Jen zřídkakdy se objeví článek v oblasti materiálového výzkumu a inovací, který je podepsán jediným autorem. Na stránkách odborného časopisu Applied Optics se nyní právě takový objevil. Osamělé jméno pod pozitivně zrecenzovanou prací s názvem Adaptivní parabolická membránová zrcadla pro velké nastavitelné vesmírné teleskopy patří Sebastianu Rabienovi z německého Institutu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku. V práci popisuje inovativní způsob výroby a tvarování plastických zrcadel, jež jsou mnohem tenčí a lehčí než primární zrcadla používaná u vesmírných dalekohledů. Ta nově navrhovaná díky své pružnosti umožní srolování pro co největší šetření místem v nosné raketě. Do výsledného tvaru je pak programovatelná automatika rozvine až po vypuštění sondy na orbitě.
Hezkým příkladem je Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST), který nosná raketa vynesla do vesmíru koncem roku 2021 a nyní z oběžné dráhy kolem libračního bodu L2 monitoruje ve velkém rozlišení vzdálený vesmír. Druhé video pod článkem znázorňuje rozvinutí teleskopu do jeho plné krásy. Jenže JWST má primární „skládací“ zrcadlo složené z 18 šestiúhelníkových pevných beryliových plátů potažených reflexní vrstvičkou zlata. To, co navrhuje Sebastian Rabien je z lehkého polymeru a tvoří jednu celistvou parabolu, tvar které lze mírným ohřevem pomocí světla lokálně jemně upravovat podobně, jako u velkých pozemních dalekohledů adaptivní optika nepatrně mění lokální zakřivení jejich primárních zrcadel, aby tím kompenzovala optické chyby způsobené vlivem atmosféry. S tou sice vesmírné teleskopy problém nemají, nutnost drobných korekcí si však vyžádá rozložení původně srolované velké reflexní plochy. Její přesný parabolický tvar je pro ostrost obrazu podstatný.
I nyní lze pořídit plastové parabolické zrcadlo, to je však vyráběno podle „kopyta“, tedy formy. A tu Rabien nahradil nádobou s kapalinou. Jak v ní vytvořit vhodný parabolický povrch na který by bylo možné nanášet polymerační materiál? Mnozí bezpochyby již znáte odpověď – rotací. Když bude nádoba rotovat, odstředivá síla zdeformuje původně rovnou hladinu kapaliny – viz první video pod textem. Když osa rotace bude shodná s místním směrem tíhové síly, tato deformace bude osově symetrická. Aby odizolovali všechny možné rušivé vlivy jako je proudění vzduchu a prachové částice, Rabien s kolegy nádobu s kapalinou umístili do vakuové komory. Nastavením rychlosti otáček vyregulovali hladinu do požadovaného tvaru a pak na ní nanášeli metodou chemického napařování monomerní prekurzor parylenu, který na povrchu tekutiny vytvořil polymerní plast. Podobnou technikou se vytvářejí povlaky chránící například elektroniku před vlhkem. Na vytvoření základny pro dokonale parabolické membránové zrcadlo byla ale využita poprvé. Než se rotace nádoby zastaví a kapalina vypustí, na dostatečně silnou vrstvu polymeru je potřebné napařit reflexní kovový povlak ze zlata, nebo hliníku chráněného před oxidací.
Výhodou této metody je jednoduchá škálovatelnost. Prototypy z Rabienovy laboratoře mají sice průměr jen 30 cm, ale cílem této fáze výzkumu bylo vyzkoušet a zdokonalit metodiku. Prý pandemie COVID-19 měla v tomto případě i jistou pozitivní stránku – poskytla vědci více času na přemýšlení a testování nových konceptů. "V dlouhé řadě pokusů jsme odzkoušeli mnoho různých kapalin, abychom ověřili jejich použitelnost pro tento proces. Zkoumali jsme, jak lze zajistit homogenní růst polymeru a pracovali jsme na optimalizaci metodiky," popisuje Rabien, který také vyvinul metodu, jež umožňuje pomocí lokálně působícího světla, které ozářenou malou plochu mírně ohřívá, ovládat na mikrometry přesně zakřivení zrcadla v daném místě. To je důležité pro korekce malých tvarových nedokonalostí, jež se mohou objevit po rozvinutí zrcadla ve vesmíru a upravit ho do přesného tvaru.
"Ačkoli tato práce pouze prokázala proveditelnost metody, položila základy pro výrobu větších srolovatelných zrcadlových systémů, které jsou v porovnání s těmi stávajícími výrazně levnější," připomíná Rabien. "Díky tomu by v budoucnu mohla být realitou lehká membránová zrcadla o průměru 15 až 20 metrů, a to by otevřelo cestu k vesmírným teleskopům, řádově citlivějším než ty současné nebo plánované."
Tím, že případná komerční výroba lehkého polymerového zrcadla bude méně technicky náročná a finančně nákladná, mohla by otevřít cestu ke konstrukci i menších pozemních dalekohledů vhodných a zejména dostupných také pro lidové nebo univerzitní observatoře. A představa, že i v takovýchto, pro mládež potřebných výukových zařízeních bude ohebná membrána připojena na počítačem ovládanou adaptivní optiku, není vůbec nerealistická.
##seznam_reklama##
Sebastian Rabien plánuje pokročit a v laboratoři vytvořit metr velkou vakuovanou depoziční komoru, aby mohl lépe studovat možnosti výroby větších zrcadel, strukturu jejich povrchů, jež musí být co nehladší, možnosti a důsledky kompaktního sbalení pro let v nosné raketě a samozřejmě zdokonalovat jemné adaptivní dolaďování tvaru v libovolných místech paraboly bez mechanického působení, jen pomocí malých ohřevů fokusovaným světlem.
Video: Proč může rotující kapalina působit jako zrcadlo dalekohledu?
Video: Vesmírný dalekohled Jamese Webba – animace postupného rozložení sluneční plachty a primárního zrcadla o průměru 6,5 metru, které je složené z 18 šestiúhelníkových reflexních segmentů vyrobených z pozlaceného beryllia
Literatura: Applied Optics, OPTICA news