Von Spiegelsegmenten bis zu Lasersternen: Meilensteine zur ELT-Adaptiven Optik erreicht

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Dieses Bild ist ein Rendering von M4, dem wichtigsten adaptiven Spiegel des Extremely Large Telescope (ELT). Der Begriff „adaptiver Spiegel” bedeutet, dass die Oberfläche des Spiegels deformiert werden kann, um atmosphärische Turbulenzen und schnelle Vibrationen der Teleskopstruktur, verursacht durch ihre Bewegung und den Wind, auszugleichen. Bildnachweis: ESO

Der größte adaptive Spiegel, der je gebaut wurde, der M4-Spiegel des im Bau befindlichen Extremely Large Telescope (ELT), hat einen wichtigen Meilenstein seiner Entwicklung erreicht: Alle sechs Blütenblatt-ähnlich geformten Segmente des Spiegels sind jetzt fertiggestellt.

Der M4-Spiegel, der vierte im Strahlengang des Teleskops, kann seine Form schnell und sehr präzise verändern und ist das Schlüsselelement der adaptiven Optik des ELT. Das Licht von Himmelsobjekten wird durch unsere Atmosphäre gestört, was zu unscharfen Bildern führt. Um diese Störungen zu korrigieren, wird das ELT ein adaptives Optiksystem neuester Bauart verwenden, mit Hard- und Software die teilweise speziell für das Teleskop entwickelt wurden. Dazu gehören leistungsfähige Laser, die zur Erzeugung künstlicher Referenzsterne dienen, wenn keine natürlichen Sterne mit hinreichender Helligkeit in der Nähe des Beobachtungsobjekts stehen. Sie erlauben die Messung der atmosphärischen Störungen mittels schneller und hochpräziser Sensorkameras. Diese Messungen werden an extrem schnelle Prozessrechner weitergegeben, die daraus die erforderlichen Formveränderungen für den M4-Spiegel errechnen. Neben der Fertigstellung der M4-Segmente haben auch diese Systeme kürzlich entscheidende Meilensteine erreicht.

Dank seiner adaptiven Optik wird das ELT Bilder liefern, die noch schärfer sind als die von aktuellen und zukünftigen Weltraumteleskopen, wie dem NASA/ESA Hubble Space Telescope und dem James Webb Space Telescope.

 

Letztes Segment des adaptiven M4-Spiegels ausgeliefert

Mit einem Durchmesser von 2,4 Metern ist M4 der größte je hergestellte deformierbare Spiegel und eine der herausforderndsten und ausgeklügeltsten Komponenten des Teleskops, das im Bereich des sichtbaren und infraroten Lichts einmal das weltweit größte sein wird. Er besteht aus sechs ultradünnen Segmenten, deren letzten zwei jetzt fertiggestellt wurden.

Die sechs Segmente von M4 sind aus Zerodur© gefertigt, einer speziellen Glaskeramik, die von SCHOTT in Deutschland hergestellt wird. Die französische Firma Safran Reosc begann 2017 mit der Politur des M4, wobei jeder der 35 mm dicken Rohlinge aus Zerodur© zu einem flexiblen Segment von weniger als 2 mm Dicke verarbeitet wurde. Alle Segmente wurden von ESO-Ingenieuren geprüft, bevor sie an die italienische Firma AdOptica weitergeleitet wurden, welche das letzte Segment vor wenigen Monaten in Empfang nahm.

Während der abschließenden Produktionsschritte hat AdOptica eine Beschichtung auf der Rückseite des Spiegels aufgebracht und laterale Stützelemente zur Verbindung von M4 mit der mechanischen Trägerstruktur angebracht. Außerdem haben die Techniker der Firma über 5000 Magnete an der Rückseite des Spiegels verklebt, die die Aufgabe der Verformung der flexiblen M4-Segmente haben. Sie können bis zu 1000 Feinkorrekturen pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 50 Nanometern ausführen – so klein wie die kleinsten Viren.

Derzeit arbeitet Safran Reosc an der Herstellung eines zweiten Satzes von Segmenten, was die Gesamtzahl auf 12 erhöht. Diese werden als Ersatzteile verwendet und werden gegen die ursprünglichen sechs Segmente ausgetauscht, wenn diese nach ein paar Jahren neu verspiegelt werden müssen. Dadurch wird die Ausfallzeit des Teleskops für diese Operation minimiert.

