Internationales 30-Meter-Teleskop: Optische Komponenten von Coherent sichern dem Teleskop eine vielversprechende Zukunft

Eine bahnbrechende Idee

Seit Galileo das Fernrohr erfunden hat, streben Astronomen danach, immer größere Instrumente zu bauen. Der Grund dafür lässt sich mit einem einfachen physikalischen Prinzip erklären: Je größer das Fernrohr ist, desto heller ist das erzeugte Bild und desto mehr Details sind zu erkennen. Dadurch können Teleskope immer tiefere Einblicke in das Universum gewinnen.

Das ist auch der Grund, warum die USA, Kanada, Japan, China und Indien gemeinsamdas 30-Meter-Teleskop (TMT) entwickeln. Die derzeit in Betrieb befindlichen sehr großen Teleskope im sichtbaren Wellenlängenbereich sind mit 10,4-Meter-Spiegeln ausgestattet. Das 30-Meter-Teleskop stellt daher einen großen Fortschritt in der Abbildungsleistung dar.

Große Spiegelteleskope verwenden Spiegel (anstelle von Linsen) als optische Komponenten. Es ist jedoch nicht praktikabel, den Durchmesser der Spiegel eines Teleskops auf weit über etwa 8,5 Meter zu vergrößern. Um größere Spiegel einsetzen zu können, muss der Hauptspiegel aus kleineren Spiegeln zusammengesetzt werden. Die Formgebung dieser einzelnen Spiegel als Sechsecke ermöglicht eine Optimierung des optischen Designs. Dadurch können die einzelnen kleinen Spiegel in einer annähernd kreisförmigen Anordnung dicht nebeneinander platziert werden.

Zwar gilt: Je größer das Teleskop, desto besser; doch eine bessere Bildqualität lässt sich nur erzielen, wenn die optischen Komponenten von höchster Qualität sind. Konkret bedeutet dies, dass die Gesamtform der Spiegel den Konstruktionsvorgaben exakt entsprechen muss und dass ihre Oberflächen glatt und (hinsichtlich der Form) auf wenige Nanometer genau dimensioniert sein müssen.

Coherent tritt dem TMT-Projekt bei

Der Hauptspiegel des 30-Meter-Teleskops wird aus 492 einzelnen Spiegeln bestehen, deren Abstand von Ecke zu Ecke jeweils 1,44 Meter beträgt. Die Gesamtform des Hauptspiegels ist hyperbolisch. Das bedeutet, dass jeder einzelne Spiegel ein exzentrischer Spiegel dieser Form ist (insgesamt gibt es bei den TMT-Spiegeln 82 verschiedene Formen). Diese Form wird als „freie Form“ bezeichnet.

Weltweit gibt es nur wenige Organisationen, die in der Lage sind, Freiformflächen mit einem Durchmesser von über einem Meter in der für das TMT erforderlichen Präzision herzustellen – insbesondere bei der Serienfertigung. Das „Thirty Meter Telescope International Observatory“ (TIO) hat vier unabhängige Teams (mit Sitz in den USA, Japan, China und Indien) mit der Herstellung dieser optischen Komponenten beauftragt.

Coherent(ehemals Tinsley Laboratories) wurde als Lieferant in den USA ausgewählt. Wir werden insgesamt 230 kleine Spiegel herstellen – mehr als jedes andere Team. Coherent hat außerdem Spiegelpoliergeräte, Spannvorrichtungen und Testgeräte für das Team in Indien gebaut. Die indischen Ingenieure wurden bereits bei Coherent in der Bedienung dieser Geräte geschult. Darüber hinaus werden Mitarbeiter von Coherent zusammen mit den Geräten nach Indien reisen, um bei der Installation und Inbetriebnahme zu helfen.

Fertigungsherausforderungen

Es gibt im Wesentlichen zwei Methoden zum Polieren von Freiformen im Mikrometerbereich. Bei Formen, die deutlich von einer einfachen Kugeloberfläche abweichen, wird das sogenannte „Subapertur“-Polieren angewendet. Bei diesem Verfahren wird mit einem Polierwerkzeug, das wesentlich kleiner ist als das optische Bauteil, jeweils nur ein Bereich bearbeitet, und dieser Vorgang wird wiederholt, um die gesamte Apertur abzudecken.

Für Formen, die der Kugelform näher kommen, kann ein ausgeklügeltes Verfahren namens „Stress-Mirror-Polishing“ (eine seit den 1960er Jahren kommerziell zur Herstellung asphärischer optischer Komponenten eingesetzte Technik) verwendet werden, das sogar bei großen Spiegeln wie denen von bodengestützten Teleskopen zum Einsatz kommt. Ein Sprecher von TIO bestätigte diese Methode und erklärte: „Dieses Polierverfahren stammt ursprünglich von den Gemini-Teleskopen des Keck-Observatoriums. Wir sind stolz darauf, dass wir mit dieser Technologie die Spiegelform beim Bau des TMT verbessern und gleichzeitig die Effizienz des Polierverfahrens aufrechterhalten können.“ In diesem Fall klemmen wir die optischen Komponenten mit mechanischer Kraft fest und verzerren ihre Oberfläche absichtlich. Anschließend werden sie mit Standardmethoden poliert, um die sphärische Form zu erzielen. Wir haben diese Polierwerkzeuge bei 85 % der Teile mit Apertur eingesetzt. Nach dem Polieren werden die Spannvorrichtungen gelöst, und die Teile nehmen ihre gewünschte endgültige freie Form wieder an.

