Internationales Observatorium des Thirty Meter Telescope: Optik von Coherent den Teleskopen eine vielversprechende Zukunft

Eine wirklich großartige Idee

Seit der Erfindung des Teleskops durch Galileo haben Astronomen danach gestrebt, immer größere Instrumente zu bauen. Der Grund dafür liegt in der einfachen Physik. Je größer ein Teleskop ist, desto detailreichere 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) zu entwickeln . Zum Vergleich: Das derzeit größte in Betrieb befindliche Wellenlänge sichtbaren Wellenlänge verfügt über einen 10,4-Meter-Spiegel. Ein 30-Meter-Teleskop stellt somit einen enormen Fortschritt hinsichtlich der Abbildungsleistung dar.

Große Spiegelteleskope verwenden Spiegel als Optik (im Gegensatz zu Linsen). Es ist jedoch nicht praktikabel, Teleskopspiegel mit einem Durchmesser von deutlich mehr als etwa 8,5 m herzustellen. Um größere Durchmesser zu erreichen, wird der Hauptspiegel stattdessen aus einem Mosaik kleinerer Segmente zusammengesetzt. Die Formgebung dieser einzelnen Spiegel als Sechsecke optimiert das optische Design. Dadurch können die Segmente sehr dicht beieinander in einer Form angeordnet werden, die einem Kreis nahekommt.

Zwar gilt bei Teleskopen: je größer, desto besser, doch kommen die Vorteile einer besseren Bildqualität nur dann zum Tragen, wenn die Optik von extrem hoher Qualität ist. Konkret bedeutet dies, dass die Gesamtform des Spiegels exakt der Konstruktionsform entsprechen muss und dass die Oberfläche des Spiegels glatt und (formmäßig) auf wenige Nanometer genau sein muss.

Coherent der TMT-Initiative

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

Weltweit gibt es nur eine Handvoll Organisationen, die in der Lage sind, Freiformen mit einem Durchmesser von mehr als einem Meter in der für das TMT Präzision herzustellen – insbesondere in nennenswerten Stückzahlen. Vier verschiedene Gruppen (in den Vereinigten Staaten, Japan, China und Indien) wurden vom Thirty Meter Telescope International Observatory (TIO) mit der Fertigung dieser Optiken beauftragt.

Coherent ehemals Tinsley Laboratories) wurde als Lieferant in den Vereinigten Staaten ausgewählt. Wir werden insgesamt 230 Spiegelsegmente herstellen – mehr als jede andere Gruppe. Coherent außerdem die Spiegelpoliergeräte, Vorrichtungen und Prüfgeräte für die in Indien tätige Gruppe gebaut. Die indischen Ingenieure wurden bereits bei Coherent in der Bedienung all dieser Geräte geschult. Zudem werden Coherent die Geräte nach Indien begleiten, um bei der Installation und Inbetriebnahme zu helfen.

Die Fertigungsherausforderung

Es gibt zwei Hauptmethoden zum Polieren vonPräzision im Meterbereich. Bei Formen, die erheblich von einer einfachen sphärischen Oberfläche abweichen, kommt das sogenannte „Sub-Aperture“-Polieren zum Einsatz. Dabei wird ein Polierwerkzeug verwendet, das deutlich kleiner ist als die Optik, um jeweils nur einen Bereich zu bearbeiten, und der Vorgang wird wiederholt, bis die gesamte Apertur abgedeckt ist.

Bei Formen, die eher kugelförmig sind, kann eine clevere Methode namens „Stress-Spiegelpolieren“ – eine Technik, die seit den 1960er Jahren kommerziell zur Herstellung asphärischer Optiken eingesetzt wird – genutzt werden, selbst bei großen Oberflächen wie denen eines bodengestützten Teleskops. Ein Sprecher von TIO pflichtete dem bei und merkte an: „Dieser Polieransatz ist ein Erbe der beiden Teleskope des Keck-Observatoriums. Das TMT ist stolz darauf, diese Technik zur Verbesserung der Form seiner Spiegeloberfläche einzusetzen und die Effizienz der Poliermethode zu wahren.“ In diesem Fall wird die Optik mechanisch so eingespannt, dass ihre Oberfläche gezielt verzerrt wird. Anschließend wird sie mit Standardmethoden zur Formgebung einer Kugel poliert. Dabei kommt ein Polierwerkzeug zum Einsatz, das 85 % der Öffnung des Teils abdeckt. Nach dem Polieren werden die Klemmen gelöst und das Teil „entspannt“ sich wieder in seine endgültige, gewünschte Freiform.

