreut,um die Sichtbarkeit des Lichtpunkts zuverbessern. Das Licht der Sonne, das inPosition D in umgekehrter Richtung aufden Schirm trifft, erreicht nur diffus denSpiegel, eine Abbildung der Sonne alsLichtpunkt kommt nicht zustande.

Die schraffiert dargestellte Fläche ist derBereich, in dem keine Zeitanzeige möglich ist.Auf der anderen Seite des Schirms tritt mor-gens das gleiche Phänomen auf.

Der begrenzte Anzeigebereich der SonnenuhrHELIOS ist durch ihre Kugelform bedingt. IhreZeitskala liegt nicht in einer Ebene, wie z.B.die einer Äquatorialsonnenuhr, sondern siehat eine dritte Dimension.

Sie berücksichtigt die jahreszeitlich veränder-liche Deklination der Sonne und ist dadurchin der Lage, neben der Zeit auch das Datumund die scheinbare Wanderung der Sonneüber unserem Planeten anzuzeigen. Dasmacht die Sonnenuhr HELIOS einzigartig.

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Entwicklungsgeschichte

Erfindergeist im Blut

Den Erfindergeist hat er im Blut: Carlo Heller.Der Großvater war an der Entwicklung derMotorsäge beteiligt und ließ sie patentieren.Der Vater gründete in den 50er Jahren einUnternehmen zur Produktion von Trink-bechern und Verpackungen aus Kunststoff,das sich zum bedeutendsten Anbieter derBranche entwickelte.

17. Januar 1971. Carlo Heller, 11 Jahre alt,beschreibt in seinem Tagebuch ein Naturer-eignis: “Wir sehen einen Meteoriten, der wieein abstürzendes Flugzeug herunterschießtund etwa 5 Sekunden zu sehen war.” EinSchlüsselerlebnis, das seine Begeisterung fürdie Astronomie weckt. Aus der WiesbadenerStadtbücherei leiht er sich Bücher zumThema aus und schon bald wagt er sich anden Bau eines Newton-Spiegelteleskops. Bisheute hat er den Briefwechsel seines Vatersmit der Firma Schott zur Beschaffung desSpiegelrohlings aus DURAN 50-Glas aufgeho-ben.

Heller interessieren vor allem die Himmelsme-chanik und der Bau von Messinstrumenten,um die Position von Himmelsgestirnen zubestimmen. Die Wanderung des Tages-gestirns als Maßstab unserer Zeit fasziniertihn besonders. Seine erste Sonnenuhr ausHolz mit manueller Korrektur der Zeitglei-chung und der Längengraddifferenz entsteht1976. Drei Jahre später stellt er eine elektro-nisch gesteuerte Sonnenuhr fertig: Ein paral-lel zur Erdachse angetriebener Diopter suchtden Himmel ab, bis das Sonnenlicht auf dieeingebaute Fotozelle trifft. Eine Digitalan-zeige gibt dann die Zeit an.

Spiegel auf der Fensterbank

1980 legt er einen Spiegel auf die Fenster-bank und beobachtet das reflektierteSonnenlicht an der Zimmerdecke. Eine Ideeist geboren, die ihn bis heute nicht mehr los-gelassen hat. Mit dem programmierbarenTaschenrechner TI59, den er sich für seinMaschinenbaustudium angeschafft hat,berechnet Carlo Heller eine Skala, die er ander Decke aufzeichnet und an der man amreflektierten Lichtfleck die Zeit ablesen kann.Heute weiß er, dass bereits Isaac Newtonähnliche Experimente im Haus seiner Groß-mutter unternahm. Bald ist die Zimmerdeckezu klein. Nur wenige Stunden können ange-zeigt werden, da der Abstand vom Spiegel zugroß und der Öffnungswinkel des Fensters zuklein ist.

Schmetterling mit Lichtpunkt

Aus der Zimmerdecke wird ein Projektions-schirm, den Heller direkt vor den Spiegelspannt. Der Schirm hat nicht nur einen grö-ßeren Anzeigebereich, sondern auch denVorteil, dass man die Zeit bequem ablesenkann.

1989 stellt Heller seine erste Sonnenuhr mitdiesem neuen Funktionsprinzip her. Die Zeit-linien des an einen Schmetterling erinnern-den Projektionsschirms sind von hinten spie-gelverkehrt in das opalfarbene Plexiglas ge-fräst und mit schwarzer Farbe ausgefüllt. Eine Wiesbadener Elektronikfirma stellt ihmdafür den normalerweise für die Platinen-fertigung eingesetzten Fräsplotter zurVerfügung.

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Mit einem auf dem ATARI ST geschriebenenProgramm erzeugt er die Fräsdaten und stelltvier Schirme her: ein Paar für die aufsteigen-de und absteigende Sonne mit Winterzeit(MEZ) und ein Paar mit Sommerzeit (MESZ).Noch heute steht das Erstlingswerk aufHellers Terrasse.

Minutengenaue Zeitanzeige

1992 schließt er seine wissenschaftlicheTätigkeit in der Materialforschung an derTechnischen Universität in Darmstadt mit derPromotion ab und nimmt eine Stelle in derAutomobilzulieferindustrie an. In seinerFreizeit beschäftigt er sich weiter mit derEntwicklung einer Sonnenuhr, die das ersteModell entscheidendend verbessern soll.

