Космические телескопы НАСА следующего поколения могут затмить обсерватории «Хаббл» и «Уэбб» благодаря технологии жидких линз. «Хайтек» рассказывает как они работают и на какой стадии находятся эксперименты по созданию уникальной оптики.
Когда дело доходит до телескопов, размер имеет значение. Чем больше телескоп, тем больше света он собирает, позволяя астрономам заглянуть дальше в космос и увидеть объекты на огромном расстоянии. Проблема в том, что постройка, калибровка и доставка оромных обсерваторий в космос очень дорогостоящий и времязатратный процесс. Стоит вспомнить телескоп «Джеймс Уэбб», чей запуск человечество ждало больше 14 лет.
А что, если бы существовал способ сделать телескоп в 10 или даже в 100 раз больше «Кеплера», «Спитцера», «Хаббла» и того же «Уэбба»? Со временем теоретический вопрос превратился в серию экспериментов. Цель — выяснить, можно ли использовать жидкости для создания линз в условиях микрогравитации. Следующий эксперимент пройдет в Национальной лаборатории Международной космической станции астронавтами миссии Axiom-1.
«Жидкие» линзы
Все жидкости обладают упругой силой, которая называется поверхностным натяжением. Именно она позволяет некоторым насекомым скользить по воде, не тонув, и придает каплям воды их форму. На Земле, когда капли воды достаточно малы (2 мм или меньше), поверхностное натяжение преодолевает гравитацию, и они остаются идеально сферическими. Если капля становится намного больше, она сжимается под собственным весом.
Эдвард Балабан, главный исследователь эксперимента FLUTE собирается выяснить, можно ли изготавливать высокоточные линзы и зеркала в космосе с использованием жидкостей.
«Мы подумали, почему бы не воспользоваться тем, как жидкости естественным образом ведут себя в условиях микрогравитации. Это свойство можно применить к строительству крупномасштабных телескопов или изготовленных в космосе оптических компонентов», — объясняет Балабан в блоге НАСА. — В условиях микрогравитации жидкости принимают формы, полезные для изготовления линз и зеркал. Если мы создадим их в космосе, то они пригодятся для создания телескопов, настолько больших, что это считалось нереальным».
Наземные испытания
Перед экспериментом в космосе ученые проверили свои идеи здесь, на Земле. «Жидкости полезны не только для создания самих линз, но и как механизм для устранения влияния гравитации в экспериментах на Земле», — объясняет Моран Берковичи, доцент кафедры машиностроения в Технионе.
Впрыскивая жидкость, которая может затвердевать, в круглые оправы, погруженные в воду, ученым удалось создать линзы. При их создании ученые использовали широко распространенные полимеры, которые применяются в маникюрных салонах для изготовления акриловых ногтей.
Как отмечают авторы разработки, полученные линзы отличаются выдающимся качеством поверхности. При этом на их изготовление ушло совсем немного времени. «Этот метод позволяет нам полностью отказаться от любых механических процессов, таких как шлифовка или полировка. Естественная физика жидкостей просто делает всю работу за нас», — отмечают ученые.
Тестирование в условиях микрогравитации
В декабре 2021 года команда опробовала свои идеи на двух параболических полетах ZeroG. В общем сложности ученые оказывались в условиях микрогравитации 50 раз, каждый период длился от 15 до 20 секунд. Этого оказалось достаточно, чтобы ученые сформировали жидкие линзы и собрали данные, чтобы проанализировать, достигли ли они своих целей.
Во время полета исследователи использовали насосы, чтобы протолкнуть синтетическое масло в круглую рамку (размером примерно с монету), позволяя жидкости заполнить зазор и мгновенно принять желаемую форму. Масла похожи на автомобильные, но с разным уровнем вязкости или липкости, чтобы ученые могли определить, какой вариант «сработает» лучше.
«За несколько секунд мы смогли создать отдельно стоящую жидкую линзу. Она держала форму до тех пор, пока самолет снова не поднялся вверх, не включилась гравитация и масло не вытекло наружу», — рассказывают авторы разработки. Новый эксперимент на космической станции позволит жидкостям сохранять свою форму длительное время. Увидеть момент, когда жидкость приняла нужную форму, ученым помог лазер для сверхбыстрых и сверхточных измерений.
Что дальше?
После успешных испытаний на ZeroG ученые с нетерпением ждут эксперимента на борту орбитальной лаборатории МКС. Член экипажа Ax-1 Эйтан Стиббе проведет эксперимент, а бывший астронавт НАСА и командир Ax-1 Майкл Лопес-Алегрия будет его дублером. Эксперимент будет проходить полностью в условиях микрогравитации. Астронавты будут использовать жидкие полимеры, ультрафиолетовый свет или температуру для их упрочнения в условиях микрогравитации. Затем линзы вернутся на Землю, где их изучат в Исследовательском центре Эймса (Ames Research Center, ARC).
«Этот подход позволит создать гладкие поверхности идеальной формы, которые подходят для создания зеркал для телескопов», — объясняет Вивек Двиведи, участник эксперимента FLUTE.
«Если эксперимент на МКС пройдет успешно, это будет первый опыт создания оптического компонента в космосе. Это историческое событие», — заключают ученые.
Читать далее
Внутри Земли есть еще «планета»: как она спасла зарождающуюся жизнь
Ядерному синтезу больше не нужны миллионы градусов: как работает новый метод
Новое исследование опровергает теорию о передаче световой энергии