Thirty Meter Telescope International Observatory: Optiken von Coherent den Teleskopen eine strahlende Zukunft

Eine wirklich großartige Idee

Seit der Erfindung des Teleskops durch Galileo haben Astronomen versucht, immer größere Instrumente zu bauen. Der Grund dafür liegt in der einfachen Physik. Je größer ein Teleskop ist, desto detailliertere und hellere Bilder liefert es. Dadurch kann es tiefer in das Universum blicken.

Aus diesem Grund hat sich eine Gruppe von Partnern aus den USA, Kanada, Japan, China und Indien zusammengeschlossen, um das Thirty Meter Telescope (TMT) ins Leben zu rufen. Zum Vergleich: Das größte derzeit in Betrieb befindliche Teleskop im sichtbaren Wellenlängenbereich hat einen Spiegel von 10,4 m. Ein 30-Meter-Teleskop stellt somit einen erheblichen Fortschritt hinsichtlich der Abbildungsmöglichkeiten dar.

Große Spiegelteleskope verwenden Spiegel als Optik (im Gegensatz zu Linsen). Es ist jedoch schlichtweg nicht praktikabel, Teleskopspiegel mit einem Durchmesser von mehr als 8,5 m herzustellen. Um eine größere Größe zu erreichen, wird der Hauptspiegel (oder Primärspiegel) stattdessen aus einem Mosaik kleinerer Segmente zusammengesetzt. Die Formgebung dieser einzelnen Spiegel als Sechsecke optimiert das optische Design. Sie ermöglicht es, die Segmente in einer Figur, die sich einem Kreis annähert, sehr eng aneinander zu legen.

Bei Teleskopen gilt zwar: je größer, desto besser, doch die Vorteile einer besseren Bildqualität kommen nur dann zum Tragen, wenn die Optik von extrem hoher Qualität ist. Dies setzt insbesondere voraus, dass die Gesamtform des Spiegels exakt mit der Konstruktionsform übereinstimmt und dass die Oberfläche des Spiegels glatt und (hinsichtlich der Form) auf wenige Nanometer genau ist.

Coherent sich den TMT-Bemühungen an

Der Hauptspiegel des Thirty Meter Telescope wird aus 492 einzelnen Segmenten bestehen, von denen jedes eine Diagonale von 1,44 m aufweist. Die Gesamtform des Hauptspiegels ist eine Hyperbel. Das bedeutet, dass jedes einzelne Segment ein von der Achse entferntes Stück dieser Form ist (und es gibt insgesamt 82 verschiedene Formen für alle TMT-Spiegelsegmente). Diese Art von Form wird als „Freiform“ bezeichnet.

Weltweit gibt es nur eine Handvoll Unternehmen, die in der Lage sind, Freiformen mit einem Durchmesser von mehr als einem Meter mit der für das TMT erforderlichen Präzision herzustellen – vor allem in nennenswertem Umfang. Vier verschiedene Konsortien (in den Vereinigten Staaten, Japan, China und Indien) wurden vom Thirty Meter Telescope International Observatory (TIO) ausgewählt, diese Optiken herzustellen.

Coherent ehemals Tinsley Laboratories) wurde als Lieferant für die Vereinigten Staaten ausgewählt. Wir werden insgesamt 230 Spiegelsegmente produzieren – mehr als jede andere Gruppe. Coherent auch die Spiegelpoliergeräte, Vorrichtungen und Testgeräte für die in Indien tätige Gruppe gebaut. Die indischen Ingenieure wurden bei Coherent im Umgang mit all diesen Geräten geschult. Zudem werden Mitarbeiter von Coherent Geräte nach Indien begleiten, um sie dort zu installieren und in Betrieb zu nehmen.

Die Herausforderung bei der Herstellung

Es gibt zwei Hauptmethoden, um hochpräzise Freiformen im Meterbereich zu polieren. Bei Formen, die deutlich von einer einfachen sphärischen Oberfläche abweichen, kommt das sogenannte „Subapertur“-Polieren zum Einsatz. Dabei wird ein Polierwerkzeug verwendet, das viel kleiner ist als die Optik, um jeweils nur einen Bereich zu bearbeiten, und der Vorgang wird wiederholt, um die gesamte Blende abzudecken.

Für eher sphärische Formen kann eine clevere Methode namens „Stress Mirror Polishing“ zum Einsatz kommen – eine Technik, die seit den 1960er Jahren kommerziell zur Herstellung asphärischer Optiken genutzt wird – selbst für große Oberflächen wie die eines Erdteleskops. Ein Sprecher des TIO stimmte dem zu: „Dieser Polieransatz ist ein Erbe der Zwillingsteleskope des Keck-Observatoriums. TMT ist stolz darauf, diese Technik einzusetzen, um die Form der Spiegeloberfläche zu verbessern und die Poliermethode effizient zu halten.” In diesem Fall wird die Optik mechanisch so eingespannt, dass ihre Oberfläche absichtlich verzerrt wird. Anschließend wird sie mit den Standardmethoden zur Berechnung einer Kugel poliert. Dabei wird ein Polierwerkzeug verwendet, das 85 % der Öffnung des Teils abdeckt. Nach dem Polieren werden die Klammern gelöst und das Teil „entspannt“ sich wieder in seine endgültige, gewünschte Freiform.

