Wann werden astronomische Teleskope „billig und groß“?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Salty Fish in the Sea (Master of Optics vom Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Erster Blick ins All

Schon in der Jungsteinzeit zeichneten die Menschen der Antike Muster wie Mondphasen und Sternbilder auf einige Höhlen und Steine. Von da an begab sich die Menschheit auf den großartigsten und aufregendsten Teil ihrer Reise zum Wissen – die Erforschung des Universums. In der Antike beobachteten Astronomen das Universum mit bloßem Auge, teilten die Sterne in mehrere Gruppen ein und gaben ihnen spezifische Namen, die heute als Sternbilder bekannt sind. Sie entwickelten außerdem ein Magnitudensystem zur Messung der Helligkeit von Sternen. Die Menschen beobachteten auch die Position und Bewegung von Sonne, Mond und Sternen, um den Himmel in 24 Sonnenperioden zu unterteilen und so Landwirtschaft und Leben zu steuern.

Seit der Erfindung des Teleskops im frühen 17. Jahrhundert hat sich die Fähigkeit der Menschheit, das Universum zu beobachten, erheblich verbessert, was auch die Akzeptanz der heliozentrischen Theorie durch die Menschheit gefördert hat. Der Astronom Bruno aus dem 16. Jahrhundert wurde zum Tode verurteilt, weil er die heliozentrische Theorie unterstützte. Wäre das Teleskop zu Brunos Lebzeiten erfunden worden, hätten ihn möglicherweise mehr Menschen unterstützt.

Teleskop aus dem frühen 17. Jahrhundert

(Bildquelle: Wikipedia)

Das Rennen um die Weltraumbeobachtung

Mit der Erfindung des Teleskops wurde das Problem von 0 auf 1 gelöst, und der nächste Schritt bestand darin, seine Leistung kontinuierlich zu verbessern. Es gibt einen Schlüsselindikator zur Bewertung der Leistung eines Teleskops – die Apertur . Die Öffnung ist der Durchmesser des Hauptspiegels des Teleskops. Je größer die Öffnung, desto mehr Licht kann das Teleskop sammeln und desto heller und klarer werden die beobachteten Himmelskörper.

Wenn man einen Stern beispielsweise direkt mit bloßem Auge betrachtet, erscheint er meist dunkel und verschwommen. Mit einem Teleskop können wir sehen, dass die Sterne heller und die Details reicher geworden sind. Dies liegt daran, dass die Öffnung des Teleskops viel größer ist als der Durchmesser der Pupille des menschlichen Auges (unter dunklen Bedingungen beträgt der Pupillendurchmesser etwa 8 mm) und es mehr Licht sammeln kann als das bloße Auge.

Im Jahr 1671 erfand Newton das Spiegelteleskop, das anstelle von Linsen Spiegel verwendete, um klarere Bilder und ein größeres Sichtfeld zu erzielen. Da alle eine Richtung vor Augen hatten, konzentrierten sie sich auf die Entwicklung von Teleskopen mit großer Apertur. Wilhelm Herschel (der 1781 Uranus mit Hilfe eines Teleskops entdeckte) baute 1789 ein Teleskop mit einem Durchmesser von 1,26 Metern; George Ellery Hale baute mit Unterstützung von John Hooker, Andrew Carnegie und anderen das Hooker-Teleskop mit einem Durchmesser von 2,5 Metern. Edwin Hubble beobachtete das Universum mit dem Hooker-Teleskop und kam zu zwei Schlussfolgerungen, die die Sicht der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf das Universum veränderten: Es gibt Galaxien außerhalb der Milchstraße und das Universum dehnt sich aus.

William Herschels Teleskop mit 1,26 Metern Durchmesser

(Bildquelle: Wikipedia)

Hooker-Teleskop, Durchmesser 2,54 Meter

(Bildquelle: Wikipedia)

In der heutigen Zeit sind Teleskope mit großer Apertur wie Pilze nach dem Regen aus dem Boden geschossen. Das 1948 gebaute Hale-Teleskop hat einen Durchmesser von 5,08 Metern; das 1993 gebaute Keck-I-Teleskop hat einen Durchmesser von 10 Metern; Das 2007 erbaute GTC-Teleskop hat einen Durchmesser von 10,4 Metern und ist derzeit das größte optische Teleskop der Welt.