Das Polieren mit Spannungsspiegeln ist im Allgemeinen eine schnellere und deterministischere Methode zur Herstellung großer optischer Elemente. Es ist schneller, da beim Polieren mit Teilaperturen jeweils nur kleinere Bereiche des Bauteils bearbeitet werden und daher in der Regel mehr Bearbeitungszyklen erforderlich sind, um die gesamte Oberfläche abzudecken. Außerdem entstehen beim Polieren mit Teilaperturen unvermeidlich kleine Welligkeiten oder Oberflächenrückstände auf der Oberfläche. Bei einer Hochleistungsoptik müssen diese entfernt werden, was zusätzliche zeitaufwändige Schritte erfordern kann. Das Stress-Spiegelpolieren ist im Allgemeinen deterministischer, da es auf Techniken basiert, die von Natur aus eine nahezu perfekte flache oder sphärische Form erzeugen.

Natürlich erfordert das Spiegelpolieren unter Spannung ein Präzision , um genau die richtigen Kräfte aufzubringen, um das Substrat zu verformen. Da Coherent 32 verschiedene Spiegelformen bzw. -typen Coherent , hätte die Fertigung dieser Werkzeuge einen erheblichen Teil der Produktionszeit in Anspruch nehmen können. Um dies zu vermeiden, Coherent ein einziges Werkzeug, das so programmiert werden kann, dass es das erforderliche Kraftmuster liefert, um alle verschiedenen Formen für die TMT-Segmente zu polieren.

Partnerschaft mit Coherent

„Wir haben Coherent von Anfang an Coherent möglichen Lieferanten in Betracht gezogen, da das Unternehmen über fundierte Kompetenzen und eine hohe Glaubwürdigkeit in der Fertigung großer optischer Komponenten verfügt“, erklärt Glen Cole, leitender Ingenieur für optische Fertigung bei TIO. „Das Unternehmen hat mehrere Projekte für das Hubble-Weltraumteleskop erfolgreich abgeschlossen – darunter vor allem die COSTAR-Optik, mit der der fehlerhafte Hauptspiegel korrigiert wurde. Vor kurzem haben sie alle 18 Segmente des 1,4 m großen Beryllium-Hauptspiegels für das James-Webb-Weltraumteleskop gefertigt.“

„Wir brauchten aber auch einen Partner für den Technologietransfer. Nämlich jemanden, der das Team in Indien auf die Beine stellen konnte. Die Fähigkeit von Coherent diese Bemühungen Coherent unterstützen, war ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des Unternehmens. Und der bisherige Erfolg zeigt uns, dass wir eine gute Wahl getroffen haben.“

„Was wir 2017, als wir Coherent Auftrag erteilten, nicht vorhersehen konnten, war die weltweite COVID-19-Pandemie“, fügt Cole hinzu. „Dies bremste all unsere Bemühungen und führte zu erheblichen Verzögerungen im Projektzeitplan. Coherent jedoch umfangreiche technische Ressourcen für unser Projekt Coherent und errichtete zudem eine größere Anlage, die speziell für die Serienfertigung der TMT-Segmente ausgelegt war. So gelang es ihnen, unsere Dynamik aufrechtzuerhalten, als wir alle aus dem Lockdown herauskamen. Außerdem haben sie eine erstaunliche Fähigkeit bewiesen, Probleme zu lösen oder mit auftretenden Fertigungsproblemen umzugehen. Das ist der Vorteil ihrer langjährigen Erfahrung in der Fertigung großer Präzision .“

Unser anfänglicher Erfolg beim Polieren der ersten Spiegelsegmente (die wegen ihrer runden Form als „Roundels“ bezeichnet werden) veranlasste TIO dazu, uns im Jahr 2020 einen weiteren Auftrag zu erteilen. Dieser umfasst das Zuschneiden aller von uns hergestellten Roundels in ihre endgültige sechseckige Form (ein Vorgang, der als „Hexing“ bezeichnet wird).

TMT ist ein Großprojekt, das viele spannende Herausforderungen mit sich bringt. Angesichts der außergewöhnlichen Bilder, die bereits vom James-Webb-Weltraumteleskop gesendet werden, gehen wir davon aus, dass TMT mit einer mehr als 20-mal so großen Sammelfläche wie das JWST absolut atemberaubende wissenschaftliche Bilder liefern wird. 

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

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