Вчені розробляють нові мембранні дзеркала для великих космічних телескопів

Дослідники розробили новий спосіб виготовлення та формування великих високоякісних дзеркал, які набагато тонші за первинні дзеркала, які раніше використовувалися для телескопів, розгорнутих у космосі. Отримані дзеркала досить гнучкі, щоб їх можна було згорнути та компактно зберігати всередині ракети-носія.

«Запуск і розгортання космічних телескопів є складною і дорогою процедурою», — сказав Себастьян Рабієн з Інституту позаземної фізики Макса Планка в Німеччині. «Цей новий підхід, який сильно відрізняється від типових процедур виготовлення та полірування дзеркал, може допомогти розв’язувати проблеми ваги та пакування дзеркал телескопів, дозволяючи розміщувати на орбіті набагато більші, а отже, чутливіші телескопи».

У журналі Applied Optics Рабієн повідомляє про успішне виготовлення прототипів параболічних мембранних дзеркал діаметром до 30 см. Ці дзеркала, які можна збільшити до розмірів, необхідних для космічних телескопів, були створені за допомогою хімічного осадження з парової фази для вирощування мембранних дзеркал на рідині, що обертається, у вакуумній камері. Він також розробив метод, який використовує тепло для адаптивного виправлення недоліків, які можуть виникнути після розгортання дзеркала.

«Хоча ця робота лише продемонструвала здійсненність методів, вона закладає основу для більших компактних дзеркальних систем, які є менш дорогими», — сказав Рабієн. «Це може зробити легкі дзеркала діаметром 15 або 20 метрів реальністю, дозволяючи створювати космічні телескопи, які є на порядки більш чутливими, ніж ті, які зараз розгортаються або плануються».

Застосування старого процесу по-новому

Новий метод був розроблений під час пандемії COVID-19, що, за словами Рабієна, дало йому додатковий час на роздуми та випробування нових концепцій. «У довгій серії випробувань ми досліджували багато рідин, щоб з’ясувати їх придатність для процесу, досліджували, як може бути однорідний ріст полімеру, і працювали над оптимізацією процесу», — сказав він.

Для хімічного осадження з парової фази вихідний матеріал випаровується та термічно розщеплюється на мономерні молекули. Ці молекули осідають на поверхнях у вакуумній камері, а потім об’єднуються, утворюючи полімер. Цей процес зазвичай використовується для нанесення покриттів, таких як ті, що роблять електроніку водостійкими, але це перший раз, коли він використовується для створення параболічних мембранних дзеркал із оптичними якостями, необхідними для використання в телескопах.

Щоб створити точну форму дзеркала телескопа, дослідники додали всередину вакуумної камери обертовий контейнер, наповнений невеликою кількістю рідини. Рідина утворює ідеальну параболічну форму, на яку може рости полімер, утворюючи дзеркало. Коли полімер стає достатньо товстим, на його верхню частину шляхом випаровування наноситься сітловідбивальний металевий шар, і рідина змивається.

«Давно відомо, що рідини, що обертаються, орієнтовані на місцеву гравітаційну вісь, природним чином утворюють параболоїдну форму поверхні», — сказав Рабієн. «Використовуючи це базове фізичне явище, ми нанесли полімер на цю ідеальну оптичну поверхню, яка утворила параболічну тонку мембрану, яку можна використовувати як основне дзеркало телескопа після покриття відбиваючою поверхнею, такою як алюміній».

Хоча інші групи створили тонкі мембрани для подібних цілей, ці дзеркала, як правило, формуються за допомогою високоякісної оптичної форми. Використання рідини для формування форми є набагато доступнішим і його можна легше збільшити до великих розмірів.

Зміна форми складеного дзеркала

Тонке і легке дзеркало, створене за цією технікою, можна легко скласти або згорнути під час подорожі в космос. Однак повернути його до ідеальної параболічної форми після розпакування було б майже неможливо. Щоб змінити форму мембранного дзеркала, дослідники розробили термічний метод, який використовує локалізовану зміну температури, створювану світлом, щоб забезпечити адаптивний контроль форми, який може привести тонку мембрану до бажаної оптичної форми.

Дослідники перевірили свій підхід, створивши мембранні дзеркала діаметром 30 см у камері вакуумного осадження. Після багатьох проб і помилок їм вдалося виготовити високоякісні дзеркала з формою поверхні, придатною для телескопів. Вони також показали, що їхній метод термовипромінювального адаптивного формування працював добре, як було продемонстровано з масивом радіаторів та освітленням від цифрового світлового проектора.

Нові мембранні дзеркала також можуть використовуватися в системах адаптивної оптики. Адаптивна оптика може покращити продуктивність оптичних систем, використовуючи дзеркало, що деформується, для компенсації спотворень у вхідному світлі. Оскільки поверхня нових мембранних дзеркал може деформуватися, цим дзеркалам можна надати форму за допомогою електростатичних приводів для створення деформованих дзеркал, виготовлення яких є менш дорогим, ніж ті, що створюються звичайними методами.

Далі дослідники планують застосувати більш складний адаптивний контроль, щоб вивчити, наскільки добре можна сформувати кінцеву поверхню та скільки початкових спотворень можна допустити. Вони також планують створити камеру для осадження розміром у метр, щоб краще вивчати структуру поверхні та процеси пакування та розгортання великого первинного дзеркала.