Internationales 30-Meter-Teleskop: Coherents Optiktechnologie eröffnet neue Perspektiven für die Teleskoptechnik

Eine tolle Idee

Seit Galileo das Fernrohr erfunden hat, bemühen sich Astronomen darum, immer größere Fernrohre zu bauen. Der Grund dafür liegt in einfachen physikalischen Gesetzen: Je größer ein Fernrohr ist, desto detailreichere und hellere Bilder lassen sich damit erzielen. Dadurch können wir immer weiter in den Weltraum blicken.

Aus diesem Grund haben sich die USA, Kanada, Japan, China und Indien zu einer Partnergruppe zusammengeschlossen, um das 30-Meter-Teleskop (TMT)zu bauen. Zum Vergleich: Das derzeit größte in Betrieb befindliche Radioteleskop ist mit einem 10,4-Meter-Spiegel ausgestattet. Die Entwicklung des 30-Meter-Teleskops stellt somit einen bedeutenden Fortschritt für die Bildgebung dar.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Linsen verwenden große Spiegelteleskope Spiegel als optische Elemente. Die Herstellung von Teleskopspiegeln mit einem Durchmesser von deutlich mehr als etwa 8,5 m ist jedoch nicht praktikabel. Um ein größeres Bild zu erzeugen, besteht der Hauptspiegel stattdessen aus einem Mosaik kleinerer Segmente. Durch die Herstellung der einzelnen Spiegel in sechseckiger Form wird das optische Design optimiert. Dadurch lassen sich die Segmente sehr nah an einem kreisähnlichen Muster anordnen.

Je größer ein Teleskop ist, desto besser – allerdings ist eine bessere Bildqualität nur bei hochwertigen optischen Systemen gewährleistet. Dazu muss die Gesamtform der Spiegel exakt mit der Konstruktionsform übereinstimmen, und die Spiegeloberflächen müssen glatt und auf wenige Nanometer genau sein.

Coherent unterstützt die Erfolge von TMT

Der Hauptspiegel des 30-Meter-Teleskops besteht aus 492 einzelnen Segmenten, von denen jedes eine Länge von 1,44 m von Ecke zu Ecke aufweist. Die Gesamtform des Hauptspiegels ist hyperbolisch. Das bedeutet, dass jedes Segment von der Achse dieser Form abweicht (insgesamt gibt es bei den TMT-Spiegelsegmenten 82 verschiedene Formen). Diese Form wird als „Freiform“ bezeichnet.

Weltweit gibt es nur sehr wenige Unternehmen, die Freiformen mit einem Durchmesser von über einem Meter mit der für TMT erforderlichen Präzision herstellen können. Das Internationale Observatorium für das 30-Meter-Teleskop (TIO) hat vier Gruppen (aus den USA, Japan, China und Indien) ausgewählt, um diese optischen Komponenten zu fertigen.

Coherent(ehemals Tinsley Laboratories) wurde als Lieferant in den USA ausgewählt. Wir werden insgesamt 230 Spiegelsegmente fertigen – mehr als jede andere Gruppe. Coherent fertigt zudem Spiegelpoliergeräte, Halterungen und Testgeräte und liefert diese an die Gruppe in Indien. Die indischen Ingenieure wurden bereits von Coherent in der Bedienung der Geräte geschult. Darüber hinaus werden Coherent die Geräte nach Indien liefern und dort bei der Installation und Inbetriebnahme unterstützen.

Produktionsaufgaben

Es gibt zwei Methoden zum Schleifen von Freiformen mit Meter-Genauigkeit. Wenn die Form erheblich von einer einfachen Kugeloberfläche abweicht, wird ein sogenanntes „Sub-Apertur“-Schleifwerkzeug verwendet. Dabei wird mit einem Schleifwerkzeug, das deutlich kleiner ist als die optische Komponente, jeweils nur ein Bereich bearbeitet. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die gesamte Apertur abgedeckt ist.

Wenn die Form einer Kugel näherkommt, lässt sich die seit den 1960er Jahren bei der Herstellung kommerzieller asphärischer Optiken eingesetzte, bewährte Technik des „Stress-Spiegelpolierens“ auch auf großen Oberflächen wie denen von bodengestützten Teleskopen anwenden. Laut einem Sprecher des TIO „stammt dieses Polierverfahren von den Zwillingsteleskopen des Keck-Observatoriums. Mit dieser Technik kann beim TMT die Form der Spiegeloberfläche verbessert und die Poliermethode effizient beibehalten werden.“ In diesem Fall wird die Optik mechanisch fixiert, um die Oberfläche absichtlich zu verzerren. Anschließend wird sie mit Standardmethoden poliert, wodurch die Kugelform gemessen werden kann. Dabei kommt ein Polierwerkzeug zum Einsatz, das 85 % der Apertur des Bauteils einnimmt. Nach Abschluss des Poliervorgangs wird die Klemme gelöst und das Bauteil „entspannt“ sich in die gewünschte endgültige Freiform.

