Ein Spiel

Von Optica, 13. Mai 2023

Forscher haben eine neue Methode zur Herstellung von Teleskopspiegeln entwickelt, die die Platzierung wesentlich größerer und damit empfindlicherer Teleskope im Orbit ermöglichen könnte. Bildnachweis: Sebastian Rabien, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

Spiegel, die sowohl leicht als auch flexibel sind, könnten für den Start kompakt zusammengerollt und nach dem Einsatz präzise in die neue Form gebracht werden.

Wissenschaftler haben eine neue Methode zur Herstellung und Formung großer, hochwertiger Spiegel entwickelt, die deutlich dünner sind als die traditionell in Weltraumteleskopen verwendeten Primärspiegel. Die resultierenden Spiegel verfügen über genügend Flexibilität, um während des Starts zusammengerollt und effizient in einem Raumfahrzeug verpackt zu werden.

„Der Start und die Stationierung von Weltraumteleskopen ist ein komplizierter und kostspieliger Vorgang“, sagte Sebastian Rabien vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland. „Dieser neue Ansatz – der sich stark von typischen Spiegelherstellungs- und Polierverfahren unterscheidet – könnte dazu beitragen, Gewichts- und Verpackungsprobleme bei Teleskopspiegeln zu lösen und die Platzierung wesentlich größerer und damit empfindlicherer Teleskope im Orbit zu ermöglichen.“

Die Forscher stellten die Spiegel her, indem sie durch chemische Gasphasenabscheidung Membranspiegel auf einer rotierenden Flüssigkeit in einer Vakuumkammer wachsen ließen. Dadurch konnten sie eine parabolische dünne Membran bilden, die nach der Beschichtung mit einer reflektierenden Oberfläche wie Aluminium als Hauptspiegel eines Teleskops verwendet werden kann. Bildnachweis: Sebastian Rabien, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

In der Zeitschrift Applied Optics der Optica Publishing Group berichtet Rabien über die erfolgreiche Herstellung von Parabolmembranspiegel-Prototypen mit einem Durchmesser von bis zu 30 cm. Diese Spiegel, die auf die in Weltraumteleskopen benötigten Größen vergrößert werden konnten, wurden durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt, um Membranspiegel auf einer rotierenden Flüssigkeit in einer Vakuumkammer wachsen zu lassen. Er entwickelte außerdem eine Methode, die Wärme nutzt, um Unvollkommenheiten, die nach dem Aufklappen des Spiegels auftreten könnten, adaptiv zu korrigieren.

„Obwohl diese Arbeit nur die Machbarkeit der Methoden demonstrierte, legt sie den Grundstein für größere packbare Spiegelsysteme, die kostengünstiger sind“, sagte Rabien. „Es könnte leichte Spiegel mit einem Durchmesser von 15 oder 20 Metern Wirklichkeit werden lassen und weltraumgestützte Teleskope ermöglichen, die um Größenordnungen empfindlicher sind als die derzeit eingesetzten oder geplanten.“

Die neue Methode wurde während der COVID-19-Pandemie entwickelt, was Rabien zufolge ihm etwas mehr Zeit zum Nachdenken und Ausprobieren neuer Konzepte verschaffte. „In einer langen Versuchsreihe haben wir viele Flüssigkeiten auf ihre Eignung für den Prozess untersucht, untersucht, wie das Polymerwachstum homogen durchgeführt werden kann, und an der Optimierung des Prozesses gearbeitet“, sagte er.

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung wird ein Vorläufermaterial verdampft und thermisch in Monomermoleküle gespalten. Diese Moleküle lagern sich in einer Vakuumkammer auf den Oberflächen ab und verbinden sich dann zu einem Polymer. Dieses Verfahren wird üblicherweise zum Auftragen von Beschichtungen verwendet, die beispielsweise elektronische Geräte wasserdicht machen. Dies ist jedoch das erste Mal, dass damit parabolische Membranspiegel mit den für den Einsatz in Teleskopen erforderlichen optischen Eigenschaften hergestellt werden.

