Welche Vorteile bietet die Verwendung von Quecksilber zur Herstellung eines Flüssigkeitsteleskops?

Astronomische Teleskope sind die Augen des Menschen zur Beobachtung des Universums. Die meisten kosmischen Informationen, die wir heute kennen, stammen von astronomischen Teleskopen. Man kann sagen, dass es ohne astronomische Teleskope keine moderne Astronomie gäbe. Zu den Vertretern zählen unter anderem das bekannte chinesische Sky Eye FAST, das Hubble-Weltraumteleskop und das James-Webb-Weltraumteleskop. Eines haben sie gemeinsam: Sie sehen aus wie ein großer Topf.

Der große Topf ist eigentlich dafür ausgelegt, möglichst viele schwache Signale aus dem fernen Universum zu sammeln. Der Durchmesser des Topfes wird als Öffnung des Teleskops bezeichnet. Je größer die Blende, desto besser kann das Teleskop Signale erfassen, desto größer ist die Erfassungsdistanz und desto klarer und heller ist das Bild. Daher kann man sagen, dass der große Topf im Querschnitt eine der wichtigsten Komponenten des Teleskops ist.

Die Spiegel herkömmlicher Teleskope bestehen aus massiven Materialien. Ende 2022 gab es die Nachricht, dass auf der Südseite des Himalaya das weltweit erste Flüssigkeitsspiegelteleskop seine Augen geöffnet und begonnen habe, das Universum zu beobachten. Warum verwendet dieses Teleskop Flüssigkeit als Spiegel? Was sind die Vor- und Nachteile von Flüssigkeitsspiegelteleskopen? Welche weiteren wichtigen Rollen werden Flüssigkeitsspiegelteleskope in Zukunft bei der Erforschung des Universums spielen?

Der Name dieses Teleskops ist International Liquid Mirror Telescope, abgekürzt ILMT. Es wurde gemeinsam von Belgien, Kanada, Indien und anderen Ländern gebaut. Es liegt auf einer Höhe von 2.450 Metern am südlichen Fuß des Himalaya. Dies ist ein optisches 4-Meter-Teleskop mit einer größeren Öffnung als das Hubble-Weltraumteleskop und das Vermessungsteleskop für Raumstationen, das mein Land in Zukunft starten wird. Beide Teleskope haben einen Durchmesser von 2,4 Metern. Seine Öffnung übertrifft auch die der größten existierenden zivilen optischen Teleskope in meinem Land – des 2,4-Meter-Teleskops an der Lijiang-Basis des Yunnan-Observatoriums und des 2,16-Meter-Teleskops an der Xinglong-Basis des Nationalen Astronomischen Observatoriums.

Radioteleskop der Astronomischen Sternwarte Peking (Foto von Tuchong.com)

Bei einem Teleskop gilt: Je größer die Öffnung, desto komplizierter ist der Verarbeitungs- und Herstellungsprozess und desto höher sind die Kosten. Generell gilt: Wenn die Öffnung eines Teleskops verdoppelt wird, können sich der Schwierigkeitsgrad und die Kosten der Entwicklung um ein Vielfaches oder sogar Dutzende Male erhöhen. Dies ist auch der Grund, warum unser Land über Dutzende optischer 1-Meter-Teleskope verfügt, es jedoch nur eine Handvoll ziviler optischer Teleskope mit einer Öffnung von mehr als 2 Metern gibt.

