В рамках программы Zenith DARPA намерено разработать и изготовить жидкие зеркала для замены зеркал из стекла или бериллиевой оптики в телескопах следующего поколения. Преимущества жидкозеркальных телескопов (ЖЗТ) многочисленны, однако их реализация все еще остается сложной задачей. Команда Zenith стремится преодолеть несколько недостатков, присущих ЖЗТ, и в ближайшем будущем создать более крупные, функциональные и менее дорогие телескопы.
Агентство передовых оборонных исследовательских проектов США (DARPA) разработало проект «Zenith» — четырехлетнюю программу по проектированию и разработке жидких зеркал для телескопов будущего. Цель — использовать технологию жидких зеркал в качестве альтернативы стеклянной или бериллиевой оптике, из которой изготавливаются зеркала в современных наземных и космических телескопах.
Жидкостно-зеркальные телескопы (ЖЗТ) работают на основе физического принципа, согласно которому поверхность жидкости может образовывать параболоид, который идеально подходит для фокусировки света. Они существуют уже много лет, но значительные технические ограничения препятствуют их использованию. Однако, поскольку затраты на создание и обслуживание все более сложной «традиционной» оптики становятся непомерно высокими, идея внедрения ЖЗТ определенно имеет смысл.
«ЖЗТ устраняют все недостатки стеклянной оптики«, — сказал майор ВВС Майкл «Орбит» Наяк, руководитель программы Zenith, — «но они создают уникальные проблемы, которые мы стремимся преодолеть в этой программе«.
Как работают жидкостные зеркальные телескопы?
Принцип работы ЖЗТ в основном такой же, как и у телескопа-рефлектора, с той лишь разницей, что зеркало в данном случае состоит из вещества в жидком состоянии. Основное преимущество заключается в том, что придание стеклу формы для получения параболического зеркала требует трудоемкой и дорогостоящей механической обработки. С другой стороны, жидкость, находящаяся во вращении, естественным образом принимает форму параболы благодаря сочетанию гравитации и центробежной силы.
В качестве жидкого материала используется ртуть — самое отражающее вещество из всех существующих. Большой телескоп Zenith в Канаде имеет жидкое зеркало, содержащее 28 литров ртути в контейнере, который вращается каждые восемь с половиной секунд. С другой стороны, в апреле прошлого года зеркало для Международного жидкостного зеркального телескопа, расположенного на высоте 2540 метров в Гималаях, было заполнено 50 литрами ртути, толщина которой составляет три с половиной миллиметра, и это самое большое жидкое зеркало из ныне существующих.
Самый большой недостаток для ЖЗТ — на Земле, где они ограничены зенитом: они могут смотреть только вверх. При наклоне телескопа под углом параболоид теряет форму, и жидкость вытекает из основания. Тонкий баланс сил, необходимый для математической гарантии формы, фокусирующей свет, требует, чтобы ось вращения была точно вертикальной.
Однако для ЖЗТ в космосе недостатком является то, что тяга космического аппарата, необходимая для создания гравитации, требует использования ракетного топлива, обычно ограниченного ресурса. Вращение для формирования параболической поверхности изображения также создает дополнительную сложность конструкции.
Помимо этих технических проблем, которые, очевидно, придется оценить и преодолеть, преимущества жидких зеркал перед стеклом многочисленны. Они включают в себя более низкую стоимость производства, максимальное разрешение (и ограниченное дифракцией света в жидкости), устойчивость к повреждениям и возможность масштабирования до очень больших оптических размеров.
Также стоит упомянуть потенциальную возможность самовосстановления, поскольку нет твердого элемента, который может сломаться, и отказ от регулярного и дорогостоящего зеркального покрытия и погодных куполов. Наяк объяснил:
Мы хотим разрушить парадигму, согласно которой для создания светофокусирующей оптической поверхности требуется вращение и гравитация. Мы планируем использовать последние достижения в технологии материалов, управлении электромагнитными силами и, возможно, другие методы для решения ограничений, налагаемых на существующие ЖЗТ.
Программа «Zenith» направлена на создание нового поколения ЖЗТ, которые могут быть направлены в любом направлении, что позволит использовать их в самых разных астрономических приложениях. Если исследования DARPA окажутся успешными, в будущем мы получим очень большие телескопы со все более высокими характеристиками и более доступными ценами.
Zenith состоит из трех этапов: этап предварительного проектирования, этап лабораторной демонстрации и этап демонстрации в небе. Первые две фазы будут посвящены апертурам. Третий этап программы предусматривает модификацию предыдущих конструкций с целью создания сегментной конструкции. В третью фазу входит расширение жидкого первичного зеркала до полнофункционального оптического телескопа для демонстрации возможностей получения изображений.