Euklid schreitet bei der Lieferung von Primärspiegeln voran

Um Milliarden von schwachen Galaxien zu beobachten und die Natur des dunklen Universums zu erforschen, benötigt die bahnbrechende Euklid-Mission der ESA modernste Optiken. Das erste optische Element, der Primärspiegel (M1) des Teleskops, ist bei Airbus Defence & Space in Toulouse angekommen.

Das optische Design von Euklid basiert auf einem Korsch-Teleskop mit einem Öffnungsdurchmesser von 1,2 m. Das Teleskop verfügt über drei gekrümmte Spiegel (einschließlich M1) und drei Flachspiegel, die das Licht mit Hilfe eines dichroitischen Filters, der sichtbare und nahinfrarote Wellenlängen trennt, auf die beiden Instrumente an Bord lenken.

Das Korsch-Design ermöglicht eine hochwertige Bildgebung über ein sehr großes Sichtfeld und bietet eine Weitwinkelkamera, die gleichzeitig auch extrem scharf ist. Das ist keine leichte Aufgabe: Aus irdischer Sicht könnte das Teleskop ein 200 Meter breites Feld – entsprechend der Fläche von 8 Fußballfeldern – aus einer Entfernung von 18 Kilometern mit einer Auflösung von einer 1-Euro-Münze (ca. 2 cm Durchmesser) beobachten.

Alle Spiegel sind aus dem gleichen Material gefertigt: Siliziumkarbid. Das gleiche Material wird auch für die Struktur des Teleskops verwendet, um die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Bildqualität des Teleskops zu minimieren.

„Dadurch kann das gesamte Teleskop bei Temperaturschwankungen ruhig und langsam atmen“ und die Stabilität seiner Leistung verbessern“, sagt Luis Miguel Gaspar Venancio, Hauptingenieur des Euklid-Teleskops.

Alle Oberflächen der Spiegel werden in einem für jede ESA-Mission, die den Kosmos bei sichtbaren Wellenlängen beobachtet, beispiellosen Grad an Perfektion hergestellt. Aufgrund der extremen Empfindlichkeit der wissenschaftlichen Ergebnisse gegenüber jeder winzigen Beeinträchtigung der Bildqualität sind extrem glatte optische Oberflächen erforderlich.

„Die Wissenschaft, die Euklid leisten wird, erfordert ein extrem genaues und stabiles Teleskop“, sagt René Laureijs, Euklid-Projektwissenschaftler.

„Wir wollen winzige Verzerrungen der Form von Galaxien messen, die auf die Anwesenheit von dazwischenliegender dunkler Materie zurückzuführen sind, die die Lichtwege aus diesen entfernten Galaxien beugt. Durch die Messung von Milliarden von Galaxien können wir dann die Verteilung der dunklen Materie im Universum abbilden.“

Beim M1-Spiegel, der größten optischen Komponente von Euklid, sind die Anforderungen an die optische Qualität besonders hoch. Der versilberte, konkave Parabolspiegel mit einem Durchmesser von 1,2 m wurde kürzlich von seinem französischen Hersteller Safran Reosc an Airbus geliefert.

Die bemerkenswerte Präzision der Form des Primärspiegels ist so groß, dass bei einer Ausdehnung auf einen Durchmesser von 973 km – entsprechend der Nord-Süd-Ausdehnung Frankreichs – die Oberfläche des Spiegels nur um weniger als 1,47 cm von seiner perfekten Form abweichen würde. Nicht nur seine parabolische Form muss extrem genau sein, auch seine Oberfläche muss mit höchster Präzision poliert werden. Um mit dem gleichen Vergleich fortzufahren: Wenn der Spiegel auf die Größe Frankreichs erweitert würde, hätte jeder Fleck mit einem Durchmesser von 4 km keine „Spitzen“, die höher wären als die Dicke eines menschlichen Haares.

Der andere Teil der Optik von Euklid, der bereits produziert und getestet wurde, ist die dichroitische Platte, die aus hochwertigem Quarzglas besteht. Seine Aufgabe ist es, das einfallende Licht spektral zu teilen und sichtbare Wellenlängen für den Visual Imager (VIS) und im nahen Infrarotbereich für das Nahinfrarotspektrometer und Photometer (NISP) zu reflektieren.

Um ihrer Rolle gerecht zu werden, sind beide Oberflächen mit mehr als 180 dünnen Schichten di-elektrischer Materialien beschichtet. Eine hohe Gleichmäßigkeit dieser Beschichtungen über die Platte mit 117 mm Durchmesser war erforderlich.

Obwohl es sich um die kleinste optische Komponente handelt, ist die dichroitische Platte die kritischste. Jede Verformung oder Biegung der dichroitischen Oberflächen, die durch die Abscheidung der Reflexionsschicht und durch Temperaturänderungen verursacht wird, muss kompensiert werden. Dies wird erreicht, indem die Dicke der Beschichtungen auf jeder Seite so eingestellt wird, dass die Verformung beider Seiten in entgegengesetzte Richtungen erfolgt.

„Das bedeutet, dass, wenn eine Seite des Dichroitischen durch thermo-mechanische Effekte in eine Richtung gezogen wird, dann die andere Seite in die entgegengesetzte Richtung gezogen wird – und damit die durch die erste Seite verursachte Verformung ausgeglichen wird“, sagte Venancio.

Ein flugfähiges Modell der dichroitischen Platte wurde in die Endmontage integriert und im Oktober 2017 von Airbus Defence & Space getestet. Die Tests wurden von Optics Balzers Jena GmbH, dem Beschichtungshersteller, für die spektrale Reflexion und Transmission – wie viel vom einfallenden Licht reflektiert und wie viel pro Wellenlänge transmittiert wird – und die Oberflächenverformungsmessung bei kalten Temperaturen wird von AMOS, dem dichroitischen Glaspolierer, durchgeführt. Ein weiteres flugtaugliches Modell der dichroitischen Platte wird bis Ende November 2018 an Airbus ausgeliefert.

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