GTC-Teleskop, 10 Meter Durchmesser

(Bildnachweis: Flickr/Pedro José Luengo Rarmírez)

Hinter der starken Leistung des Teleskops verbergen sich hohe Kosten

Teleskope mit großer Apertur haben die Entwicklung der Astronomie gefördert und das menschliche Verständnis des Universums erweitert. Allerdings gibt es bei Teleskopen mit großer Apertur immer ein Problem: die Kosten. Der Bau eines großen Teleskops ist einfach zu teuer. William Herschel baute mit königlicher Unterstützung ein Teleskop mit einem Durchmesser von 1,26 Metern. Herschel brauchte fünf Jahre, um das Projekt fertigzustellen, und überschritt das Budget.

Die meisten modernen und zeitgenössischen Großteleskope wurden mit Mitteln eines oder mehrerer Länder gebaut. Die Baukosten des Keck-1-Teleskops beliefen sich auf rund 870 Millionen US-Dollar, während die Baukosten des GTC-Teleskops sogar 1,47 Milliarden US-Dollar betrugen. Diese Teleskope werden grundsätzlich von professionellen astronomischen Forschungseinrichtungen eingesetzt. Für die meisten Menschen stehen astronomische Teleskope mit einer Öffnung von 15 bis 30 cm zur Verfügung, und ihre Preise reichen von mehreren Tausend bis zu Zehntausend Yuan. Allerdings ist der Preis für ein astronomisches Teleskop mit einem Durchmesser von 50 Zentimetern auf fast 400.000 Yuan gestiegen.

Saturn durch Teleskope unterschiedlicher Öffnungsweite beobachtet

(Bildquelle: NASA, Hubblesite)

Wie im Bild oben gezeigt, können umso mehr Details des Saturns beobachtet werden, je größer die Öffnung des Teleskops ist. Mit einem 10-Zentimeter-Teleskop kann man die Cassini-Teilung (die Lücke in den Ringen des Saturn) nicht beobachten, mit einem 20-Zentimeter-Teleskop kann man sie jedoch deutlich erkennen. Das 2,4-Meter-Hubble-Teleskop kann die detaillierte Verteilung der Saturnringe klar erfassen. Dies bedeutet auch, dass bei der Beobachtung anderer Himmelsbereiche gilt: Je größer die Öffnung des Teleskops und je höher die Auflösung, desto mehr Sterne können beobachtet werden.

Dünnschichtteleskope verfolgen einen anderen Ansatz

Die funkelnden Sterne mit eigenen Augen zu sehen ist besser als jedes Bild der Galaxie auf dem Bildschirm. Wenn es ein Teleskop mit großer Öffnung und einem erschwinglichen Preis gibt, muss es ein Membranteleskop sein. Wie der Name schon sagt, besteht der Spiegel eines Membranteleskops nicht aus Metall oder Glas, sondern aus einer reflektierenden Folie. Wie stellt man aus Dünnschicht einen reflektierenden Spiegel her? Lassen Sie es mich anhand eines einfachen Experiments erklären. Schneiden Sie den flachen Boden einer Mineralwasserflasche ab und bedecken Sie ihn mit einer Lage Frischhaltefolie oder einer anderen elastischen Folie. Dann blasen oder inhalieren Sie in die Flaschenöffnung. An diesem Punkt beherrschen Sie das Prinzip der Herstellung eines Dünnschichtreflektors. Wenn Sie in die Flasche ein- oder ausatmen, wird die Plastikfolie aufgrund des Druckunterschieds zwischen der Innen- und Außenseite der Mineralwasserflasche in eine konkave oder konvexe Oberfläche gebogen.

Neben der Verwendung von Luftdruck zur Steuerung der Folienform kann auch statische Elektrizität zur Steuerung der Folienform verwendet werden. Im Winter kann die statische Elektrizität an den Händen dazu führen, dass sich die Haare aufstellen. Ebenso kann die Verwendung statischer Elektrizität zum Anziehen der Folie dazu führen, dass sich die Folie in die gewünschte Form verformt.

