Los investigadores han desarrollado una nueva forma de fabricar espejos de telescopios que podrían permitir la puesta en órbita de telescopios mucho más grandes y, por lo tanto, más sensibles. Crédito: Sebastian Rabien, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre
Los espejos que son livianos y flexibles se pueden enrollar de manera compacta para el lanzamiento y luego remodelarlos con precisión una vez desplegados.
Los científicos han desarrollado un nuevo método para producir y dar forma a grandes espejos de alta calidad que son significativamente más delgados que los espejos primarios empleados tradicionalmente en los telescopios espaciales. Estos espejos resultantes tienen suficiente flexibilidad para enrollarse y empaquetarse de manera eficiente dentro de una nave espacial durante el lanzamiento.
«Lanzar y desplegar telescopios espaciales es un procedimiento complicado y costoso», dijo Sebastian Rabien, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania. “Este nuevo enfoque, que es muy diferente de los procedimientos típicos de producción y pulido de espejos, podría ayudar a resolver los problemas de peso y empaque de los espejos de los telescopios, lo que permitiría poner en órbita telescopios mucho más grandes y, por lo tanto, más sensibles”.
Los investigadores crearon los espejos utilizando la deposición de vapor químico para crear espejos de membrana en un líquido giratorio dentro de una cámara de vacío. Esto les permitió formar una membrana parabólica delgada que puede usarse como espejo principal de un telescopio, una vez recubierta con una superficie reflectante como el aluminio. Crédito: Sebastian Rabien, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre
En la revista Applied Optics del Optica Publishing Group, Rabien informa sobre la fabricación exitosa de prototipos de espejos de membrana parabólica de hasta 30 cm de diámetro. Estos espejos, que se pueden escalar a los tamaños necesarios en los telescopios espaciales, se crearon mediante deposición de vapor químico para crear espejos de membrana en un líquido giratorio dentro de una cámara de vacío. También desarrolló un método que usa calor para corregir de manera adaptativa las imperfecciones que pueden ocurrir después de que se despliega el espejo.
«Si bien este trabajo solo ha demostrado la viabilidad de los métodos, sienta las bases para sistemas de espejos empacables más grandes y más baratos», dijo Rabien. «Podría hacer realidad los espejos livianos de 15 o 20 metros de diámetro, lo que permitiría telescopios espaciales que son órdenes de magnitud más sensibles que los actualmente desplegados o planificados».
Aplicar un proceso antiguo de una manera nueva
El nuevo método se desarrolló durante la pandemia de COVID-19, lo que, según Rabien, le dio más tiempo para pensar y experimentar con nuevos conceptos. “En una larga serie de pruebas, investigamos muchos líquidos para descubrir su utilidad en el proceso, investigamos cómo se puede llevar a cabo el crecimiento del polímero de manera homogénea y trabajamos para optimizar el proceso”, dijo.
Para la deposición química de vapor, un material precursor se evapora y se divide térmicamente en moléculas monoméricas. Estas moléculas se asientan sobre las superficies en una cámara de vacío y luego se combinan para formar un polímero. Este proceso se usa comúnmente para aplicar recubrimientos como los que impermeabilizan la electrónica, pero esta es la primera vez que se usa para crear espejos de membrana parabólica con las cualidades ópticas necesarias para su uso en telescopios.
Los espejos de membrana fabricados con la nueva técnica son lo suficientemente flexibles como para enrollarse. Esto puede ser útil para almacenar los espejos dentro de un vehículo de lanzamiento. Crédito: Sebastian Rabien, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre
Para crear la forma precisa necesaria para un espejo de telescopio, los investigadores agregaron un recipiente giratorio lleno de una pequeña cantidad de líquido dentro de la cámara de vacío. El líquido forma una forma parabólica perfecta en la que el polímero puede crecer, formando la base del espejo. Cuando el polímero es lo suficientemente grueso, se aplica una capa de metal reflectante en la parte superior mediante evaporación y el líquido se lava.
«Se sabe desde hace mucho tiempo que los líquidos giratorios alineados con el eje gravitacional local formarán naturalmente una forma de superficie paraboloide», dijo Rabien. «Usando este fenómeno físico básico, depositamos un polímero en esta superficie óptica perfecta, que formó una membrana parabólica delgada que puede usarse como espejo principal de un telescopio, una vez recubierta con una superficie reflectante como el aluminio».
Aunque otros grupos han creado membranas delgadas para fines similares, estos espejos generalmente se moldean utilizando un molde óptico de alta calidad. Usar un líquido para formar la forma es mucho más asequible y se puede escalar más fácilmente a tamaños grandes.
Reformar un espejo doblado
El espejo delgado y liviano creado con esta técnica se puede plegar o enrollar fácilmente durante el viaje espacial. Sin embargo, sería casi imposible devolverlo a su forma parabólica perfecta después de abrirlo. Para remodelar el espejo de la membrana, los investigadores desarrollaron un método térmico que utiliza un cambio de temperatura localizado creado con luz para permitir un control de forma adaptativo que puede llevar la delgada membrana a la forma óptica deseada.
«Podría hacer realidad los espejos livianos de 15 o 20 metros de diámetro, lo que permitiría telescopios espaciales que son órdenes de magnitud más sensibles que los actualmente desplegados o planificados». — Sebastián Rabien
Los investigadores probaron su enfoque creando espejos de membrana de 30 cm de diámetro en una cámara de deposición al vacío. Después de muchas pruebas y errores, lograron producir espejos de alta calidad con una forma de superficie adecuada para telescopios. También demostraron que su método de modelado adaptativo de radiación térmica funcionaba bien, como se demostró con una matriz de radiadores y la iluminación de un proyector de luz digital.
Los nuevos espejos basados en membranas también se pueden utilizar en sistemas de óptica adaptativa. La óptica adaptativa puede mejorar el rendimiento de los sistemas ópticos mediante el uso de un espejo deformable para compensar la distorsión de la luz entrante. Debido a que la superficie de los nuevos espejos de membrana es deformable, estos espejos pueden moldearse con actuadores electrostáticos para crear espejos deformables que son más baratos de fabricar que los creados con métodos convencionales.
A continuación, los investigadores planean aplicar un control adaptativo más sofisticado para estudiar qué tan bien se puede dar forma a la superficie final y qué tanta distorsión inicial puede tolerar. También planean crear una cámara de deposición del tamaño de un metro para estudiar mejor la estructura de la superficie y los procesos de empaque y despliegue de un espejo primario a gran escala.
Referencia: «Espejos de membrana parabólica adaptables para grandes telescopios espaciales desmontables» por Sebastian Rabien, 4 de abril de 2023, Óptica aplicada.
DOI: 10.1364/AO.487262
