Internationales 30-Meter-Teleskop: Die Optik von Coherent ebnet den Weg für eine vielversprechende Zukunft des Teleskops

Eine wirklich großartige Idee

Seit der Erfindung des Fernrohrs durch Galileo haben Astronomen versucht, immer größere Geräte zu bauen. Der Grund dafür liegt in der einfachen Physik: Je größer ein Fernrohr ist, desto schärfer und heller sind die Bilder, die man damit erhält. Dadurch kann man weiter in die Ferne blicken.

Aus diesem Grund haben sich Partner aus den USA, Kanada, Japan, China und Indien zusammengeschlossen,um das Thirty Meter Telescope zu bauen. Zur Information: Der Spiegeldurchmesser des derzeit größten in Betrieb befindlichen Teleskops im sichtbaren Licht beträgt 10,4 m. Ein 30-Meter-Teleskop bedeutet daher einen enormen Fortschritt in Bezug auf die Abbildungsleistung.

Große Spiegelteleskope verwenden als optisches System Spiegel anstelle von Linsen. Allerdings ist es nicht realistisch, einen Spiegel für ein Teleskop herzustellen, dessen Durchmesser 8,5 m bei weitem übersteigt. Um eine größere Fläche zu erzielen, besteht der Hauptspiegel (Primärspiegel) aus einem Mosaik kleiner Segmente. Durch die sechseckige Form dieser einzelnen Spiegel wird das optische Design optimiert. Dadurch können die nahezu kreisförmigen Segmente sehr dicht nebeneinander angeordnet werden.

Je größer ein Teleskop ist, desto besser – doch der Vorteil einer hohen Bildqualität kommt nur dann zum Tragen, wenn das optische System von höchster Qualität ist. Konkret bedeutet dies, dass die Gesamtform der Spiegel originalgetreu nachgebildet sein muss und dass die Spiegeloberflächen glatt sind und eine Genauigkeit von wenigen Nanometern aufweisen.

Coherent beteiligt sich an TMT-Initiative

Der Hauptspiegel des Thirty Meter Telescope ist in 492 Segmente unterteilt, wobei die Länge von Ecke zu Ecke jeweils 1,44 m beträgt. Die Gesamtform des Hauptspiegels ist hyperbolisch. Das bedeutet, dass jedes einzelne Segment ein außeraxiales Teil dieser Form ist (insgesamt gibt es bei allen Spiegelsegmenten des TMT 82 verschiedene Formen). Diese Art von Form wird als „freie Formgebung“ bezeichnet.

Weltweit gibt es nur eine Handvoll Einrichtungen, die in der Lage sind, freie Formen mit einem Durchmesser von über 1 m mit der für das TMT erforderlichen Präzision herzustellen. Noch weniger sind es, die diese in nennenswerten Stückzahlen produzieren können. Für die Herstellung dieser optischen Systeme hat das Thirty Meter Telescope International Observatory (TIO) vier Gruppen aus den USA, Japan, China und Indien ausgewählt.

In den USA wurdeCoherent(ehemals Tinsley Laboratories) als Lieferant ausgewählt. Unser Unternehmen plant die Herstellung von insgesamt 230 Spiegelsegmenten – mehr als jede andere Gruppe. Coherent hat für die in Indien tätige Gruppe auch Spiegelpoliergeräte, Vorrichtungen und Prüfgeräte hergestellt. Die indischen Ingenieure wurden bereits von Coherent in der Anwendung all dieser Geräte geschult. Darüber hinaus werden Mitarbeiter von Coherent die Geräte nach Indien begleiten und vor Ort bei der Installation und Inbetriebnahme unterstützen.

Herausforderungen in der Fertigung

Es gibt im Wesentlichen zwei Methoden zum Polieren hochpräziser Freiformteile im Meterbereich. Bei Formen, die stark von einer einfachen Kugeloberfläche abweichen, kommt das sogenannte „Subapertur“-Polieren zum Einsatz. Dabei wird mit einem Polierwerkzeug, das weitaus kleiner ist als das optische System, jeweils nur ein Bereich bearbeitet; durch Wiederholung dieses Vorgangs wird die gesamte Apertur abgedeckt.

Bei nahezu kugelförmigen Oberflächen kommt ein ausgeklügeltes Verfahren zum Einsatz, das seit den 1960er Jahren bei der Herstellung asphärischer Optiken zum Einsatz kommt: das „Spannungsspiegelpolieren“. Diese Technik lässt sich auch auf große Flächen wie bei bodengestützten Teleskopen anwenden. Ein Sprecher von TIO bestätigt dies und erklärt: „Dieses Polierverfahren haben wir von den beiden Teleskopen des Keck-Observatoriums übernommen. Das TMT ist stolz darauf, mit dieser Technik die Form der Spiegelfläche zu verbessern und die Poliermethode effizient zu halten.“ In diesem Fall wird das optische System durch eine absichtliche Verformung der Oberfläche mechanisch fixiert. Anschließend wird es mit der üblichen Methode zum Polieren von Kugeln poliert. Hier kommt ein Polierwerkzeug zum Einsatz, das 85 % der Apertur des Bauteils abdeckt. Nach dem Polieren wird die Klemme gelöst, und das Bauteil „lockert sich“ und kehrt in seine endgültige, erforderliche Freiform zurück.