Bild: Elektrostatisch gesteuerter Dünnschichtspiegel

(Bildquelle: Referenz 2)

In den 1960er Jahren starteten die USA den aufblasbaren Satelliten Echo-1 mit einem Durchmesser von 30 Metern. Es war wie ein großer reflektierender Ballon. Dies war die erste technische Anwendung von Dünnschichtreflektoren. Aufgrund der damaligen technischen Einschränkungen entsprach die tatsächliche Oberflächenform dieses „großen Ballons“ jedoch nicht den Erwartungen der Menschen. Seine Existenz legte jedoch den Grundstein für eine Reihe nachfolgender Studien zu Dünnschichtspiegeln. Nach Jahrzehnten der Entwicklung beherrschen Forschungseinrichtungen wie Boeing und die NASA in den USA, das Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und die Soochow-Universität die Verarbeitungs- und Fertigungstechnologie von Dünnschichtteleskopen. Dünnschichtspiegel können nun für die optische Bildgebung verwendet werden.

Mondbilder, aufgenommen mit einem Dünnschichtteleskop

(Bildquelle: Referenz 3)

Die Zukunft ist rosig, aber der Weg ist schwierig

Bei der Verwendung von Dünnschichtspiegeln zur Herstellung astronomischer Teleskope entstehen die Hauptkosten nicht mehr durch den Dünnschichtspiegel selbst, sondern durch den Stützmechanismus zur Kontrolle der Verformung der Schicht. Der Mechanismus, der die Verformung der Folie durch Elektrostatik oder Luftdruck steuert, muss präzise genug sein, um sicherzustellen, dass sich die Folie in eine ideale Form biegt. Außerdem muss es schnell genug reagieren. Flexible Folienreflektoren sind leicht von der Außenwelt beeinflusst. Luftströmungen und sogar Temperaturschwankungen können die Form der Folie verändern. Daher sind ein empfindlicher und präziser Oberflächenkontrollmechanismus und ein unterstützender Kontrollalgorithmus der Schlüssel zur Leistung des Filmreflektors.

Obwohl der Algorithmus selbst komplex ist, sind die Kosten für seine Replikation und Anwendung im großen Maßstab recht gering. Nach vorsichtigen Schätzungen können die Kosten für ein Dünnschicht-Spiegelteleskop mit einer Öffnung von etwa einem halben Meter auf etwa 10.000 RMB begrenzt werden. Dieser Preis reicht für viele normale Menschen aus, um sich ein solches Modell zu kaufen, und bietet jedem ein Fenster, das ihm einen Blick auf die Welt außerhalb der Erde ermöglicht.

Quellen:

[1] Caicoya, P. & Barreto, M. & Fernández-Izquierdo, Patricia & Patron, Jesus & Sanchez de la Rosa, Vicente & Sangines, F. (2014). Von 1,5 Metern auf 10,4 Meter in 20 Jahren: Technologische Entwicklung am Instituto de Astrofísica de Canarias bei der Entwicklung von Infrarotinstrumenten für terrestrische Teleskope. Zeitschrift für astronomische Instrumente. 03. 1450005.

[2] Zhang Peng, Jin Guang, Shi Guangfeng et al. Forschungs- und Entwicklungsstand von Weltraumfilmspiegeln[J]. Chinesisches Journal für Optik und angewandte Optik, 2009(2):11.

[3] Angel M, Engineering S, Societyaasus AA, et al. Acht Zoll großer, verformbarer f5-Spiegel mit magnetischer Membran[C]// Konferenz über optomechanische Technologien für die Astronomie. 2006.

[4] Zhang Xuejun, Fan Yanchao, Bao He et al. Anwendung und Entwicklung optischer Weltraumfernsensoren mit ultragroßer Apertur[J]. Optik und Feinmechanik, 2016, 24(11):14.

[5] Zhang Ying, Jin Guang. Forschung zum elektrostatischen Formierungsmechanismus von Dünnschichtspiegeln[J]. Optik und Feinmechanik, 2009, 17(2).

[6] Offizielle Website des GTC-Teleskops