|
Мембранные зеркала для больших космических телескопов
|
|
|
|
Исследователи разработали новый способ изготовления и формирования больших высококачественных зеркал, которые намного тоньше, чем главные зеркала, ранее использовавшиеся для космических телескопов. Полученные зеркала достаточно гибкие, чтобы их можно было свернуть и компактно хранить внутри ракеты-носителя. «Запуск и развертывание космических телескопов — сложная и дорогостоящая процедура», — сказал Себастьян Рабьен из Института внеземной физики им. Макса Планка в Германии. «Этот новый подход, который сильно отличается от обычных процедур производства и полировки зеркал, может помочь решить проблемы с весом и упаковкой зеркал для телескопов, позволяя размещать на орбите гораздо более крупные и, следовательно, более чувствительные телескопы».
|
|
|
|
В журнале Applied Optics Рабиен сообщает об успешном изготовлении прототипов параболических мембранных зеркал диаметром до 30 см. Эти зеркала, которые можно было увеличить до размеров, необходимых для космических телескопов, были созданы с помощью химического осаждения из паровой фазы для выращивания мембранных зеркал на вращающейся жидкости внутри вакуумной камеры. Он также разработал метод, использующий тепло для адаптивной коррекции дефектов, которые могут возникнуть после того, как зеркало развернуто. «Хотя эта работа только продемонстрировала осуществимость методов, она заложила основу для создания более крупных и менее дорогих упаковываемых зеркальных систем», — сказал Рабьен. «Это может сделать реальностью легкие зеркала диаметром 15 или 20 метров, что позволит космическим телескопам быть на порядки более чувствительными, чем те, которые в настоящее время развернуты или планируются».
|
|
|
Новый метод был разработан во время пандемии COVID-19, которая, по словам Рабьена, дала ему дополнительное время, чтобы подумать и опробовать новые концепции. «В ходе длинной серии испытаний мы исследовали многие жидкости, чтобы выяснить их пригодность для процесса, исследовали, как можно добиться однородного роста полимера, и работали над оптимизацией процесса», — сказал он. Для химического осаждения из паровой фазы исходный материал испаряется и термически расщепляется на мономерные молекулы. Эти молекулы оседают на поверхности в вакуумной камере, а затем объединяются, образуя полимер. Этот процесс обычно используется для нанесения покрытий, таких как те, которые делают электронику водостойкой, но это первый случай, когда он был использован для создания зеркал с параболической мембраной с оптическими качествами, необходимыми для использования в телескопах.
|
|
|
|
Чтобы создать точную форму, необходимую для зеркала телескопа, исследователи добавили внутрь вакуумной камеры вращающийся контейнер, наполненный небольшим количеством жидкости. Жидкость образует идеальную параболическую форму, на которую может расти полимер, образуя основу зеркала. Когда полимер становится достаточно густым, сверху напылением наносится отражающий металлический слой и жидкость смывается. «Уже давно известно, что вращающиеся жидкости, выровненные с местной гравитационной осью, естественным образом образуют параболоидную форму поверхности», — сказал Рабьен. «Используя это основное физическое явление, мы нанесли полимер на эту идеальную оптическую поверхность, которая сформировала тонкую параболическую мембрану, которую можно использовать в качестве главного зеркала телескопа после покрытия такой отражающей поверхностью, как алюминий».
|
|
|
|
Хотя другие группы создали тонкие мембраны для аналогичных целей, эти зеркала обычно формируются с использованием высококачественной оптической формы. Использование жидкости для формирования формы гораздо более доступно и может быть легче масштабировано до больших размеров. Тонкое и легкое зеркало, созданное в этой технике, можно легко сложить или свернуть во время полета в космос. Однако вернуть ему идеальную параболическую форму после распаковки практически невозможно. Чтобы изменить форму мембранного зеркала, исследователи разработали термический метод, который использует локальное изменение температуры, создаваемое светом, чтобы обеспечить адаптивное управление формой, которое может привести тонкую мембрану к желаемой оптической форме.
|
|
|
|
Исследователи проверили свой подход, создав мембранные зеркала диаметром 30 см в камере вакуумного напыления. После долгих проб и ошибок им удалось изготовить высококачественные зеркала с формой поверхности, подходящей для телескопов. Они также показали, что их метод адаптивного формирования с тепловым излучением работает хорошо, что было продемонстрировано с помощью массива излучателей и освещения от цифрового светового проектора. Новые зеркала на мембранной основе также могут использоваться в системах адаптивной оптики. Адаптивная оптика может улучшить работу оптических систем за счет использования деформируемого зеркала для компенсации искажений входящего света.
|
|
|
|
Поскольку поверхность новых мембранных зеркал является деформируемой, этим зеркалам можно придать форму с помощью электростатических приводов для создания деформируемых зеркал, которые дешевле в изготовлении, чем те, которые создаются традиционными методами. Затем исследователи планируют применить более сложное адаптивное управление, чтобы изучить, насколько хорошо может быть сформирована окончательная поверхность и насколько можно допустить первоначальное искажение. Они также планируют создать камеру осаждения метрового размера, чтобы лучше изучить структуру поверхности, а также процессы упаковки и разворачивания крупномасштабного главного зеркала.
|
|
|
|
Источник
|
