Впервые на Международной космической станции планируется проведение эксперимента по изготовлению оптического элемента в условиях невесомости. Новая технология, используемая в эксперименте, потенциально позволит создавать большие линзы для космических телескопов.
Ключевым параметром любого телескопа является диаметр его главного зеркала или объектива. Увеличение этого размера позволяет устройству собирать больше света, что обеспечивает возможность наблюдения за более слабыми небесными телами и позволяет заглянуть дальше в космическое пространство.
Диаметр главного зеркала телескопа «Хаббл» составляет 2,4 метра, а у «Джеймса Уэбба» — 6,5 метра. Таких размеров достаточно для решения поставленных перед ними задач, однако увеличение диаметра зеркал позволит расширить возможности наблюдений. Телескоп с зеркалом или линзой площадью в несколько десятков, а возможно, и сотен метров, сможет непосредственно наблюдать экзопланеты.
Производство линз – сложный и продолжительный процесс. На первом этапе изготавливается заготовка требуемой формы. Затем стекло подвергается нагреву и последующему медленному охлаждению, что повышает его прочность и устойчивость к температурным колебаниям. Далее линза шлифуется, полируется и проходит тестирование. Данная технология подходит для изготовления линз небольшого размера, а для создания крупногабаритных требуется иной подход.
Международная группа ученых, работающих в исследовательском центре NASA Ames, Центр космических полетов Годдарда совместно с «Технионом» (Израильским технологическим университетом) предлагает использовать условия микрогравитации для изготовления крупных линз методом литья из жидкостей непосредственно на космической станции. Разработчики утверждают, что процесс создания таких линз будет значительно быстрее, при этом их качество и оптические свойства не будут хуже, чем у произведенных на Земле».
Изначально метод был проверен в лабораторной среде. Эти жидкости применимы не только для изготовления линз, но и для нейтрализации гравитации. Ключевым моментом является обеспечение идентичной плотности воды и используемого материала. В ходе экспериментов исследователи использовали распространенные полимеры, применяемые при производстве акриловых ногтей или суперклея.
«Круглый каркас, находящийся под водой, мы заполняли затвердевающей жидкостью. Линзы изготавливались в ведре, взятом у местного уборщика», — рассказывает автор метода Валерий Фрумкин (Valeri Frumkin). Фрумкин входит в исследовательскую группу Мораны Берковичи (Moran Bercovici), линзы, изготовленные с использованием новой технологии, не уступали по качеству поверхности изделиям, полученным традиционным способом, однако процесс их производства был значительно ускорен.
В ходе двух параболических полетов, проведенных в декабре 2021 года, исследователи провели повторные эксперименты ZeroG. Каждый полет дает возможность испытать состояние невесомости до 25 раз, причем на 15-20 секунд. На этот раз для проведения эксперимента ученые заменили полимеры на синтетические масла с различной вязкостью. Изготавливали линзы небольшого размера, сопоставимого с монетой, а для оценки их качества применяли лазерные технологии. Безусловно, «линза» деформировалась, как только самолет начинал набор высоты, но в течение нескольких секунд она сохраняла свою идеальную форму. Проведенный эксперимент подтвердил эффективность данной методики.
Дальнейший этап реализации проекта состоится на Международной космической станции. В эту субботу, 9 апреля, в рамках коммерческой миссии Axiom-1 на станцию прибыл Итан Стиббе (Eytan Stibbe), который будет осуществлять «Эксперимент по созданию жидкого телескопа» (FLUTE). В этот раз, подобно экспериментам, проводимым в лаборатории, также будут задействованы полимеры. Закаленные линзы доставят обратно на Землю для последующего анализа.
Космические телескопы определяют будущее астрономических наблюдений. Перенос производства их компонентов в космос может существенно уменьшить стоимость и расширить функциональные возможности. По словам разработчиков, в отдельных ситуациях линзы можно будет использовать в жидком виде. Это даст возможность оперативно изменять их оптические характеристики в процессе работы.
Применительно к более распространенным сценариям, уже на стадии лабораторных исследований было установлено, что новая технология позволяет оперативно и с минимальными затратами изготавливать линзы высокого уровня — в частности, для очков. В настоящее время специалисты работают над развитием этих возможностей.