Forscher entwickeln neue Membranspiegel für große weltraumgestützte Teleskope

Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um große, hochwertige Spiegel herzustellen und zu formen, die viel dünner sind als die Primärspiegel, die zuvor für im Weltraum eingesetzte Teleskope verwendet wurden. Die resultierenden Spiegel sind flexibel genug, um zusammengerollt und kompakt in einer Trägerrakete verstaut zu werden.

„Der Start und Einsatz von Weltraumteleskopen ist ein kompliziertes und kostspieliges Verfahren“, 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 für Teleskopspiegel zu lösen, wodurch viel größere und damit empfindlichere Teleskope in die Umlaufbahn gebracht werden können.“

Im Tagebuch Angewandte Optikberichtet Rabien über die erfolgreiche Herstellung von Prototypen von Parabolmembranspiegeln mit einem Durchmesser von bis zu 30 cm. Diese Spiegel, die auf die in Weltraumteleskopen benötigten Größen skaliert werden konnten, wurden durch chemische Dampfabscheidung hergestellt, um Membranspiegel auf einer rotierenden Flüssigkeit in einer Vakuumkammer zu züchten. Er entwickelte auch eine Methode, die Wärme verwendet, um Unvollkommenheiten, die nach dem Aufklappen des Spiegels auftreten können, 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.“

Einen alten Prozess auf neue Weise anwenden

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

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung wird ein Vorläufermaterial verdampft und thermisch in monomere Moleküle gespalten. Diese Moleküle lagern sich in einer Vakuumkammer auf den Oberflächen ab und verbinden sich dann zu einem Polymer. Dieses Verfahren wird üblicherweise verwendet, um Beschichtungen aufzubringen, die beispielsweise Elektronik wasserfest machen, aber dies ist das erste Mal, dass es verwendet wurde, um parabolische Membranspiegel mit den für den Einsatz in Teleskopen erforderlichen optischen Qualitäten herzustellen.

Um die für einen Teleskopspiegel erforderliche präzise Form zu schaffen, fügten die Forscher einen rotierenden Behälter, der mit einer kleinen Menge Flüssigkeit gefüllt war, in das Innere der Vakuumkammer ein. Die Flüssigkeit bildet eine perfekte parabolische Form, auf die das Polymer aufwachsen kann und die Spiegelbasis bildet. Wenn das Polymer dick genug ist, wird eine reflektierende Metallschicht durch Aufdampfen auf die Oberseite aufgebracht und die Flüssigkeit wird weggespült.

„Es ist seit langem bekannt, dass rotierende Flüssigkeiten, die auf die lokale Gravitationsachse ausgerichtet sind, auf natürliche Weise eine paraboloide Oberflächenform bilden“, sagte Rabien. „Unter Ausnutzung dieses grundlegenden physikalischen Phänomens haben wir ein Polymer auf dieser perfekten optischen Oberfläche abgeschieden, 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 dünne Membranen für ähnliche Zwecke geschaffen haben, werden diese Spiegel typischerweise unter Verwendung einer hochwertigen optischen Form geformt. Die Verwendung einer Flüssigkeit zum Bilden der Form ist viel kostengünstiger und kann leichter auf große Größen skaliert werden.

Umformen eines gefalteten Spiegels

Der mit dieser Technik hergestellte dünne und leichte Spiegel kann während der Reise ins All einfach gefaltet oder aufgerollt werden. Es wäre jedoch fast unmöglich, es nach dem Auspacken wieder in die perfekte parabolische Form zu bringen. Um den Membranspiegel umzuformen, entwickelten die Forscher ein thermisches Verfahren, das eine mit Licht erzeugte lokalisierte Temperaturänderung nutzt, um eine adaptive Formsteuerung zu ermöglichen, die die dünne Membran in die gewünschte optische Form bringen kann.

Die Forscher testeten ihren Ansatz, indem sie Membranspiegel mit 30 cm Durchmesser in einer Vakuumabscheidungskammer erzeugten. Nach vielen Versuchen und Irrtümern konnten sie hochwertige Spiegel mit einer für Teleskope geeigneten Oberflächenform herstellen. Sie zeigten auch, dass ihre Methode der adaptiven thermischen Strahlungsformung gut funktionierte, wie mit einer Reihe von Strahlern und Beleuchtung von einem digitalen Lichtprojektor demonstriert wurde.

Die neuen membranbasierten Spiegel könnten auch in adaptiven Optiksystemen eingesetzt werden. Adaptive Optiken können die Leistung optischer Systeme verbessern, indem sie einen verformbaren Spiegel verwenden, um die Verzerrung des einfallenden Lichts zu kompensieren. Da die Oberfläche der neuen Membranspiegel verformbar ist, könnten diese Spiegel mit elektrostatischen Aktuatoren geformt werden, um verformbare Spiegel herzustellen, die kostengünstiger herzustellen sind als solche, die mit herkömmlichen Verfahren 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 auch, eine metergroße Abscheidungskammer zu schaffen, um die Oberflächenstruktur und die Verpackungs- und Entfaltungsprozesse für einen großen Primärspiegel besser zu untersuchen.