Das Polieren von Spannungsspiegeln ist im Allgemeinen eine schnellere und deterministischere Methode zur Herstellung großer Optiken. Es ist schneller, da beim Subapertur-Polieren jeweils kleinere Bereiche des Werkstücks bearbeitet werden und daher in der Regel mehr Bearbeitungszyklen erforderlich sind, um die gesamte Oberfläche abzudecken. Außerdem entstehen beim Subapertur-Polieren unweigerlich kleine Wellen oder Oberflächenrückstände auf der Oberfläche. Für eine Hochleistungsoptik müssen diese entfernt werden, was zusätzliche zeitaufwändige Schritte erfordern kann. Das Polieren von Spannungsspiegeln ist im Allgemeinen deterministischer, da es auf Techniken basiert, die von Natur aus eine nahezu perfekte flache oder sphärische Form erzeugen.

Natürlich erfordert das Polieren von Spannungsspiegeln ein Präzisionswerkzeug, das genau die richtigen Kräfte auf das Substrat ausübt, um es zu verformen. Da Coherent verschiedene Spiegelformen bzw. -typen herstellt, hätte die Herstellung dieser Werkzeuge einen erheblichen Teil der Produktionszeit in Anspruch nehmen können. Um dies zu vermeiden, hat Coherent einziges Werkzeug entwickelt, das so programmiert werden kann, dass es das Kraftmuster liefert, das für das Polieren aller verschiedenen Formen der TMT-Segmente erforderlich ist.

Partnerschaften mit Coherent

„Wir haben Coherent Anfang an als potenziellen Lieferanten in Betracht gezogen, da das Unternehmen über bewährte Kompetenzen und Glaubwürdigkeit bei der Herstellung großer Optiken verfügt“, erklärt Glen Cole, leitender Ingenieur für die optische Fertigung beim TIO. „Sie haben mehrere Projekte für das Hubble-Weltraumteleskop erfolgreich abgeschlossen – am bekanntesten ist die COSTAR-Optik, die den fehlerhaften Hauptspiegel korrigierte. Erst kürzlich haben sie alle 18 Segmente des 1,4 m großen Beryllium-Hauptspiegels für das James-Webb-Weltraumteleskop hergestellt.“

„Aber wir brauchten auch einen Partner für den Technologietransfer. Und zwar jemanden, der die Gruppe in Indien zum Laufen bringen kann. Die Fähigkeit von Coherent, dieses Vorhaben zu unterstützen, war ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des Unternehmens. Und der Erfolg, den sie bisher hatten, zeigt uns, dass wir eine gute Wahl getroffen haben.“

„Was wir 2017 nicht vorhersehen konnten, als wir Coherent Auftrag erteilten, war die weltweite COVID-19-Pandemie“, fügt Cole hinzu. „Dies bremste all unsere Bemühungen und führte zu erheblichen Verzögerungen im Projektzeitplan. Aber Coherent unserem Projekt erhebliche technische Ressourcen gewidmet und zudem eine größere Anlage speziell für die Produktion der TMT-Segmente in größeren Mengen gebaut. Dies ermöglichte es ihnen, unseren Schwung aufrechtzuerhalten, als wir alle aus dem Lockdown herauskamen. Außerdem haben sie eine erstaunliche Fähigkeit bewiesen, Probleme zu lösen oder sich um auftretende Fertigungsprobleme zu kümmern. Das ist der Vorteil ihrer langjährigen Erfahrung in der Herstellung von hochpräziser Optik.“

Unser anfänglicher Erfolg beim Polieren der ersten Spiegelsegmente (die wegen ihrer runden Form als „Rundlinge“ bezeichnet werden) führte dazu, dass das TIO uns 2020 einen weiteren Auftrag erteilte. Damit schneiden wir alle von uns hergestellten Rundlinge in ihre endgültige sechseckige Form (ein Vorgang, der als „Hexing“ bezeichnet wird).

Das TMT ist ein Großprojekt mit vielen spannenden Herausforderungen. Ausgehend von den außergewöhnlichen Bildern, die bereits vom James-Webb-Weltraumteleskop gesendet werden, erwarten wir, dass das TMT mit einer Sammelfläche, die mehr als 20 Mal so groß ist wie die des JWST, ganz erstaunliche wissenschaftliche Bilder liefern wird. 

Erfahren Sie hier mehr über das Thirty Meter Telescope (TMT).

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