Mit der neuen Technik hergestellte Membranspiegel sind flexibel genug, um aufgerollt zu werden. Dies könnte bei der Aufbewahrung der Spiegel im Inneren einer Trägerrakete hilfreich sein. Bildnachweis: Sebastian Rabien, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

Um die präzise Form zu erzeugen, die für einen Teleskopspiegel erforderlich ist, fügten die Forscher im Inneren der Vakuumkammer einen rotierenden Behälter hinzu, der mit einer kleinen Menge Flüssigkeit gefüllt war. Die Flüssigkeit bildet eine perfekte parabolische Form, auf der das Polymer wachsen kann und so die Spiegelbasis bildet. Wenn das Polymer dick genug ist, wird durch Verdampfen eine reflektierende Metallschicht auf die Oberfläche aufgetragen und die Flüssigkeit wird weggespült.

„Es ist seit langem bekannt, dass rotierende Flüssigkeiten, die an der lokalen Gravitationsachse ausgerichtet sind, auf natürliche Weise eine paraboloide Oberflächenform bilden“, sagte Rabien. „Unter Ausnutzung dieses grundlegenden physikalischen Phänomens haben wir ein Polymer auf diese perfekte optische Oberfläche aufgetragen, das eine parabolische dünne Membran bildete, die als Primärspiegel eines Teleskops verwendet werden kann, sobald sie mit einer reflektierenden Oberfläche wie Aluminium beschichtet ist.“

Obwohl andere Gruppen für ähnliche Zwecke dünne Membranen hergestellt haben, werden diese Spiegel typischerweise mithilfe einer hochwertigen optischen Form geformt. Die Verwendung einer Flüssigkeit zur Formung ist viel kostengünstiger und lässt sich leichter auf große Größen übertragen.

Der mit dieser Technik hergestellte dünne und leichte Spiegel lässt sich während der Reise ins All einfach zusammenfalten oder aufrollen. Allerdings wäre es nahezu unmöglich, es nach dem Auspacken wieder in die perfekte Parabolform zu bringen. Um den Membranspiegel umzuformen, entwickelten die Forscher eine thermische Methode, die eine durch Licht erzeugte lokale Temperaturänderung nutzt, um eine adaptive Formsteuerung zu ermöglichen, die die dünne Membran in die gewünschte optische Form bringen kann.

„Es könnte leichte Spiegel mit einem Durchmesser von 15 oder 20 Metern Wirklichkeit werden lassen und weltraumgestützte Teleskope ermöglichen, die um Größenordnungen empfindlicher sind als die derzeit eingesetzten oder geplanten.“ — Sebastian Rabien

Die Forscher testeten ihren Ansatz, indem sie Membranspiegel mit 30 cm Durchmesser in einer Vakuumabscheidungskammer erzeugten. Nach vielen Versuchen gelang es ihnen, hochwertige Spiegel mit einer für Teleskope geeigneten Oberflächenform herzustellen. Sie zeigten auch, dass ihre adaptive Formungsmethode mit thermischer Strahlung gut funktionierte, wie mit einer Reihe von Strahlern und der Beleuchtung durch einen digitalen Lichtprojektor demonstriert wurde.

Die neuen membranbasierten Spiegel könnten auch in adaptiven Optiksystemen eingesetzt werden. Adaptive Optik kann die Leistung optischer Systeme verbessern, indem sie einen verformbaren Spiegel verwendet, um Verzerrungen im einfallenden Licht auszugleichen. Da die Oberfläche der neuen Membranspiegel verformbar ist, könnten diese Spiegel mit elektrostatischen Aktuatoren geformt werden, um verformbare Spiegel zu erzeugen, deren Herstellung kostengünstiger ist als die, die mit herkömmlichen Methoden hergestellt werden.

Als nächstes planen die Forscher, eine ausgefeiltere adaptive Steuerung anzuwenden, um zu untersuchen, wie gut die endgültige Oberfläche geformt werden kann und wie viel anfängliche Verzerrung toleriert werden kann. Sie planen außerdem die Schaffung einer metergroßen Abscheidungskammer, um die Oberflächenstruktur sowie die Verpackungs- und Entfaltungsprozesse für einen großformatigen Primärspiegel besser untersuchen zu können.

Referenz: „Adaptive Parabolic Membran Mirrors for Large Deployable Space Telescopes“ von Sebastian Rabien, 4. April 2023, Applied Optics.DOI: 10.1364/AO.487262