Ein Hohlspiegel ersetzt den Planspiegel, umdie Abbildungsqualität des Sonnenlichts zuoptimieren. Der vorher ebene Projektions-schirm ist nun zylinderförmig, die Skala wirdnicht mehr gefräst, sondern lithografisch aufeine Folie gebracht. Eine Justiermechanik mitinsgesamt 11 einstellbaren Achsen dientdazu, den Spiegel und den Anzeigeschirmauszurichten. Justierungsaufgabe ist es, dieorthogonal in vier Raumrichtungen ausge-sandten Lichtstrahlen eines Justier-Lasers mitdefinierten Markierungspunkten auf demSchirm in Deckung zu bringen. Auch derSpiegel wird mit dem Justierstrahl ausgerich-tet.

Heller hat ein ehrgeiziges Ziel: die minuten-genaue Zeitanzeige. Sieben Jahre versucht ermit immer ausgeklügelteren Methoden, dasberechnete theoretische Modell aus demComputer in eine minutengenaue Sonnenuhrumzusetzen.

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Er kommt zu der Erkenntnis, dass es nichtmöglich ist, den Schirm zum Spiegel mit dererforderlichen Genauigkeit auszurichten:Stimmt die dreidimensionale Winkellage desSchirms, so hat sich dessen Abstand zumSpiegel verschoben und umgekehrt. DieZeitanzeige der Zylindersonnenuhr ist zwarschon wesentlich genauer als die ihrerVorgängerin, aber Heller ist noch nicht zufrie-den.

Helios

„Mir kam die Idee, nicht eine Theorie in diePraxis umzusetzen, sondern umgekehrt zuverfahren“, erinnert sich Heller an den Durch-bruch, der schließlich zur heutigen Aus-führung der Sonnenuhr führt. Er kündigt sei-nen Industriejob, um seinen Traum von derEntwicklung eines marktfähigen Produkts zuverwirklichen und gründet sein eigenesUnternehmen namens Helios.

Noch einmal drei Jahre benötigt er, um seinneues Konzept zu realisieren. Er entwickelteine Sonnenuhr, die in einem aufwändigenLaser-Fertigungsverfahren in Verbindung mitgenauen optischen Messmethoden herge-stellt wird und bei der die Justierung desSchirms in den Fertigungsprozess verlagertist. Die Erfahrungen aus seiner Berufspraxisals Ingenieur kann er beim Eigenbau derFertigungsanlage erfolgreich einsetzen. [18]

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Geografische Koordinaten werden lasergraviert

Ausrichtung des Hohlspiegels wird gemessen

Laserlicht zeichnet die haarfeinen Linien der Sonnenuhrskala

Globusschirm wird ausgeschnitten und gebohrt

Montage des Kopfes, der die Justiermechanik enthält

Er erreicht sein Ziel: die minutengenaue Zeit-anzeige. Doch das nicht allein, die Sonnenuhrist zu einem in Funktion und Design heraus-ragenden Produkt gereift. Im Mai 2001 star-tet Carlo Heller die Markteinführung derSonnenuhr.

Sie hat einen als Erdglobus geformtenAnzeigeschirm. Das speziell konstruierteSpritzgussteil aus witterungsbeständigemAcrylglas wird mit einem Laser so zugeschnit-ten und gebohrt, dass der Globus für denvom Kunden gewünschten Aufstellungsortausgerichtet ist. Das bedeutet, dass der aufder Sonnenuhr eingezeichnete Aufstellungs-ort in der Meridianebene liegt und der vonder Sonne erzeugte Lichtpunkt die Zenit-position der Sonne auf dem Globus immerkorrekt anzeigt.

Auch die Zeit- und Datumsskala wird für denAufstellungsort gefertigt. In ihre Berechnunggehen die von Helios ermittelten geografi-schen Koordinaten, die für jeden Zeitpunktim Jahr berechnete Position der Sonne unddie Daten der in der Anlage präzise vermes-senen Sonnenuhr ein. Ein Markierungs-Laserzeichnet die haarfeinen, weißen Linien derinsgesamt aus 220.000 Datenpunkten beste-henden Skala. Dabei bewirkt das unsichtbareLicht des Lasers den dauerhaften Farbum-schlag im Acrylglas.

Die Sonnenuhr kann vom Kunden in einfa-cher Weise am vorgesehenen Standort aufge-stellt und justiert werden. Die Justierung istnur einmalig nötig und wird in zwei Schrittendurchgeführt: die Einstellung der eingebau-ten Wasserwaage, mit der die Uhr zur Hori-zontebene ausgerichtet wird, und das Stellender Uhrzeit nach einer genau gehenden Uhr.Abschließend wird die Justierung fixiert unddie Sonnenuhr geht auf Dauer genau.

Die Einstellmechanik ist im Kopf unterge-bracht, der auch Spiegel und Wasserwaageenthält. Ein Kugelgelenk kann sowohl für dieHorizontierung geschwenkt als auch miteinem Untersetzungsgetriebe für die Uhrzeit-einstellung um die senkrecht ausgerichteteHochachse gedreht werden. Die abschließen-de Klemmung erfolgt über ein Rechts-Links-Gewinde, das das Kugelgelenk momentenfreiüber eine konische Hülse in der Lage fixiert.

Keine Zeitgleichungstabelle, keine Korrektur-skala und kein manuell betätigter Schwenk-ring sind notwendig, um Zeit, Datum und dieSonnenwanderung über dem Globus direktund eindeutig anzuzeigen. Die von CarloHeller entwickelte Sonnenuhr bietet durch ihraußergewöhnliches Funktionsprinzip mehr alsjede andere Bauart des jahrtausendaltenZeitmessers.

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