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By Optica2023年5月13日

研究者らは、はるかに大型で感度の高い望遠鏡を軌道上に設置できるようにする望遠鏡ミラーの新しい製造方法を開発した。 クレジット: Sebastian Rabien、マックス プランク地球外物理学研究所

軽量かつ柔軟なミラーは、打ち上げ時にはコンパクトに丸めて、展開後に正確に形状を変えることができます。

科学者たちは、宇宙望遠鏡で従来使用されてきた主鏡よりも大幅に薄い、大型で高品質の鏡を製造および成形する新しい方法を開発しました。 これらの結果として得られるミラーは、打ち上げ時に宇宙船内に効率的に丸めて詰め込むのに十分な柔軟性を備えています。

ドイツのマックス・プランク地球外物理研究所のセバスティアン・ラビアン氏は、「宇宙望遠鏡の打ち上げと展開は複雑で費用のかかる手順だ」と語る。 「この新しいアプローチは、典型的な鏡の製造や研磨手順とは大きく異なりますが、望遠鏡の鏡の重量とパッケージングの問題を解決するのに役立ち、はるかに大型で感度の高い望遠鏡を軌道上に設置できるようになる可能性があります。」

研究者らは、真空チャンバー内の回転液体上で膜ミラーを成長させる化学気相成長法を利用してミラーを作成した。 これにより、アルミニウムなどの反射面でコーティングすると、望遠鏡の主鏡として使用できる放物線状の薄膜を形成することができました。 クレジット: Sebastian Rabien、マックス プランク地球外物理学研究所

Optica Publishing Group のジャーナル Applied Optics で、ラビアン氏は直径 30 cm までの放物面膜ミラーのプロトタイプの製造に成功したと報告しています。 これらのミラーは宇宙望遠鏡で必要なサイズまで拡大でき、真空チャンバー内の回転液体上で膜ミラーを成長させる化学気相成長法を使用して作成されました。 彼はまた、鏡を広げた後に発生する可能性のある欠陥を熱を使って適応的に修正する方法も開発しました。

「この研究は方法の実現可能性を実証しただけですが、より安価で大型の収納可能なミラーシステムの基礎を築きました」とラビアン氏は述べた。 「これにより、直径15～20メートルの軽量ミラーが実現し、現在配備されている、または計画されているものよりも桁違いに感度の高い宇宙望遠鏡が可能になる可能性がある。」

この新しい手法は新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミック中に開発されたもので、そのおかげで新しいコンセプトを考え、試すための余分な時間が得られたとラビアン氏は言う。 「一連の長いテストの中で、私たちは多くの液体を研究してプロセスでの有用性を調べ、ポリマーの成長を均一に行う方法を調査し、プロセスの最適化に取り組みました」と同氏は述べた。

化学蒸着では、前駆体材料が蒸発し、熱によってモノマー分子に分割されます。 これらの分子は真空チャンバー内の表面に堆積し、結合してポリマーを形成します。 このプロセスは、電子機器の耐水性などのコーティングを施すために一般的に使用されていますが、望遠鏡での使用に必要な光学的品質を備えた放物面膜ミラーの作成にこのプロセスが使用されたのはこれが初めてです。

新しい技術で作られたメンブレンミラーは、丸めることができる柔軟性を備えています。 これは、打ち上げロケット内にミラーを保管するのに役立つ可能性があります。 クレジット: Sebastian Rabien、マックス プランク地球外物理学研究所

望遠鏡のミラーに必要な正確な形状を作成するために、研究者らは真空チャンバーの内側に少量の液体で満たされた回転容器を追加しました。 液体は完全な放物線形状を形成し、その上でポリマーが成長し、ミラーのベースを形成します。 ポリマーが十分に厚い場合、蒸着によって反射金属層が上部に適用され、液体が洗い流されます。

「局所的な重力軸に沿って回転する液体が自然に放物面形状を形成することは長い間知られていました」とラビアン氏は述べた。 「この基本的な物理現象を利用して、この完璧な光学面上にポリマーを堆積させ、アルミニウムなどの反射面でコーティングすると望遠鏡の主鏡として使用できる放物線状の薄膜を形成しました。」

他のグループも同様の目的で薄い膜を作成していますが、これらのミラーは通常、高品質の光学金型を使用して成形されます。 液体を使用して形状を形成すると、はるかに手頃な価格で、より簡単に大きなサイズにスケールアップできます。

この技術で作られた薄くて軽いミラーは、宇宙旅行中に簡単に折りたたんだり、丸めたりすることができます。 ただし、開梱後に完全な放物線の形状に戻すことはほぼ不可能です。 メンブレンミラーの形状を再形成するために、研究者らは光によって生じた局所的な温度変化を利用する熱的方法を開発し、薄膜を所望の光学的形状にすることができる適応的な形状制御を可能にした。

「これにより、直径15～20メートルの軽量ミラーが実現し、現在配備されている、または計画されているものよりも桁違いに感度の高い宇宙望遠鏡が可能になる可能性がある。」 — セバスチャン・ラビアン

研究者らは、真空蒸着チャンバー内で直径 30 cm のメンブレンミラーを作成することで、そのアプローチをテストしました。 試行錯誤の末、望遠鏡に適した面形状を備えた高品質な鏡を製造することができました。 また、一連のラジエーターとデジタル ライト プロジェクターからの照明を使って実証したように、熱放射適応成形法がうまく機能することも示しました。

新しい膜ベースのミラーは、補償光学システムにも使用できる可能性があります。 補償光学は、可変ミラーを使用して入射光の歪みを補償することにより、光学システムのパフォーマンスを向上させることができます。 新しいメンブレンミラーの表面は変形可能であるため、これらのミラーを静電アクチュエータで成形して、従来の方法で作成したものよりも安価に作成できる変形可能なミラーを作成できる可能性があります。

次に、研究者らは、より高度な適応制御を適用して、最終的な表面をどの程度適切に形成できるか、また初期の歪みをどの程度許容できるかを研究する予定です。 彼らはまた、大規模な主鏡の表面構造とパッケージングおよび展開プロセスをよりよく研究するために、メートルサイズの蒸着チャンバーを作成することも計画しています。

参照: Sebastian Rabien による「大型展開可能な宇宙望遠鏡用の適応放物線膜ミラー」、2023 年 4 月 4 日、Applied Optics.DOI: 10.1364/AO.487262