У будущих космических телескопов будут гигантские жидкие линзы

Одна из главных характеристик любого телескопа — диаметр главного зеркала или собирающей линзы. Чем больше зеркало либо линза, тем больше света «ловит» телескоп. А следовательно, он видит более тусклые объекты и может вглядываться глубже в космос.

Диаметр главного зеркала «Хаббла» — 2,4 метра, «Джеймса Уэбба» — 6,5 метра. Этого достаточно для поставленных перед ними задач, но более крупные зеркала расширят возможности для наблюдений. Космический телескоп с зеркалом или линзой в несколько десятков, а то и сотен метров будет напрямую видеть экзопланеты.

Создание линзы — трудоемкий и долгий процесс. Сперва отливают заготовку необходимой формы. После этого стекло нагревают и медленно охлаждают, что делает его прочнее и устойчивее к перепадам температуры. Затем линзу шлифуют, полируют и тестируют. Этот процесс подходит для создания небольших линз, а для огромных нужен новый метод.

Международная команда ученых из исследовательского центра NASA Ames, Центра космических полётов Годдарда и «Техниона» (Израильского технологического университета) предлагает воспользоваться преимуществами микрогравитации и с помощью жидкостей отливать огромные линзы на космической станции. По словам изобретателей, на создание таких линз будет уходить гораздо меньше времени, но по качеству и оптическим характеристиками они не будут уступать «земным».

Сперва метод протестировали в лабораторных условиях. Жидкости подходят не только для создания линз, но и для компенсации гравитации. Главное тут — добиться одинаковой плотности у воды и материала. В экспериментах ученые использовали обычные полимеры, из которых делают акриловые ногти или суперклей.

«Затвердевающей жидкостью мы наполняли круглый каркас, погруженный в воду. Мы создавали линзы в ведре, которое позаимствовали у местного уборщика», — рассказывает автор метода Валерий Фрумкин (Valeri Frumkin). Фрумкин состоит в исследовательской группе Морана Берковичи (Moran Bercovici), профессора инженерной механики в «Технионе». Качество поверхности у получившихся линз было не хуже, чем у изготовленных традиционным методом, а производство шло гораздо быстрее.

В декабре 2021 года ученые повторили эксперименты во время двух параболических полетов ZeroG. Каждый полет позволяет 25 раз на 15-20 секунд ощутить невесомость. На этот раз вместо полимеров ученые использовали синтетические масла разной вязкости. Линзы делали небольшими, размером с монету, а качество измеряли лазерами. Конечно, «линза» теряла форму, как только самолет начинал снова набирать высоту, но те несколько секунд она была идеальной. Эксперимент доказал работоспособность метода.

Следующий этап пройдет на МКС. В эту субботу, 9 апреля, в составе коммерческой миссии Axiom-1 на станцию прибыл Итан Стиббе (Eytan Stibbe), который проведет «Эксперимент по созданию жидкого телескопа» (FLUTE). В этот раз, как и в лаборатории, будут использовать полимеры. Затвердевшие линзы вернутся на Землю для дальнейшего анализа.

Будущее астрономических наблюдений — за космическими телескопами. Если удастся перенести производство компонентов в космос, стоимость таких аппаратов значительно снизится, а возможности расширятся. Кстати, по словам изобретателей, в некоторых случаях линзы можно будет оставлять в жидком состоянии. Это позволит быстро менять их оптические свойства во время эксплуатации.

Если говорить о более обыденном применении технологии, то еще на этапе лабораторных экспериментов стало очевидно, что с помощью нового метода можно быстро и дешево производить линзы высокого качества —например, для очков. И команда уже занялась этими направлениями.