Membranspiegel heben ab für den Einsatz in großen Weltraumteleskopen

Extrem große Teleskope im Weltraum oder ballonbasierte Observatorien erfordern Spiegel, die viel größer, empfindlicher und leichter sind als die heute verwendeten. Große Membranspiegel mit geringem Flächengewicht sind in diesem Zusammenhang vielversprechend, lassen sich jedoch nur schwer in der erforderlichen optischen Qualität herstellen.

Forscher in Deutschland haben einen neuen Weg gefunden, um sehr dünne Polymerspiegel von ausreichend hoher Qualität herzustellen, um als Primärspiegel in Weltraumteleskopen zu dienen. Dabei verwenden sie einen Ansatz, der sich stark von herkömmlichen Herstellungs- und Polierverfahren für Spiegel unterscheidet. Die von einem Team am entwickelten Technik Max-Planck-Institut für extraterrestrische PhysikDabei wird ein Polymer auf der Oberfläche einer rotierenden Flüssigkeit abgeschieden, das eine perfekte parabolische Form bildet. Die resultierenden Spiegel sind leicht, haben einen Durchmesser von etwa 30 cm und könnten möglicherweise auf viel größere Durchmesser von Metern vergrößert werden. Sie sind außerdem flexibel genug, um für den Transport auf einem Raumschiff aufgerollt und am Zielort wieder entfaltet zu werden.

In ihrer Arbeit haben die Forscher unter der Leitung von Sebastian Rabien, machte sich ein grundlegendes physikalisches Phänomen zunutze: dass eine Flüssigkeit in einem rotierenden Behälter auf natürliche Weise eine parabolische Oberflächenform bildet. Sie nutzten diese Oberfläche als Basis, auf der sie ein Polymer – in diesem Fall Parylene – in der gewünschten Dicke aufbrachten. Sobald diese Membran mit einer reflektierenden Oberfläche wie Aluminium oder Gold beschichtet ist, kann sie als Spiegel verwendet werden.

Das Polymer wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung gezüchtet. Diese Technik wird routinemäßig zum Auftragen von Beschichtungen auf elektronische Geräte eingesetzt, doch dies ist das erste Mal, dass sie zur Herstellung parabolischer Membranspiegel eingesetzt wird. „Der gesamte Prozess findet im Vakuum statt, frei von störenden Winden oder Partikeln, was optisch hochwertige Oberflächen ermöglicht“, erklärt Rabien.

Die Forscher sagen, dass sie die parabolische Form des Spiegels mithilfe einer Methode der adaptiven Strahlungsoptik lokal manipulieren können, bei der das Material thermisch ausgeweitet wird, indem ein Lichtstrahl auf die Vorder- oder Rückseite der Struktur angewendet wird.

Die neuen Spiegel könnten aufgerollt und kompakt in einer Trägerrakete verstaut und dann nach dem Einsatz auseinandergefaltet und präzise umgeformt werden – etwas, das dabei hilft, Gewichts- und Verpackungsprobleme bei Teleskopspiegeln zu lösen, sagt Rabien.

„Obwohl sicherlich noch mehr Forschung und Technik erforderlich ist, denke ich, dass wir über einen Prozess verfügen, der auf sehr große Durchmesser (15 bis 20 m) skalierbar ist“, sagt er Physik-Welt. „Außerdem ist der Flüssigdorn für die Oberflächenform deutlich günstiger als herkömmliche Optikfertigungsmethoden. Vakuumkammern in der für die Herstellung dieser Spiegel erforderlichen Größe existieren bereits für andere Zwecke und die erforderlichen Wachstumsprozesse können aus verfügbaren Technologien übernommen werden.“

Nanopartikel-auf-Spiegel-Konstrukte könnten dabei helfen, farbverändernde Displays herzustellen

Eine Art astrophysikalischer Objekte, die mithilfe solcher Spiegel abgebildet und gesucht werden könnten, seien Exoplaneten, sagt Rabien. „Die Vision, diese entfernten Planetensysteme mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit zu betrachten und das Wetter oder Kontinente oder sogar Lichter an einer Küste aufzulösen, würde die Platzierung vieler großer Teleskope mit solchen Spiegeln im Orbit erfordern. Um diesen Traum zu verwirklichen, müssen das Flächengewicht und die Kosten des Hauptspiegels erheblich reduziert werden und eine Möglichkeit gefunden werden, diese in eine Trägerrakete zu packen. Die in unserer Arbeit beschriebenen Techniken könnten ein Weg zu einer solchen Vision sein.“

Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Angewandte OptikSie sagen, dass sie mit ihrer Technik nun metergroße Spiegel herstellen wollen. „Dies würde es uns ermöglichen, die Oberflächenfunktion der Spiegel und ihre Beeinflussung und Steuerung besser zu verstehen und die erforderlichen großräumigen Steuerungsparameter zu quantifizieren.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/membrane-mirrors-take-off-for-use-in-large-space-telescopes/