Durch den Einsatz des Stress-Mirror-Polierverfahrens lassen sich große optische Komponenten schneller und zuverlässiger herstellen. Das Subapertur-Polieren ist schneller, da es jeweils nur auf einem kleineren Bereich des Bauteils angewendet wird. Daher sind in der Regel zusätzliche Bearbeitungszyklen erforderlich, um die gesamte Oberfläche abzudecken. Zudem entstehen beim Subapertur-Polieren zwangsläufig kleine Wellen oder Oberflächenrückstände. Bei Hochleistungsoptiken müssen diese Rückstände entfernt werden, was einen zusätzlichen, zeitaufwändigen Schritt bedeuten kann. Das Polieren von Spannungsspiegeln basiert grundsätzlich auf einer Technik, die nahezu perfekte ebene oder sphärische Oberflächen ermöglicht, und ist daher eine zuverlässigere Poliermethode.

Wenn beim Polieren von Spannungsspiegeln Präzisionswerkzeuge verwendet werden, um die richtige Kraft korrekt zu übertragen, kann es zu Verformungen des Substrats kommen. Da Coherent 32 verschiedene Spiegelformen und -typen herstellt, kann die Fertigung dieser Werkzeuge erheblich Zeit in Anspruch nehmen. Um dies zu vermeiden, hat Coherent ein programmierbares Universalwerkzeug entwickelt, das die für das Polieren der verschiedenen TMT-Segmentformen erforderlichen Kraftmuster bereitstellt.

Aufbau einer Partnerschaft mit Coherent

„Da Coherent über fundierte Kompetenz und Zuverlässigkeit bei der Herstellung großformatiger optischer Komponenten verfügt, galt das Unternehmen von Anfang an als zuverlässiger Lieferant“, sagte Glen Cole, leitender Ingenieur für optische Fertigung bei TIO. „Coherent hat mehrere Projekte für das Hubble-Weltraumteleskop erfolgreich durchgeführt. Das bekannteste Projekt ist die COSTAR-Optik, mit der die Formfehler des Hauptspiegels korrigiert wurden. Vor kurzem hat das Unternehmen 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 – einen Partner, der in der Lage war, die Gruppe in Indien aufzubauen und zu leiten. Die Kompetenz von Coherent bei der Unterstützung dieser Bemühungen war ein entscheidender Faktor bei der Partnerauswahl. Die Erfolgsbilanz von Coherent bestätigt, dass unsere Entscheidung richtig war.“

„Als wir 2017 den ersten Vertrag mit Coherent abschlossen, konnten wir die weltweite COVID-19-Pandemie nicht vorhersehen“, fügte Cole hinzu. „Dies führte dazu, dass alle unsere Bemühungen ins Stocken gerieten und sich der Projektzeitplan verzögerte. Coherent hat jedoch erhebliche technische Ressourcen in unser Projekt investiert und insbesondere eine große Anlage errichtet, um die Massenproduktion der TMT-Segmente zu bewältigen. Dadurch konnten wir auch nach dem Ende der Abstandsregeln unsere Dynamik aufrechterhalten. Außerdem hat das Unternehmen eine beeindruckende Fähigkeit unter Beweis gestellt, Probleme zu lösen und alle auftretenden Fertigungsprobleme zu bewältigen. Dies ist ein großer Vorteil bei der Herstellung großer, hochpräziser Optiken.“

Aufgrund des ersten Erfolgs beim Polieren der ersten Spiegelsegmente (die aufgrund ihrer runden Form als „Rondellen“ bezeichnet werden) schloss TIO im Jahr 2020 einen weiteren Vertrag mit Coherent ab. Dabei handelt es sich um den Prozess, bei dem alle von uns hergestellten Rondellen in ihre endgültige sechseckige Form geschnitten werden (sogenannter „Hexing“-Prozess).

Das TMT ist ein Großprojekt, das in Zukunft spannende Herausforderungen bereithält. Ausgehend von den beeindruckenden Bildern, die das James-Webb-Weltraumteleskop liefert, wird erwartet, dass das TMT mit einem mehr als 20-mal größeren Erfassungsbereich als das JWST-Weltraumteleskop atemberaubende wissenschaftliche Bilder liefern wird. 

Erfahren Sie hiermehr über das 30-Meter-Teleskop (TMT).

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