Un juego

Por OpticaMay 13, 2023

Los investigadores han desarrollado una nueva forma de hacer espejos de telescopios que podrían permitir la colocación en órbita de telescopios mucho más grandes y, por lo tanto, más sensibles. Crédito: Sebastian Rabien, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre

Los espejos que son livianos y flexibles podrían enrollarse de manera compacta para el lanzamiento y luego remodelarse con precisión una vez que se implementan.

Los científicos han desarrollado un nuevo método para producir y dar forma a grandes espejos de alta calidad, significativamente más delgados que los espejos primarios empleados tradicionalmente en los telescopios espaciales. Estos espejos resultantes poseen suficiente flexibilidad para enrollarse y empaquetarse de manera eficiente dentro de una nave espacial durante el lanzamiento.

"Lanzar y desplegar telescopios espaciales es un procedimiento complicado y costoso", dijo Sebastian Rabien del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania. "Este nuevo enfoque, que es muy diferente de los procedimientos típicos de producción y pulido de espejos, podría ayudar a resolver los problemas de peso y empaque de los espejos de los telescopios, permitiendo que se coloquen en órbita telescopios mucho más grandes y, por lo tanto, más sensibles".

Los investigadores crearon los espejos mediante la deposición de vapor químico para hacer crecer espejos de membrana en un líquido giratorio dentro de una cámara de vacío. Esto les permitió formar una membrana parabólica delgada que se puede utilizar como espejo principal de un telescopio una vez recubierta con una superficie reflectante como el aluminio. Crédito: Sebastian Rabien, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre

En la revista Applied Optics de Optica Publishing Group, Rabien informa sobre la fabricación exitosa de prototipos de espejos de membrana parabólica de hasta 30 cm de diámetro. Estos espejos, que podrían ampliarse a los tamaños necesarios en los telescopios espaciales, se crearon mediante la deposición de vapor químico para hacer crecer espejos de membrana en un líquido giratorio dentro de una cámara de vacío. También desarrolló un método que usa calor para corregir de manera adaptativa las imperfecciones que pueden ocurrir después de que se despliega el espejo.

"Aunque este trabajo solo demostró la viabilidad de los métodos, sienta las bases para sistemas de espejos empacables más grandes que son menos costosos", dijo Rabien. "Podría hacer realidad los espejos livianos de 15 o 20 metros de diámetro, lo que permitiría telescopios espaciales que son órdenes de magnitud más sensibles que los actualmente desplegados o planificados".

El nuevo método se desarrolló durante la pandemia de COVID-19, lo que, según Rabien, le dio más tiempo para pensar y probar nuevos conceptos. "En una larga serie de pruebas, investigamos muchos líquidos para descubrir su utilidad para el proceso, investigamos cómo se puede llevar a cabo el crecimiento del polímero de manera homogénea y trabajamos para optimizar el proceso", dijo.

Para la deposición química de vapor, un material precursor se evapora y se divide térmicamente en moléculas monoméricas. Esas moléculas se depositan en las superficies en una cámara de vacío y luego se combinan para formar un polímero. Este proceso se usa comúnmente para aplicar recubrimientos como los que hacen que la electrónica sea resistente al agua, pero esta es la primera vez que se usa para crear espejos de membrana parabólica con las cualidades ópticas necesarias para su uso en telescopios.

Los espejos de membrana hechos con la nueva técnica son lo suficientemente flexibles como para enrollarse. Esto podría ser útil para almacenar los espejos dentro de un vehículo de lanzamiento. Crédito: Sebastian Rabien, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre

Para crear la forma precisa necesaria para un espejo de telescopio, los investigadores agregaron un recipiente giratorio lleno de una pequeña cantidad de líquido en el interior de la cámara de vacío. El líquido forma una forma parabólica perfecta sobre la que puede crecer el polímero, formando la base del espejo. Cuando el polímero es lo suficientemente grueso, se aplica una capa de metal reflectante en la parte superior mediante evaporación y el líquido se elimina por lavado.

"Desde hace tiempo se sabe que los líquidos giratorios que están alineados con el eje gravitatorio local formarán naturalmente una forma de superficie paraboloide", dijo Rabien. "Utilizando este fenómeno físico básico, depositamos un polímero sobre esta superficie óptica perfecta, que formó una membrana parabólica delgada que puede usarse como el espejo principal de un telescopio una vez recubierto con una superficie reflectante como el aluminio".

Aunque otros grupos han creado membranas delgadas para propósitos similares, estos espejos generalmente se moldean utilizando un molde óptico de alta calidad. Usar un líquido para formar la forma es mucho más asequible y se puede escalar más fácilmente a tamaños grandes.

El espejo delgado y liviano creado con esta técnica se puede plegar o enrollar fácilmente durante el viaje al espacio. Sin embargo, sería casi imposible devolverlo a la forma parabólica perfecta después de desempacarlo. Para remodelar el espejo de la membrana, los investigadores desarrollaron un método térmico que utiliza un cambio de temperatura localizado creado con luz para permitir un control de forma adaptativo que puede llevar la delgada membrana a la forma óptica deseada.

"Podría hacer realidad los espejos livianos de 15 o 20 metros de diámetro, lo que permitiría telescopios espaciales que son órdenes de magnitud más sensibles que los actualmente desplegados o planificados". — Sebastián Rabien

Los investigadores probaron su enfoque creando espejos de membrana de 30 cm de diámetro en una cámara de deposición al vacío. Después de muchas pruebas y errores, pudieron producir espejos de alta calidad con una forma de superficie adecuada para telescopios. También demostraron que su método de modelado adaptativo radiativo térmico funcionaba bien, como se demostró con una serie de radiadores y la iluminación de un proyector de luz digital.

Los nuevos espejos basados ​​en membranas también podrían utilizarse en sistemas de óptica adaptativa. La óptica adaptativa puede mejorar el rendimiento de los sistemas ópticos mediante el uso de un espejo deformable para compensar la distorsión de la luz entrante. Debido a que la superficie de los nuevos espejos de membrana es deformable, estos espejos podrían moldearse con actuadores electrostáticos para crear espejos deformables que son menos costosos de fabricar que los creados con métodos convencionales.

A continuación, los investigadores planean aplicar un control adaptativo más sofisticado para estudiar qué tan bien se puede moldear la superficie final y qué cantidad de distorsión inicial se puede tolerar. También planean crear una cámara de deposición del tamaño de un metro para estudiar mejor la estructura de la superficie y los procesos de empaque y despliegue de un espejo primario a gran escala.

Referencia: "Espejos de membrana parabólicos adaptativos para grandes telescopios espaciales desplegables" por Sebastian Rabien, 4 de abril de 2023, Applied Optics.DOI: 10.1364/AO.487262