De verbazingwekkende spiegels achter de geavanceerde technologie

Op een bergtop in de droge Atacama-woestijn in Chili bouwt het European Space Observatory momenteel de grootste optische telescoop ter wereld.

Er is geen tijd verspild bij het kiezen van een naam: deze zal de Extremely Giant Telescope of ELT heten.

In plaats daarvan is er een enorme hoeveelheid energie gestoken in het ontwerpen en bouwen van het ‘grootste oog op de hemel ter wereld’, dat in 2028 zou moeten beginnen met het verzamelen van beelden en dat zeer waarschijnlijk ons ​​begrip van het universum zal vergroten.

Niets van dit alles zou mogelijk zijn zonder enkele van de meest geavanceerde spiegels ooit gemaakt.

Dr. Elise Vernet is specialist in adaptieve optica bij ESO en hield toezicht op de ontwikkeling van de vijf gigantische spiegels die licht zullen verzamelen en naar de meetapparatuur van de telescoop zullen sturen.

Elk van de op maat gemaakte spiegels van ELT is een staaltje optisch ontwerp.

Dr. Vernet beschrijft de bolle M2-spiegel van 4,25 m (14 voet) als een ‘kunstwerk’.

Maar misschien geven de M1- en M4-spiegels het beste uitdrukking aan het vereiste niveau van complexiteit en precisie.

De M1-hoofdspiegel is de grootste spiegel die ooit voor een optische telescoop is gemaakt.

“Het is 39 miljoen.” [128ft] In diameter bestaat het uit [798] “De spiegel bestaat uit zeshoekige segmenten, zo op elkaar geplaatst dat ze zich gedragen als een perfect homogene spiegel”, zegt Dr. Vernet.

De M1 zal tot 100 miljoen keer meer licht verzamelen dan het menselijk oog en zou in staat moeten zijn positie en vorm te behouden met een nauwkeurigheid die 10.000 keer fijner is dan een mensenhaar.

De M4-spiegel is de grootste vervormbare spiegel ooit gemaakt en zal zijn vorm 1000 keer per seconde kunnen veranderen om atmosferische turbulentie en trillingen van de telescoop zelf te corrigeren die beelden kunnen vervormen.

Het flexibele oppervlak bestaat uit zes bloembladen van glaskeramisch materiaal met een dikte van minder dan 2 mm (0,075 inch).

De bloemblaadjes werden vervaardigd door Schott in Mainz, Duitsland, en vervolgens verzonden naar ingenieursbureau Safran Reosc buiten Parijs, waar ze werden gepolijst en samengevoegd tot de perfecte spiegel.

Het productieproces van de vijf spiegels nadert zijn voltooiing en zal binnenkort voor installatie naar Chili worden vervoerd.

Hoewel deze enorme spiegels zullen worden gebruikt om het licht van het universum op te vangen, hebben ESO’s buren in Garching, van het Max Planck Instituut voor Quantum Optics, een kwantumspiegel gemaakt die op de kleinst denkbare schaal werkt.

In 2020 slaagde een onderzoeksteam erin een enkele laag van 200 uitgelijnde atomen collectief te laten werken om licht te reflecteren, waardoor in feite een spiegel ontstond die zo klein is dat hij met het blote oog niet te zien is.

In 2023 slaagden ze erin één enkel, microscopisch bestuurd atoom in het midden van de array te plaatsen om een ​​‘kwantumschakelaar’ te creëren die kan worden gebruikt om te bepalen of atomen transparant of reflecterend zijn.

“Wat theoretici hebben voorspeld, en we experimenteel hebben waargenomen, is dat in deze georganiseerde structuren een foton, zodra het is geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden, daadwerkelijk wordt uitgezonden. [in one predictable] “Het is een spiegel, dat maakt het tot een spiegel”, zegt dr. Pascal Weckiser, postdoctoraal onderzoeker bij het instituut.

Dit vermogen om de richting te bepalen van het licht dat door een atoom wordt weerkaatst, zou toekomstige toepassingen kunnen hebben in een aantal kwantumtechnologieën, zoals bijvoorbeeld hackbestendige kwantumnetwerken voor het opslaan en verzenden van informatie.

In het noordwesten, in Oberkochen bij Stuttgart, produceert Zeiss spiegels met een andere extreme eigenschap.

Het optiekbedrijf heeft jarenlang een extreem platte spiegel ontwikkeld die een belangrijk onderdeel is geworden van machines die computerchips printen, de zogenaamde extreem-ultraviolette drukmachines of EUV’s.

Het Nederlandse bedrijf ASML is ’s werelds grootste fabrikant van EUV’s, waarvan Zeiss-spiegels een kerncomponent zijn.

Zeiss EUV-spiegels kunnen licht op zeer kleine golflengten reflecteren en zorgen voor beeldhelderheid op kleine schaal, zodat steeds meer transistors op hetzelfde gebied van een siliciumwafel kunnen worden geprint.

Om te illustreren hoe vlak spiegels zijn, gebruikt Dr. Frank Rohmond, hoofd van de halfgeleiderproductie bij Zeiss, een topografische analogie.

“Als je een huishoudspiegel zou nemen en deze zou vergroten tot de grootte van Duitsland, zou het hoogste punt van een ruimtespiegel 5 meter zijn [as in the James Webb Space Telescope]Het zal 2cm zijn [0.75in]“In een EUV-spiegel zou dit 0,1 mm zijn”, legde hij uit.

Dit ultragladde spiegeloppervlak, gecombineerd met de systemen die de spiegelpositie regelen, ook gemaakt door Zeiss, biedt een nauwkeurigheidsniveau dat gelijkwaardig is aan het weerkaatsen van licht van een EUV-spiegel op het aardoppervlak en het oppakken van een golfbal op de maan.

Hoewel deze spiegels misschien al extreem lijken, heeft Zeiss plannen om ze te verbeteren, om zo krachtigere computerchips te helpen maken.

“We hebben ideeën over hoe we extreme ultraviolette straling verder kunnen ontwikkelen. Het doel is om in 2030 een microchip met een biljoen transistors te hebben. Vandaag de dag hebben we misschien wel honderd miljard transistors bereikt.”

Dit doel is een stap dichter bij het bereiken ervan dankzij de nieuwste technologie van Zeiss, waarmee bijna drie keer meer structuren op hetzelfde oppervlak kunnen worden geprint dan met de huidige generatie chipproductiemachines.

“De halfgeleiderindustrie heeft een sterke en dominante routekaart die ondersteuning biedt aan alle spelers die bijdragen aan de oplossing”, zegt Dr. Rohmond. “Dankzij dit kunnen we vooruitgang boeken op het gebied van de productie van microchips die tegenwoordig zaken als kunstmatige mogelijk maken intelligentie die zelfs tien jaar geleden ondenkbaar waren.”

Het is nog steeds onduidelijk wat de mensheid de komende tien jaar zal begrijpen en kunnen doen, maar het lijdt geen twijfel dat spiegels de kern zullen vormen van de technologieën die ons daarheen brengen.