ตัวเปลี่ยนเกมสำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศ: กระจกเมมเบรนปฏิวัติวงการดาราศาสตร์

นักวิจัยได้พัฒนาวิธีใหม่ในการสร้างกระจกกล้องโทรทรรศน์ที่สามารถวางกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีความไวมากขึ้นในวงโคจรได้ เครดิต: Sebastian Rabien สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์นอกโลก

กระจกที่ทั้งน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นสามารถม้วนเก็บให้เล็กลงได้สำหรับการเปิดตัว จากนั้นปรับรูปร่างใหม่อย่างแม่นยำเมื่อนำไปใช้งาน

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการผลิตและขึ้นรูปกระจกขนาดใหญ่คุณภาพสูง ซึ่งบางกว่ากระจกหลักที่ใช้ในกล้องโทรทรรศน์อวกาศแบบดั้งเดิมอย่างเห็นได้ชัด กระจกที่เป็นผลลัพธ์เหล่านี้มีความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะม้วนเก็บและบรรจุอย่างมีประสิทธิภาพภายในยานอวกาศในระหว่างการปล่อย

เซบาสเตียน ราเบียน จาก สถาบันมักซ์พลังค์สำหรับฟิสิกส์นอกโลก ในประเทศเยอรมนี “วิธีการใหม่นี้ ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากขั้นตอนการผลิตและขัดกระจกทั่วไป สามารถช่วยแก้ปัญหาเรื่องน้ำหนักและการบรรจุหีบห่อของกระจกกล้องโทรทรรศน์ ทำให้สามารถวางกล้องโทรทรรศน์ในวงโคจรที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีความไวมากขึ้นได้”

นักวิจัยสร้างกระจกโดยใช้การสะสมของไอสารเคมีเพื่อขยายกระจกเมมเบรนบนของเหลวที่หมุนภายในห้องสุญญากาศ สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสร้างเมมเบรนบาง ๆ แบบพาราโบลาที่สามารถใช้เป็นกระจกหลักของกล้องโทรทรรศน์เมื่อเคลือบด้วยพื้นผิวสะท้อนแสงเช่นอลูมิเนียม เครดิต: Sebastian Rabien สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์นอกโลก

ในวารสาร Optica Publishing Group ทัศนศาสตร์ประยุกต์Rabien รายงานความสำเร็จในการสร้างต้นแบบกระจกเมมเบรนพาราโบลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 30 ซม. กระจกเงาเหล่านี้ ซึ่งสามารถปรับขนาดได้ถึงขนาดที่จำเป็นในกล้องโทรทรรศน์อวกาศ ถูกสร้างขึ้นโดยใช้การสะสมของไอสารเคมีเพื่อขยายกระจกเมมเบรนบนของเหลวที่หมุนวนภายในห้องสุญญากาศ เขายังพัฒนาวิธีการที่ใช้ความร้อนเพื่อแก้ไขความไม่สมบูรณ์ที่อาจเกิดขึ้นหลังจากกางกระจกออก

“แม้ว่าผลงานชิ้นนี้จะแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของวิธีการต่างๆ เท่านั้น แต่ก็เป็นการวางรากฐานสำหรับระบบกระจกขนาดใหญ่ที่สามารถบรรจุได้ซึ่งมีราคาไม่แพง” Rabien กล่าว “มันสามารถทำให้กระจกน้ำหนักเบาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 หรือ 20 เมตรเป็นจริงได้ ทำให้กล้องโทรทรรศน์ในอวกาศมีขนาดที่ไวกว่ากล้องโทรทรรศน์ที่กำลังใช้งานอยู่หรือกำลังวางแผนอยู่”

การนำกระบวนการเก่ามาใช้ในวิธีใหม่

วิธีการใหม่ได้รับการพัฒนาระหว่าง

” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>COVID-19 pandemic, which Rabien says gave him some extra time to think and try out new concepts. “In a long series of tests, we researched many liquids to find out their usability for the process, investigated how the polymer growth can be carried out homogeneously, and worked to optimize the process,” he said.

For chemical vapor deposition, a precursor material is evaporated and thermally split into monomeric molecules. Those molecules deposit on the surfaces in a vacuum chamber and then combine to form a polymer. This process is commonly used to apply coatings such as the ones that make electronics water-resistant, but this is the first time it has been used to create parabolic membrane mirrors with the optical qualities necessary for use in telescopes.

Membrane mirrors made using the new technique are flexible enough to be rolled up. This could be helpful for storing the mirrors inside of a launch vehicle. Credit: Sebastian Rabien, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

To create the precise shape necessary for a telescope mirror, the researchers added a rotating container filled with a small amount of liquid to the inside of the vacuum chamber. The liquid forms a perfect parabolic shape onto which the polymer can grow, forming the mirror base. When the polymer is thick enough, a reflective metal layer is applied to the top via evaporation and the liquid is washed away.

“It has long been known that rotating liquids that are aligned with the local gravitational axis will naturally form a paraboloid surface shape,” said Rabien. “Utilizing this basic physics phenomenon, we deposited a polymer onto this perfect optical surface, which formed a parabolic thin membrane that can be used as the primary mirror of a telescope once coated with a reflecting surface such as aluminum.”

Although other groups have created thin membranes for similar purposes, these mirrors are typically shaped using a high-quality optical mold. Using a liquid to form the shape is much more affordable and can be more easily scaled up to large sizes.

Reshaping a folded mirror

The thin and lightweight mirror created using this technique can easily be folded or rolled up during the trip to space. However, it would be nearly impossible to get it back to the perfect parabolic shape after unpacking. To reshape the membrane mirror, the researchers developed a thermal method that uses a localized temperature change created with light to enable adaptive shape control that can bring the thin membrane into the desired optical shape.

The researchers tested their approach by creating 30-cm diameter membrane mirrors in a vacuum deposition chamber. After much trial and error, they were able to produce high-quality mirrors with a surface shape suitable for telescopes. They also showed that their thermal radiative adaptive shaping method worked well, as demonstrated with an array of radiators and illumination from a digital light projector.

The new membrane-based mirrors could also be used in adaptive optics systems. Adaptive optics can improve the performance of optical systems by using a deformable mirror to compensate for distortion in incoming light. Because the surface of the new membrane mirrors is deformable, these mirrors could be shaped with electrostatic actuators to create deformable mirrors that are less expensive to make than those created with conventional methods.

Next, the researchers plan to apply more sophisticated adaptive control to study how well the final surface can be shaped and how much of an initial distortion can be tolerated. They also plan to create a meter-sized deposition chamber to better study the surface structure and packaging and unfolding processes for a large-scale primary mirror.

Reference: “Adaptive parabolic membrane mirrors for large deployable space telescopes” by Sebastian Rabien, 4 April 2023, Applied Optics.
DOI: 10.1364/AO.487262