Das Spiegelpolieren unter Spannung ist in der Regel eine schnellere und zuverlässigere Methode zur Herstellung großer optischer Komponenten. Es ist schneller, da beim Subapertur-Polieren jeweils nur kleine Bereiche des Werkstücks bearbeitet werden und daher in der Regel mehr Bearbeitungszyklen erforderlich sind, um die gesamte Oberfläche abzudecken. Zudem entstehen beim Subapertur-Polieren unvermeidlich kleine Welligkeiten oder Oberflächenrückstände. Um hochleistungsfähige optische Komponenten zu erhalten, müssen diese entfernt werden, was weitere zeitaufwändige Schritte erfordern kann. Das Spannungs-Spiegelpolieren ist in der Regel zuverlässiger, da es auf einer Technik basiert, die von Natur aus nahezu perfekte ebene oder sphärische Oberflächen erzeugt.

Natürlich erfordert das Spiegelpolieren unter Spannung Präzisionswerkzeuge, um das Substrat durch die gezielte Ausübung geeigneter Kräfte zu verformen. Da Coherent 32 verschiedene Spiegelformen oder -typen herstellt, würde die Fertigung solcher Werkzeuge unter Umständen einen erheblichen Teil der Produktionszeit in Anspruch nehmen. Um dies zu vermeiden, hat Coherent ein programmierbares Werkzeug entwickelt, das die für die verschiedenen Formen beim Polieren von TMT-Spiegeln erforderlichen Kraftmuster bereitstellt.

Zusammenarbeit mit Coherent

„Wir haben Coherent von Anfang an als potenziellen Lieferanten in Betracht gezogen, da das Unternehmen über umfangreiche Erfahrung und einen guten Ruf in der Fertigung großer optischer Komponenten verfügt“, erklärt Glen Cole, leitender Ingenieur für die Fertigung optischer Komponenten bei TIO. „Das Unternehmen hat mehrere Projekte für das Hubble-Weltraumteleskop erfolgreich abgeschlossen, darunter insbesondere das COSTAR-Optiksystem, mit dem der defekte Hauptspiegel des Teleskops korrigiert wurde. Vor kurzem haben sie alle 18 kleinen Spiegel für den 1,4-Meter-Beryllium-Hauptspiegel des James-Webb-Weltraumteleskops gefertigt.“

„Wir brauchen jedoch noch einen Partner für den Technologietransfer. Das heißt, wir brauchen einen Partner, der das indische Team auf den Weg bringen und zum Laufen bringen kann. Ein wichtiger Faktor für die Wahl von Coherent war deren Fähigkeit, dieses Vorhaben zu unterstützen. Ihre bisherigen Erfolge zeigen uns, dass wir die richtige Entscheidung getroffen haben.“

„Als wir 2017 unseren ersten Vertrag mit Coherent abschlossen, konnten wir nicht ahnen, dass weltweit die COVID-19-Pandemie ausbrechen würde“, fügte Cole hinzu. „Dies hat unsere Arbeit verzögert und zu erheblichen Verzögerungen im Projektzeitplan geführt. Coherent hat jedoch umfangreiche technische Ressourcen in unser Projekt investiert und eigens eine größere Anlage für die Massenproduktion der TMT-Spiegel gebaut. Dadurch konnten sie uns helfen, unsere Dynamik aufrechtzuerhalten, als die Lockdown-Maßnahmen aufgehoben wurden. Darüber hinaus haben sie bei der Lösung von Problemen oder der Bewältigung auftretender Fertigungsschwierigkeiten eine beeindruckende Kompetenz bewiesen. Dies ist ihrer umfangreichen Erfahrung in der Herstellung großer, präziser optischer Komponenten zu verdanken.“

Wir konnten erste Erfolge beim Polieren der ersten kleinen Spiegel (die aufgrund ihrer runden Form als „kleine Scheiben“ bezeichnet werden) verzeichnen, was dazu führte, dass TIO im Jahr 2020 einen weiteren Auftrag an uns vergab, bei dem alle von uns hergestellten kleinen Scheiben in ihre endgültige sechseckige Form geschnitten werden sollten (dieser Vorgang wird als „Sechseck-Schneiden“ bezeichnet).

Das TMT ist ein Großprojekt, das viele spannende Herausforderungen mit sich bringt. Angesichts der außergewöhnlichen Bilder, die das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) bereits geliefert hat, erwarten wir, dass das TMT atemberaubende wissenschaftliche Aufnahmen liefern wird, da seine Erfassungsfläche mehr als 20 Mal so groß ist wie die des JWST. 

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

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