 

M4-Referenzkörper schreitet voran

Da die M4-Segmente so dünn sind und mit unglaublicher Genauigkeit verformt werden müssen, benötigen sie eine stabile Trägerstruktur: ein Referenzkörper mit aufgebrachten Magneten, die den Spiegel stützen und verformen. Diese Referenzstruktur wird von der französischen Firma Mersen aus Boostec® Siliziumkarbid hergestellt, eines der steifsten Leichbaumaterialien, und anschließend von der belgischen Firma AMOS poliert, welche gerade in den letzten Stadien dieses Prozesses ist.

Den Referenzkörper in seine endgültige Form zu bringen, ist eine extreme Herausforderung. AMOS will die Struktur mit einer Genauigkeit von 5 Mikrometer glätten, was dadurch erschwert wird, dass die Oberfläche viele Löcher für die M4-Aktuatoren enthält.

Wenn der Referenzkörper fertiggestellt und ausgeliefert ist, kann AdOptica mit dem zeitraubenden Prozess der Integration der kompletten M4-Einheit beginnen. Diese besteht aus dem Spiegel, dem Referenzkörper und allen Stütz- und Verbindungselementen. AdOptica wird voraussichtlich die ersten Tests am vollständig zusammengebauten M4-Spiegel im letzten Quartal von 2022 durchführen.

 

Leitsternlaser abgenommen

Eine der sichtbarsten Komponenten der adaptiven Optik des ELT wird sein „Laser-Leitsternsystem” sein, das aus sechs Lasern besteht, die künstliche Leitsterne in der Hochatmosphäre produzieren. Um die von Erdatmosphäre verursachten Störungen zu messen, benötigt das adaptive Optiksystem des ELT helle Sterne in der Nähe des Beobachtungsobjektes. Da solche Sterne nicht immer zur Verfügung stehen, dienen die ELT-Lasersysteme der Projektion künstlicher Sterne, wo immer sie gebraucht werden. Sie tun dies durch Anregung von Natriumatomen in der Hochatmosphäre in ungefähr 90 km Höhe.

Die erste Laserquelle für das ELT der ESO wurde von der deutschen Firma TOPTICA im Mai 2021 fertiggestellt und an die ESO geliefert, wo sie nun ihre Abnahmetests bestanden hat.

 

Fortschritt bei Sensorkameras und ultraschnellen Computern

Eine andere essentielle Komponente in der adaptiven Optik für das ELT sind die sogenannten Wellenfrontkameras, die als die Augen des Teleskops fungieren und das Licht der Leitsterne beobachten. Das ELT der ESO wird mit drei sich ergänzenden Arten von Wellenfrontkameras ausgerüstet werden, jede davon mit einem speziellen Bildsensor oder Detektor, der sowohl vom Teleskop selbst, als auch von den Wissenschaftsinstrumenten benutzt wird.

Diese Kameras werden für die Funktion des adaptiven Optiksystems des ELT als so kritisch erachtet, dass die ESO entschieden hat, einen Großteil der Arbeiten im eigenen Hause durchzuführen. Zwei Typen von Kameras, ALICE und LISA genannt, werden von der ESO entwickelt, während der dritte Typ, FREDA, die Adaption einer kommerziell verfügbaren Kamera (C-RED One) von der französischen Firma First Light Imaging ist und von ESO-Ingenieuren an die ELT-Standards angepasst wird. Außerdem hat die ESO in Zusammenarbeit mit der internationalen Firma Teledyne den Detektor für LISA entwickelt, der Ende dieses Jahres produktionsreif sein wird. Der Entwurf und die Prototypenentwicklung aller drei Kamerasysteme soll im nächsten Jahr abgeschlossen werden.

Spezielle Computer am ELT, Adaptive Optics Real-Time Computers genannt, werden dann die Signale der Kameras in entsprechende Deformationsbefehle für Spiegel wie den M4 umsetzen, um die Störungen durch die Erdatmosphäre zu korrigieren. Ein Prototyp dieser Computer wurde von der ESO entwickelt und hat kürzlich gezeigt, dass er Daten von den Kamerasensoren empfangen und Steuerbefehle zu den Aktuatoren senden kann, die dann den Spiegel in wenigen Hundert Mikrosekunden verbiegen.

Während wir von der Fertigstellung des adaptiven Optiksystems des ELT noch einige Jahre entfernt sind, zeigen die neuerlichen Entwicklungen, dass erhebliche Fortschritte in Richtung des wissenschaftlichen First Light für 2027 erzielt worden sind. Sobald das ELT einmal in Betrieb gegangen ist, wird es unser Wissen über das Universum dramatisch verändern und uns zum Überdenken unseres Platzes im Kosmos bewegen.

 

Weitere Informationen und Quelle unter: https://www.eso.org/public/germany/announcements/ann21014/?lang

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