Un juego

Por Optica13 de mayo de 2023

Los investigadores han desarrollado una nueva forma de fabricar espejos para telescopios que podrían permitir colocar en órbita telescopios mucho más grandes y, por tanto, más sensibles. Crédito: Sebastian Rabien, Instituto Max Planck de Física Extraterrestre

Los espejos que son a la vez livianos y flexibles podrían enrollarse de manera compacta para el lanzamiento y luego remodelarse con precisión una vez desplegados.

Los científicos han desarrollado un nuevo método para producir y dar forma a espejos grandes y de alta calidad, significativamente más delgados que los espejos primarios tradicionalmente empleados en los telescopios espaciales. Estos espejos resultantes poseen 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", afirmó 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 embalaje de los espejos de los telescopios, permitiendo colocar en órbita telescopios mucho más grandes y, por tanto, más sensibles".

Los investigadores crearon los espejos mediante el uso de deposición química de vapor para hacer crecer espejos de membrana en un líquido giratorio dentro de una cámara de vacío. Esto les permitió formar una delgada membrana parabólica que puede usarse como espejo primario 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 exitosa fabricación de prototipos de espejos de membrana parabólica de hasta 30 cm de diámetro. Estos espejos, que podrían ampliarse hasta los tamaños necesarios en los telescopios espaciales, se crearon mediante el uso de deposición química de vapor para hacer crecer espejos de membrana sobre un líquido giratorio dentro de una cámara de vacío. También desarrolló un método que utiliza calor para corregir de forma adaptativa las imperfecciones que pueden ocurrir después de desplegar el espejo.

"Aunque este trabajo sólo demostró la viabilidad de los métodos, sienta las bases para sistemas de espejos empacables más grandes y menos costosos", dijo Rabien. "Podría hacer realidad espejos livianos de 15 o 20 metros de diámetro, permitiendo telescopios espaciales que son órdenes de magnitud más sensibles que los actualmente desplegados o en planificación".

El nuevo método se desarrolló durante la pandemia de COVID-19, lo que, según Rabien, le dio más tiempo para pensar y probar nuevos conceptos. "En una larga serie de pruebas, investigamos muchos líquidos para determinar su utilidad para el proceso, investigamos cómo se puede realizar el crecimiento del polímero de manera homogénea y trabajamos para optimizar el proceso", dijo.

Para la deposición química de vapor, se evapora un material precursor y se divide térmicamente en moléculas monoméricas. Esas moléculas se depositan en las superficies en una cámara de vacío y luego se combinan para formar un polímero. Este proceso se utiliza comúnmente para aplicar recubrimientos como los que hacen que los dispositivos electrónicos sean resistentes al agua, pero esta es la primera vez que se utiliza para crear espejos de membrana parabólicos 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 enrollarlos. Esto podría resultar útil para guardar 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 telescópico, los investigadores agregaron un recipiente giratorio lleno con una pequeña cantidad de líquido al interior de la cámara de vacío. El líquido forma una forma parabólica perfecta sobre la que puede crecer el polímero, formando la base del espejo. Cuando el polímero es lo suficientemente espeso, se aplica una capa de metal reflectante en la parte superior mediante evaporación y el líquido se elimina por lavado.

"Se sabe desde hace mucho tiempo que los líquidos en rotación que están alineados con el eje gravitacional local formarán naturalmente una superficie con forma de paraboloide", dijo Rabien. "Utilizando este fenómeno de física básica, depositamos un polímero sobre esta superficie óptica perfecta, que formó una delgada membrana parabólica que puede usarse como espejo primario de un telescopio una vez recubierta con una superficie reflectante como el aluminio".

Aunque otros grupos han creado membranas delgadas para propósitos 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 ampliar más fácilmente a tamaños grandes.

El espejo delgado y liviano creado con esta técnica se puede plegar o enrollar fácilmente durante el viaje al espacio. Sin embargo, sería casi imposible devolverle la forma parabólica perfecta después de desembalarlo. 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 adaptativo de la forma que puede llevar la delgada membrana a la forma óptica deseada.

"Podría hacer realidad espejos livianos de 15 o 20 metros de diámetro, permitiendo telescopios espaciales que son órdenes de magnitud más sensibles que los actualmente desplegados o en planificación". — Sebastián Rabien

Los investigadores probaron su método 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 conformación adaptativa por radiación térmica funcionaba bien, como se demostró con una serie de radiadores y la iluminación de un proyector de luz digital.

Los nuevos espejos de membrana también podrían utilizarse 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 podrían moldearse con actuadores electrostáticos para crear espejos deformables que sean menos costosos 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 moldear la superficie final y qué grado de distorsión inicial se 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 empaquetado y despliegue de un espejo primario a gran escala.

Referencia: “Espejos de membrana parabólicos adaptativos para grandes telescopios espaciales desplegables” por Sebastian Rabien, 4 de abril de 2023, Applied Optics.DOI: 10.1364/AO.487262