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Entwicklung eines Teleskops besteht darin, den großen Topf herzustellen. Der große Topf, der für die Lichtsammlung zuständig ist, stellt extrem hohe Anforderungen an die Verarbeitung. Die Spiegeloberfläche muss der idealen parabolischen Konfiguration so nahe wie möglich kommen. Die Oberflächengenauigkeit eines optischen Teleskopspiegels muss mindestens 1/30 der Wellenlänge betragen, also etwa 20 Nanometer. Was ist das Konzept? Wenn Sie beispielsweise einen Spiegel mit 4 Metern Durchmesser auf die Größe von Peking vergrößern möchten, muss die Ebenheit des Bodens weniger als 1 mm betragen, um die Anforderungen zu erfüllen. Faktoren wie Wärmeausdehnung und -kontraktion sowie die Schwerkraft können zu einer Verformung des Spiegels führen. Je größer die Öffnung des Teleskops ist, desto schwieriger ist es, die Genauigkeit des Spiegels aufrechtzuerhalten. Daher sind die Anforderungen an die Bearbeitung von Teleskopspiegeln sehr hoch. Um einen optischen Spiegel mit einem idealen Querschnitt zu erzeugen, muss er eine Reihe sehr komplexer Prozesse durchlaufen, wie etwa Schmelzen, Schmieden, Schleifen, Polieren, Beschichten usw.

Flüssigspiegel sind viel einfacher. Stellen Sie sich vor, Sie rühren das Wasser in einer Tasse mit einem Essstäbchen um. Das Wasser in der Mitte der Tasse fließt in die Umgebung und bildet ein rotierendes Bild. Es ähnelt stark dem Querschnitt eines Teleskopkessels. Das Grundprinzip besteht darin, dass die Flüssigkeit, die unter der Einwirkung von Schwerkraft und Zentrifugalkraft rotiert, automatisch eine ideale Parabel bildet. Dies ist auch das Grundprinzip des Flüssigkeitsspiegelteleskops. Durch die Rotation einer Quecksilberscheibe kann ein idealer Querschnitt erzeugt werden, um das Licht auf die Spiegeloberfläche der rotierenden Flüssigkeit zu fokussieren. Versuchen Sie, einen Behälter zu verwenden, der der Querschnittsform nahe kommt. Zu diesem Zeitpunkt ist die verwendete Flüssigkeitsmenge sehr gering und ihre Dicke beträgt weniger als 1 mm.

Der größte Vorteil von Flüssigspiegeln besteht darin, dass sie sehr kostengünstig sind, da sie im Gegensatz zu festen Spiegeln keinen aufwendigen Verarbeitungsprozess durchlaufen müssen. Sie müssen das Quecksilber lediglich in einer Scheibe mit einer bestimmten Geschwindigkeit rotieren lassen, um eine ideale Parabel zu bilden. Das 4-Meter-International Liquid Mirror Telescope kostet nur 2 Millionen Dollar, während ein nicht weit entferntes Teleskop mit 3,6 Metern optischem Radius, das zur gleichen Zeit von der gleichen belgischen Firma gebaut wurde, etwa 18 Millionen Dollar kostet, also einen Kostenunterschied von fast dem Zehnfachen.

Allerdings ist das Flüssigkeitsspiegelteleskop nicht allmächtig. Die Bildung der idealen Parabel ist das Ergebnis des Gleichgewichts zwischen Schwerkraft und Zentrifugalkraft. Daher kann das Flüssigkeitsspiegelteleskop nicht beliebig in jede Richtung zeigen. Es kann nur den Zenithimmel beobachten. Wenn Sie Ihr Teleskop so manövrieren möchten, dass Sie alles sehen können, ist ein Flüssigkeitsspiegelteleskop möglicherweise nicht das Richtige für Sie.

Für die Zukunft ist außerdem der Bau von Flüssigkeitsspiegelteleskopen mit größerer Apertur geplant, beispielsweise 8-Meter-Teleskope in Südamerika. Wissenschaftler erwägen sogar den Bau eines optischen Flüssigkeitsspiegelteleskops mit 100 Metern Durchmesser auf dem Mond. Bis dahin werden sie in der Lage sein, die ersten Sterne seit dem Urknall zu sehen und den Menschen so hellere Augen für die Erforschung des Universums zu bieten.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Li Mingtao

Rezensent: Zhou Binghong

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.