Изменения в космических телескопах: Мембранные зеркала совершат революцию в астрономии

Исследователи разработали новый способ изготовления зеркал для телескопов, который позволит выводить на орбиту гораздо более крупные, а значит, и более чувствительные телескопы. Credit: Sebastian Rabien, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

Легкие и гибкие зеркала можно компактно свернуть для запуска, а затем точно изменить их форму после развертывания.

Ученые разработали новый метод изготовления и формовки больших высококачественных зеркал, значительно более тонких, чем первичные зеркала, традиционно используемые в космических телескопах. Полученные зеркала обладают достаточной гибкостью, чтобы их можно было свернуть и эффективно упаковать в космический аппарат при запуске.

«Запуск и развертывание космических телескопов — сложная и дорогостоящая процедура», — говорит Себастьян Рабиен из Института внеземной физики Макса Планка (Германия). «Этот новый подход, сильно отличающийся от обычных процедур изготовления и полировки зеркал, может помочь решить проблемы с весом и упаковкой зеркал телескопов, что позволит выводить на орбиту гораздо более крупные и, соответственно, более чувствительные телескопы».

Исследователи создали зеркала, используя химическое осаждение из паровой фазы для выращивания мембранных зеркал на вращающейся жидкости в вакуумной камере. Это позволило сформировать параболическую тонкую мембрану, которая может быть использована в качестве основного зеркала телескопа после нанесения на нее отражающей поверхности, например, алюминия. Credit: Sebastian Rabien, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

В журнале Applied Optics издательской группы Optica Рабьен сообщает об успешном изготовлении прототипов параболических мембранных зеркал диаметром до 30 см. Эти зеркала, которые могут быть масштабированы до размеров, необходимых для космических телескопов, были созданы с помощью химического осаждения паров для выращивания мембранных зеркал на вращающейся жидкости в вакуумной камере. Он также разработал метод, использующий тепло для адаптивной коррекции дефектов, которые могут возникнуть после разворачивания зеркала.

«Хотя эта работа продемонстрировала лишь осуществимость методов, она закладывает основу для создания более крупных упаковываемых зеркальных систем, которые будут менее дорогими», — сказал Рабиен. «Это может сделать реальностью легкие зеркала диаметром 15 или 20 м, что позволит создать космические телескопы, на порядки более чувствительные, чем те, которые уже созданы или планируются к созданию».

Применение старого процесса по-новому

Новый метод был разработан во время пандемии COVID-19, что, по словам Рабьена, дало ему дополнительное время для размышлений и опробования новых концепций. «В ходе длительной серии тестов мы исследовали множество жидкостей, чтобы выяснить, насколько они пригодны для данного процесса, изучали возможности однородного роста полимера и работали над оптимизацией процесса», — сказал он.

При химическом осаждении из паровой фазы материал-предшественник испаряется и термически расщепляется на мономерные молекулы. Эти молекулы осаждаются на поверхности в вакуумной камере, а затем соединяются, образуя полимер. Этот процесс обычно используется для нанесения покрытий, например, водостойких для электроники, но для создания параболических мембранных зеркал с оптическими свойствами, необходимыми для использования в телескопах, он применяется впервые.

Мембранные зеркала, изготовленные по новой технологии, достаточно гибкие, чтобы их можно было свернуть в рулон. Это может быть полезно для хранения зеркал внутри ракеты-носителя. Credit: Sebastian Rabien, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

Чтобы создать точную форму, необходимую для зеркала телескопа, исследователи добавили во внутреннюю часть вакуумной камеры вращающийся контейнер, заполненный небольшим количеством жидкости. Жидкость образует идеальную параболическую форму, на которую может нарастать полимер, формируя основу зеркала. Когда полимер становится достаточно толстым, на его верхнюю часть путем испарения наносится отражающий металлический слой, а жидкость смывается.

«Давно известно, что вращающиеся жидкости, выровненные относительно локальной гравитационной оси, естественным образом образуют параболоидную форму поверхности», — говорит Рабиен. «Используя это базовое физическое явление, мы нанесли полимер на эту идеальную оптическую поверхность, в результате чего образовалась параболическая тонкая мембрана, которая может быть использована в качестве первичного зеркала телескопа после покрытия отражающей поверхностью, например, алюминием».

Хотя другие группы создавали тонкие мембраны для аналогичных целей, эти зеркала обычно формируются с помощью высококачественной оптической формы. Использование жидкости для формирования формы гораздо более доступно по цене и может быть легко масштабировано до больших размеров.

Изменение формы сложенного зеркала

Тонкое и легкое зеркало, созданное по этой технологии, можно легко сложить или свернуть во время полета в космос. Однако вернуть ему идеальную параболическую форму после распаковки будет практически невозможно. Для изменения формы мембранного зеркала исследователи разработали термический метод, который использует локальное изменение температуры, создаваемое светом, для адаптивного управления формой, что позволяет придать тонкой мембране желаемую оптическую форму.

«Это может сделать реальностью легкие зеркала диаметром 15 или 20 метров, что позволит создать космические телескопы, на порядки более чувствительные, чем те, которые уже установлены или планируются к установке». — Себастьян Рабиен

Исследователи опробовали свой подход, создав мембранные зеркала диаметром 30 см в вакуумной камере напыления. После долгих проб и ошибок им удалось получить высококачественные зеркала с формой поверхности, пригодной для телескопов. Они также продемонстрировали, что их метод терморадиационной адаптивной формовки хорошо работает, что было продемонстрировано с помощью массива излучателей и подсветки от цифрового светового проектора.

Новые зеркала на основе мембран могут также использоваться в системах адаптивной оптики. Адаптивная оптика позволяет улучшить характеристики оптических систем за счет использования деформируемого зеркала для компенсации искажений входящего света. Поскольку поверхность новых мембранных зеркал деформируется, их форма может быть изменена с помощью электростатических приводов, что позволит создавать деформируемые зеркала, более дешевые по сравнению с традиционными методами.

Далее исследователи планируют применить более сложное адаптивное управление для изучения того, насколько хорошо может быть сформирована конечная поверхность и насколько допустимы начальные искажения. Они также планируют создать камеру осаждения метрового размера, чтобы лучше изучить структуру поверхности, процессы упаковки и разворачивания крупномасштабного первичного зеркала.

Ссылка: «Адаптивные параболические мембранные зеркала для больших развертываемых космических телескопов» Себастьян Рабиен, 4 апреля 2023 г., Applied Optics . DOI: 10.1364/AO.487262