Membranspiegel für große Teleskope im All

Forscher des MPI für extra­terres­trische Physik haben eine neue Methode zur Herstellung und Anpassung großer optischer Spiegel entwickelt, die deutlich dünner sind als herkömm­liche Spiegel für Weltraum­teleskope. Die so entstandenen Spiegel sind so flexibel, dass sie aufgerollt und kompakt in einer Träger­rakete verstaut werden könnten.

„Der Start und die Inbetrieb­nahme von Teleskopen im All ist ein kompliziertes und kost­spieliges Verfahren“, sagt Sebastian Rabien vom MPE. „Dieser neue Ansatz – der sich stark von den üblichen Verfahren zur Herstellung und zum Polieren von Spiegeln unterscheidet – könnte dazu beitragen, die Probleme in Bezug auf Gewicht und Volumen der Nutzlast zu lösen.“ Damit könnten viel größere und damit empfind­lichere Teleskope in eine Umlaufbahn gebracht werden.

Die neue Technik: Die Spiegel wachsen durch chemische Dampf­phasen­ab­scheidung auf einer rotierenden Flüssigkeit in einer Vakuum­kammer. Prototypen derartiger Membran­spiegel in Parabel­form mit einem Durch­messer von bis zu dreißig Zenti­metern wurden erfolg­reich hergestellt und somit die Machbarkeit der Methode demonstriert. „Damit wurde die Grundlage für größere, verformbare Spiegel­systeme geschaffen, die weniger teuer sind als üblich“, fügt Rabien hinzu.

Für die Abscheidung werden monomere Moleküle erzeugt, die sich in einer Vakuum­kammer auf der Oberfläche ablagern und zu einem Polymer verbinden. Dieses Verfahren, das üblicher­weise zum Aufbringen von Beschichtungen verwendet wird, um beispiels­weise Elektronik wasserfest zu machen, wurde nun erstmals eingesetzt, um Membran­spiegel in Parabel­form mit den für den Einsatz in Teleskopen erforder­lichen optischen Eigen­schaften herzu­stellen.

Der Clou: ein rotierender Behälter, der mit etwas Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die Rotation bildet sich eine perfekte Parabel­form – damit ist die Vorlage erschwing­lich und kann leicht kann auf Großformate skaliert werden. Sobald das Polymer dick genug ist, wird auf der Oberseite eine reflek­tierende Metall­schicht aufgebracht und die Flüssigkeit abgewaschen.

Der so hergestellte dünne und leichte Spiegel kann für die Reise ins All einfach aufgerollt werden. Um die hohen Anforderungen an die Oberfläche eines optischen Spiegels zu erreichen, ist nach dem Ausrollen eine aktive Verformung des Spiegels nötig. Die Forscher entwickelten daher eine adaptive Methode, um die Form basierend auf einer lokali­sierten Temperatur­änderung zu kontrol­lieren. Die Temperatur wird dabei durch eine räumlich variable Licht­projektion gesteuert.

Als Nächstes wollen die Forscher die adaptive Steuerung noch weiter verfeinern, um heraus­zu­finden, wie gut die endgültige Oberfläche angepasst werden kann und welches Maß an Verformung tolerier­bar ist. Im Weiteren kann der Schritt zu größeren Beschichtungs­kammern, in der Spiegel mit deutlich größeren Durch­messern gefertigt werden können den Weg zu einsatz­fähigen Systemen ebnen. Damit können Ober­flächen­struktur sowie der Prozess zur Verformung und Entfaltung für einen großen Primär­spiegel besser unter­sucht werden.

MPE / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Rabien: Adaptive parabolic membrane mirrors for large deployable space telescopes, Optica 62, 2835 (2023); DOI: 10.1364/AO.487262
• Infrarot-/Submillimeter-Astronomie, Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, Garching