Auf der Suche nach neuen Planeten
Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen
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DER SPIEGEL des Hubble-Weltraumteleskops (das erste Weltraumteleskop, das seit 1990 die Erde umkreist)
hat einen Durchmesser von 2,4 m und wiegt 250 kg pro Quadratmeter.
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Mit Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen könnten Astronomen größere Teleskope bauen
Von Dean Jobb
Nickel Magazine, Juli 2006 -- In der nächsten Generation optischer Weltraumteleskope könnten riesige Spiegel aus leichtgewichtigen Membranen unter Verwendung einer Nickel-Titan-Legierung zum Einsatz kommen.
Das Luft- und Raumfahrtunternehmen Lockheed Martin Corp. hat ein Patent für „einen aktiven Leichtgewichtsspiegel“ erhalten, der aus dünnen Verbundwerkstoffschichten hergestellt wird, die mit ultradünnen Streifen einer Formgedächtnislegierung verbunden werden. Als Legierung wurde Nitinol ( N01555) gewählt, eine etwa gleichanteilige Mischung von Nickel und Titan.
„Eines der echten Interessengebiete (in der Astronomie) ist die Suche nach Planeten, die entfernte Sterne umkreisen,“ meint der Spiegelerfinder und Mitarbeiter von Lockheed Martin Stephen Winzer vom Systems Advanced Technology Centre des Unternehmens in Palo Alto, Kalifornien.
„Wie Sie wohl erwarten, brauchen Sie dafür sehr große Aperturdurchmesser, große Teleskope. Und so etwas Großes in den Weltraum zu setzen, stellt ein echtes Problem dar… es wurden viele Forschungs- und Entwicklungsarbeiten unternommen, um sehr leichte Spiegel herstellen zu können, sodass Sie diese in den Weltraum befördern und für diese Arten von Beobachtungen verwenden können.“
Die Nutzlast und Schubleistung von Raketen begrenzen die Größe und das Gewicht eines Teleskops, das in eine Umlaufbahn gebracht wird. Der Spiegel des Hubble-Teleskops, des ersten Weltraumteleskops, das sich seit 1990 in einer Umlaufbahn um die Erde befindet, hat einen Durchmesser von 2,4 m und wiegt 250 kg pro Quadratmeter.
Winzer hat aber Weltraumteleskope mit riesigen Membranspiegeln mit Durchmessern von bis zu 300 m im Auge, die weniger als 1 kg pro Quadratmeter wiegen. Das größte optische Teleskop auf der Erde hat vergleichsweise einen Durchmesser von nur etwa 30 m.
Sein Patent, das im Juni vom US-amerikanischen Patentbüro erteilt wurde, beschreibt die Spezifikationen für einen Spiegel, der bei den tiefen Temperaturen (unter -150° C) des Weltraums verwendet werden kann. Eine reflektierende Oberfläche von Aluminium, Gold oder Chrom wird zwischen Schichten von Kapton, Vinyl oder Nylon gelegt. Die Rückseite des Spiegels ist ein Rahmen aus flexiblen Kohlenstofffaserstäben, die dem Spiegel nach dem Entfalten seine Form geben.
Der Spiegel würde vor dem Raketenstart verstaut und in der Umlaufbahn entfaltet werden, und an dieser Stelle spielt die Nickel-Titan-Legierung eine Rolle. „Sie soll der Membran ihre Ausgangsform geben,“ erklärt Winzer. „Sie dient dazu, die Membran in der Konstruktion zu befestigen.“ Die an der Membran befestigten Nitinolstreifen werden erwärmt – jeder Streifen wäre 1 Mikron dick und einige cm breit – wodurch sich die Form beider Bestandteile ändert, bis die Membran ihre ordnungsgemäße Position eingenommen hat. Winzer vergleicht den Prozess mit dem Vorgang, wenn eine Kunststofffolie über den Rand einer Schüssel gezogen wird, wodurch eine gespannte trommelartige Oberfläche entsteht.
Der Spiegel eines Weltraumteleskops muss Schwingungen, Erwärmung, Abkühlung, Sonnenwind und anderen Kräften standhalten, die sich auf die Bildqualität auswirken können. Damit die Bedienungspersonen solche Abweichungen sofort korrigieren können, gehören zu den Spezifikationen für den Spiegel elektroaktive Elemente.
Neben der Unterstützung bei der Suche nach Planeten in Umlaufbahnen um andere Sterne könnte ein Teleskop mit einem großen Membranspiegel in das Innere entfernter Galaxien blicken, die für das Hubble-Teleskop zu weit weg sind, um sie ausführlich erforschen zu können.
Winzers Konstruktion hat zwar noch nicht die Prototypstufe erreicht, aber es wurden Antennen im Weltraum ausgesetzt, bei denen Formgedächtniswerkstoffe verwendet werden. Er weist darauf hin, dass die Herstellung seines Spiegels schwierig sein wird, da die Streifen aus Nickel-Titan in einem Vakuum auf die Membran angebracht werden müssen. Die NASA bewertet zur Zeit die technischen Anforderungen für die leichtgewichtigen, preisgünstigen Weltraumteleskope für die Zukunft, aber Winzer weiß nicht, ob oder wann sein Spiegel das Konzeptstadium verlassen wird. „Diese Art von Spiegel,“ gesteht er, „ist eine ziemlich ausgefallene Idee.“
Dean Jobb ist ein in Halifax (Neuschottland, Kanada) ansässiger freier Mitarbeiter.
FOTO: NASA
 Amerikanisches Patentamt |