Das Spiegelpolieren unter Spannung ist im Allgemeinen ein schnelleres und deterministischeres Verfahren für große optische Systeme. Das Polieren in Teilbereichen ist schneller, da jeweils nur eine kleinere Fläche bearbeitet wird. Daher sind in der Regel mehr Bearbeitungszyklen erforderlich, um die gesamte Fläche abzudecken. Außerdem entstehen beim Polieren in Teilbereichen zwangsläufig kleine Wellen auf der Oberfläche, also Oberflächenrückstände. Um ein Hochleistungsoptiksystem zu erhalten, müssen diese entfernt werden, was unter Umständen einen zeitaufwändigen Prozess erfordert. Das Spannungs-Spiegelpolieren basiert auf einer Technik, die im Wesentlichen nahezu perfekte ebene oder sphärische Formen erzeugt, und ist daher im Allgemeinen deterministischer.

Natürlich sind für das Spiegelpolieren unter Spannung Präzisionswerkzeuge erforderlich, die genau dosierte Kräfte aufbringen, um das Substrat zu verformen. Da Coherent 32 verschiedene, einzigartige Spiegelformen herstellt, hätte diese Anlage möglicherweise einen erheblichen Teil der Fertigungszeit in Anspruch genommen. Um dies zu vermeiden, entwickelte Coherent ein einziges Werkzeug, mit dem sich die für das Polieren aller unterschiedlichen TMT-Segmentformen erforderlichen Kraftmuster programmieren lassen.

Partnerschaft mit Coherent

„Coherent ist ein Unternehmen, das für die Herstellung großer optischer Systeme bekannt ist, und wir haben es von Anfang an als potenziellen Lieferanten in Betracht gezogen“, erklärt Glen Cole, leitender Ingenieur für optische Fertigung bei TIO. „Das Unternehmen hat mehrere Projekte für das Hubble-Weltraumteleskop erfolgreich abgeschlossen und ist bekannt für das COSTAR-Optiksystem, das die Unvollkommenheiten des Hauptspiegels korrigiert. Zuletzt hat es alle 18 Segmente des 1,4 m großen Beryllium-Hauptspiegels für das James-Webb-Weltraumteleskop gefertigt.“

„Wir brauchten jedoch auch einen Partner für den Technologietransfer. Das heißt, wir benötigten eine Organisation, die in der Lage war, eine Gruppe in Indien aufzubauen. Die Kompetenz von Coherent, dieses Vorhaben zu unterstützen, war für uns der ausschlaggebende Grund, uns für sie zu entscheiden. Und der bisherige Erfolg zeigt, dass wir die richtige Wahl getroffen haben.“

„Was wir 2017, als wir den ersten Vertrag mit Coherent abschlossen, nicht vorhersehen konnten, war die weltweite COVID-19-Pandemie“, fügt Herr Cole hinzu. „Dadurch verzögerten sich alle unsere Bemühungen, und der Projektzeitplan geriet erheblich in Verzug. Coherent hat jedoch enorme technische Ressourcen in dieses Projekt investiert und eigens eine große Anlage errichtet, um die Massenproduktion im TMT-Segment zu bewältigen. Dadurch konnten wir alle den Lockdown überwinden und die Dynamik aufrechterhalten. Darüber hinaus hat das Unternehmen bei der Problemlösung und der Bewältigung von Fertigungsproblemen hervorragende Fähigkeiten unter Beweis gestellt. Dies ist ein Vorteil, der sich aus ihrer gesamten Erfahrung in der Herstellung großer Präzisionsoptiken ergibt.“

Nachdem es TIO gelungen war, die ersten Spiegelsegmente (die aufgrund ihrer runden Form als „Roundels“ bezeichnet werden) erfolgreich zu schleifen, schloss das Unternehmen im Jahr 2020 einen neuen Vertrag ab. Dieser dient dazu, alle von uns hergestellten Roundels in ihre endgültige sechseckige Form zu schneiden (ein Verfahren, das als „Hexing“ bezeichnet wird).

Das TMT ist ein Großprojekt, das viele spannende Herausforderungen bereithält. Basierend auf den beeindruckenden Aufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops wird erwartet, dass das TMT mit einer mehr als 20-mal größeren Sammelfläche als das JWST absolut atemberaubende wissenschaftliche Bilder liefern wird. 

Einzelheiten zum Thirty Meter Telescope (TMT).

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