Stel je een ruimtetelescoop voor met een spiegel die 50 meter breed is! Dat is groter dan de breedte van een voetbalveld in Groot-Brittannië en bijna acht keer zo breed als de James Webb Space Telescope. Stel je nu voor dat deze enorme spiegel niet gemaakt is van precies gefabriceerde glazen segmenten, maar van vloeistof die in de ruimte zweeft. Dit klinkt misschien als sciencefiction, maar het is het baanbrekende concept achter de Fluidic Telescope (FLUTE), een gezamenlijk project van NASA en Technion dat een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop we het heelal verkennen.
De uitdaging om steeds grotere ruimtetelescopen te bouwen heeft een technologisch knelpunt bereikt. Zelfs de James Webb Space Telescope, met zijn gesegmenteerde spiegel van 6,5 meter, heeft de grenzen verlegd van wat in een raket kan worden gevouwen en in de ruimte kan worden geplaatst. Deze benadering opschalen naar de tientallen meters die nodig zijn om exoplaneten zoals de aarde direct in beeld te brengen, lijkt met de huidige methoden onmogelijk.
Maak kennis met de vloeibare spiegeloplossing. In de microzwaartekrachtomgeving van de ruimte vormt een dun laagje vloeistof van nature een perfect bolvormig oppervlak door de oppervlaktespanning, de vorm die nodig is voor een telescoopspiegel. Het FLUTE-concept stelt voor om dit fenomeen te gebruiken om spiegels te maken die niet of nauwelijks te maken zijn met traditionele vaste materialen.
Maar er zit een addertje onder het gras: zelfs als zo'n spiegel gemaakt zou kunnen worden, wat gebeurt er dan als de telescoop van het ene astronomische doel naar het andere moet zwenken? Nieuw onderzoek onder leiding van Israel Gabay en collega's van Technion heeft deze fundamentele vraag aangepakt door middel van geavanceerde wiskundige modellering en experimenten. Hun werk onthult zowel de belofte als de uitdagingen van vloeibare ruimtetelescopen.
Het team ontwikkelde het eerste uitgebreide theoretische model dat beschrijft hoe een vloeibare spiegel zich gedraagt wanneer deze wordt blootgesteld aan de hoekversnellingen van zwenkmanoeuvres met een telescoop. Met behulp van geavanceerde wiskundige technieken creëerden ze analytische oplossingen die precies voorspellen hoe het vloeistofoppervlak zal vervormen tijdens en na telescoopbewegingen. Hun bevindingen zijn zowel bemoedigend als ontnuchterend. Wanneer een 50 meter vloeibare telescoop met een 1 millimeter dikke spiegel typische zwenkbewegingen uitvoert, vervormt het oppervlak inderdaad, met verstoringen die aan de randen enkele micrometers bedragen. Deze vervormingen planten zich echter extreem langzaam naar binnen voort en het duurt jaren voordat ze het centrum van de telescoop bereiken.
Het belangrijkste inzicht is dat niet de hele spiegel perfect hoeft te blijven. Zelfs na 10 jaar werken met dagelijkse zwenkmanoeuvres blijft de binnenste 80% van het diafragma voldoende gevormd. Dit valt ruim binnen de tolerantie voor ruimteoptiek van hoge kwaliteit. Het onderzoek onthult dat telescoopbeheerders een “zwenkbudget” moeten beheren, oftewel de totale hoeveelheid zwenkbewegingen die de telescoop kan uitvoeren voordat vervormingen de optische prestaties in gevaar brengen. Interessant genoeg bleek uit het onderzoek dat meerdere kleine manoeuvres in verschillende richtingen soms betere resultaten opleveren dan een enkele grote beweging, omdat ze meer symmetrische vervormingspatronen creëren die optisch gemakkelijker te corrigeren zijn.
Om hun theoretische voorspellingen te valideren, voerden de onderzoekers ingenieuze laboratoriumexperimenten uit met microscopische vloeistoffilms en contactloze elektromagnetische krachten om gecontroleerde vervormingen te creëren. Ondanks het enorme verschil in schaal voorspelde het wiskundige raamwerk met succes de waargenomen vloeistofdynamica.
De implicaties gaan verder dan alleen het bouwen van grotere telescopen. Vloeibare spiegels zouden ruimtetelescopen mogelijk kunnen maken die zichzelf kunnen aanpassen voor verschillende observatietaken, hun eigen optische afwijkingen kunnen corrigeren of zelfs zichzelf kunnen herstellen van schade door micrometeorieten. Het onderzoek suggereert dat zulke telescopen tientallen jaren functioneel zouden kunnen blijven, met de mogelijkheid van "reset"-procedures om de oorspronkelijke spiegelvorm te herstellen wanneer dat nodig is.
Nu ruimtevaartorganisaties de volgende generatie telescopen plannen voor de jaren 2030 en daarna, betekent het FLUTE-concept een verschuiving van het precisieproductieproces naar precisievloeistofdynamica. Hoewel er nog uitdagingen zijn, met name op het gebied van de technische systemen die nodig zijn om de vloeistof in de ruimte in te sluiten en onder controle te houden, toont dit onderzoek aan dat de fundamentele fysica in orde is.
Foto: NASA
Bron: Universe Today
