NASA-wetenschapper William Zhang heeft een techniek ontwikkeld en bewezen voor het vervaardigen van lichtgewicht, röntgenspiegels met hoge resolutie die gebruik maken van silicium, een materiaal dat gewoonlijk wordt geassocieerd met computerchips.

Zhang, een astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, heeft bij herhaalde tests aangetoond dat monokristallijn silicium - een hard, bros niet-metalen element dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van computerchips - werkt uitzonderlijk goed als röntgenoptiek.

Gezien de kosten van het bouwen van ruimteobservatoria - die alleen maar in prijs stijgen naarmate ze groter en zwaarder worden - is het doel om gemakkelijk reproduceerbare lichtgewicht optica te ontwikkelen, zonder in te boeten aan kwaliteit. Volgens Zhang, gebruik van silicium zou röntgenastrofysici geven wat ze al lang wilden:lichtgewicht, superdunne spiegels die een aanzienlijk groter verzamelgebied en een drastisch verbeterde resolutie bieden - en dat allemaal tegen lagere kosten, zei Zhang.

Daten, niemand heeft een röntgenspiegel gemaakt die aan al deze prestatiedoelen voldoet. Verder, niemand heeft silicium gepolijst voor röntgenoptica, die moet worden gebogen en genest in een busachtige assemblage om zeer energetische röntgenfotonen te verzamelen. Met deze speciale configuratie Röntgenstralen grazen op het oppervlak van de spiegels - zoals hoe een gegooide kiezelsteen over het oppervlak van een vijver scheert - in plaats van er doorheen te gaan.

Silicium, die niet vervormt, zelfs niet wanneer ze worden gesneden of blootgesteld aan fluctuerende temperaturen, een haalbare oplossing biedt, zei Zhang. "We hebben onze procedures voor het maken van spiegels vele malen uitgevoerd, " voegde hij eraan toe. "Deze vertegenwoordigen de beste lichtgewicht röntgenspiegels ooit. Eigenlijk, van alle astronomische röntgenspiegels die zijn geproduceerd en gevlogen, alleen Chandra's zijn beter, " hij zei, verwijzend naar een van NASA's Great Observatories, een röntgenmissie met de röntgenspiegels met de hoogste resolutie ooit gelanceerd. "Maar we streven ernaar om vóór 2020 de spiegelkwaliteit van Chandra te evenaren en vervolgens te overtreffen."

Zhang wil dat doel bereiken, gedeeltelijk, met financiering van NASA Strategic Astrophysics Technology. Hij en zijn team zijn van plan om de niet-conventionele technologie verder te ontwikkelen ter voorbereiding op een toekomstige röntgenmissie.

Oude rot bij het maken van spiegels

Zhang is geen nieuwkomer in het maken van spiegels.

Vijftien jaar geleden, hij ging op zoek naar een goedkopere, efficiëntere techniek voor het maken van lichtgewicht röntgenspiegels. Het is hem gelukt. Vier jaar geleden, hij leverde 9, 000 superdun, gebogen glazen spiegels voor NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array, of NuSTAR, missie met behulp van een nieuwe fabricagetechniek waarbij hij dunne stukjes in de handel verkrijgbaar glas op een doorn plaatste en het hele samenstel in een oven verwarmde - een proces dat slumping wordt genoemd. Terwijl het glas verwarmd werd, het werd zachter en vouwde over de doorn om een ​​gebogen spiegel te produceren die de Deense Technische Universiteit in Kopenhagen vervolgens bedekte met lagen silicium en wolfraam om de röntgenreflectie te maximaliseren.

Tot het uiterste gaan

Hoewel Zhang de techniek bewees en duizenden spiegels met een bescheiden resolutie produceerde, ideaal voor NuSTAR, Zhang realiseerde zich dat hij de limiet had bereikt. "Ik heb een paar jaar geprobeerd om ingestort glas beter te maken. Ik heb alle kilometers gemaakt die ik kon krijgen."

Hij deed acht van zijn 10 ovens die in het slumpingproces werden gebruikt, weg en richtte zijn aandacht op, in plaats daarvan, tot monokristallijn silicium.

Buiten het medeweten van hem, een andere Goddard-technoloog, Vince Bly, had al onderzoek gedaan naar het gebruik van het materiaal, uiteindelijk een dikke, maar lichtgewicht reservespiegel voor de door Goddard gebouwde thermische infraroodsensor, een van de twee instrumenten die zijn ontwikkeld voor NASA's Landsat Data Continuity Mission. Hoewel de missie de spiegel niet gebruikte omdat de optiek nog nooit in de ruimte was gevlogen, Bly zei dat het testen aangaf dat het een haalbare optie bood.

Toen Zhang over Bly's werk hoorde, hij en Bly begonnen samen te werken, profiteren van elkaars ervaring. "Hij gebruikte wat we hadden gedaan om zijn eigen probleem op te lossen, ' zei Blie.

Silicium zonder stress

De sleutel, beiden zeiden, ligt bij het materiaal zelf. Traditionele materialen voor het maken van spiegels - glas, keramiek, en metalen - lijden aan hoge interne stress, vooral wanneer gesneden of blootgesteld aan veranderende temperaturen. Deze spanningen worden steeds onvoorspelbaarder naarmate de spiegel dunner wordt.

"Single crystal silicium is een uitstekend materiaal voor het maken van röntgenspiegels voor ruimtevluchten, "Zei Zhang. "Het is goedkoop en overvloedig verkrijgbaar vanwege de halfgeleiderindustrie. Verder, het is een perfect materiaal. Het is immuun voor de interne spanningen die de vorm van röntgenspiegels van glas kunnen veranderen."

Dit komt omdat elk atoom in een roosterconfiguratie is gerangschikt, die voorkomt dat het materiaal vervormt, zelfs wanneer het wordt gesneden of gevormd. Met andere woorden, als een plaat multiplex van silicium was gemaakt, het zou perfect vlak zijn en immuun voor kromtrekken, hij zei.

Geleerd van Slumping

Zhangs nieuwe proces komt voort uit wat hij leerde door glas in te zakken, hij zei. Hij neemt een blok silicium en verwarmt het om eventuele stress te elimineren die mogelijk is ontstaan ​​door het hanteren ervan. Met een lintzaag, hij creëert de geschatte vorm en gebruikt andere bewerkingsgereedschappen en chemicaliën om het oppervlak van het blok verder te slijpen en te verfijnen. Zoals kaas snijden, hij snijdt vervolgens een dun substraat van slechts een fractie van een inch dik van het blok en polijst het oppervlak. De laatste stap is het coaten van de afzonderlijke segmenten met iridium om de reflectie te verbeteren.

Met zijn NASA-financiering, Zhang en zijn team perfectioneren technieken voor het uitlijnen en hechten 6, 000 spiegelsegmenten om meta-schalen te vormen die zouden worden geïntegreerd in een spiegelconstructie die naar verwachting ongeveer 200 pond zou wegen en slechts 1,6 voet lang zou zijn. uiteindelijk, hij wil zes meta-shells maken en het uitlijningsproces automatiseren.

"Lichtgewicht maken, hoge resolutie, relatief goedkope röntgenspiegels is mijn levenswerk geworden, "Zhang zei, verwijzend naar zijn zoektocht om een ​​aansteker te ontwikkelen, meer capabele röntgenspiegel. "Toen ik 15 jaar geleden begon met het ontwikkelen van spiegels, Ik dacht dat ik het over een paar jaar zou doen. Vijftien jaar later, ik ben er nog steeds mee bezig, ' zei Zhang.