Materiaalwetenschapper Nobuhiko Kobayashi wist niet precies waarom de astronoom die hij enkele jaren geleden tijdens een wijnproeverij ontmoette, zo geïnteresseerd was in zijn onderzoek. maar toen hij meer leerde over telescoopspiegels, begon het logisch te worden.

"Het blijkt dat het verbeteren van de prestaties van spiegels draait om dunnefilmmaterialen, en dat is wat ik doe. Dus toen raakte ik verslaafd, " zei Kobayashi, een professor in elektrotechniek aan de Baskin School of Engineering aan de UC Santa Cruz.

De astronoom was Joseph Miller, voormalig directeur van UC Observatories (UCO), wiens interesse leidde tot een bloeiende samenwerking tussen Kobayashi en UC Santa Cruz-astronomen Andrew Phillips en Michael Bolte. Met financiering van de National Science Foundation en steun van de huidige UCO-directeur Claire Max, de onderzoekers ontwikkelen nieuwe beschermende coatings voor grote op zilver gebaseerde telescoopspiegels door een techniek aan te passen die veel wordt gebruikt in de micro-elektronica-industrie.

Volgens Philips, de meeste astronomische telescoopspiegels gebruiken aluminium voor de reflecterende laag, ondanks de superieure reflecterende eigenschappen van zilver. "Zilver is het meest reflecterende materiaal, maar het is pietluttig om mee te werken, en het tast en corrodeert gemakkelijk aan, "zei hij. "Je hebt barrièrelagen bovenop nodig die kunnen voorkomen dat er iets in het zilver doordringt zonder de optische eigenschappen van de spiegel te verpesten."

Bestaande telescopen zouden hun efficiëntie aanzienlijk kunnen verhogen door hun spiegels opnieuw te coaten met zilver in plaats van aluminium. "Het is verreweg de goedkoopste manier om onze telescopen effectief groter te maken, " zei Bolte. "De reden dat we grotere telescopen willen, is om meer licht te verzamelen, dus als je spiegels meer licht weerkaatsen, is het alsof je ze groter maakt."

De nieuwe coatingtechnologie die aan UC Santa Cruz wordt ontwikkeld, zou dat mogelijk kunnen maken. De onderzoekers gebruiken een techniek genaamd atomic layer deposition (ALD), die geleidelijk een dunne film van materiaal opbouwt, één moleculaire laag tegelijk, met uitstekende uniformiteit, dikte controle, en conformiteit met het oppervlak van het substraat. In een pilotstudie is ALD leverde veel betere beschermende coatings voor zilverspiegelmonsters dan traditionele fysieke depositietechnieken.

"Atoomlaagdepositie presteert aanzienlijk beter, "Zei Phillips. "Het probleem is dat de systemen die in de elektronica-industrie worden gebruikt, zijn ontworpen voor siliciumwafels, dus ze zijn te klein voor een telescoopspiegel."

De resultaten van de pilotstudie, die een ALD-systeem gebruikte in Kobayashi's lab, ontworpen voor micro-elektronica, overtuigde het team om een ​​groter systeem te ontwerpen dat ruimte bood aan telescoopspiegels. Ze vroegen patent aan op hun concept en vonden een leverancier van apparatuur die met hen wilde samenwerken om het systeem te bouwen. De verkoper, Structured Materials Industries (SMI) in Piscataway, New Jersey, maakt dunnefilmdepositiesystemen voor de micro-elektronica-industrie.

"We hebben ze het concept en onze eisen gegeven, en zij deden het technische ontwerpwerk en de fabricage, ' zei Kobayashi.

Het nieuwe systeem werd in juli aan zijn laboratorium geleverd en heeft goed gepresteerd tijdens de eerste tests. De onderzoekers gaan het systeem gebruiken om aan te tonen dat het werkt voor telescoopspiegels en andere grote substraten en om de coatings verder te perfectioneren. Het systeem is geschikt voor een spiegel met een diameter tot 0,9 meter, en er is geen reden waarom het ontwerp niet zou kunnen worden opgeschaald om nog grotere spiegels of spiegelsegmenten op te nemen, zei Philips. De 10 meter lange primaire spiegels van de dubbele Keck-telescopen op Hawaï zijn samengesteld uit zeshoekige segmenten van 1,8 meter breed, en de spiegelsegmenten voor de Thirty Meter Telescope (TMT) zullen 1,4 meter breed zijn.

Volgens Bolte, de wens om zilver te gebruiken op de TMT-spiegelsegmenten is een belangrijke drijfveer voor hun onderzoek naar nieuwe coatingtechnologieën. Maar hij verwacht dat de technologie ook zal worden gebruikt om de spiegels van bestaande telescopen opnieuw te coaten. Een spiegel met aluminiumcoating gaat ongeveer drie tot vijf jaar mee voordat hij opnieuw moet worden gecoat, een proces dat de telescoop tijdelijk buiten werking stelt.

"We haten het om telescooptijd te verliezen, en we verliezen veel nachten met het overschilderen van segmenten bij Keck, "Zei Phillips. "We willen graag een zilveren coating die vijf tot tien jaar meegaat."

Op dit punt, de onderzoekers gebruiken een fysiek depositieproces om de zilveren coating op de spiegelblanks aan te brengen, samen met een eerste barrièrelaag om het zilver te beschermen terwijl de spiegel wordt overgebracht naar het ALD-systeem. Atomaire laagafzetting wordt vervolgens gebruikt voor de uiteindelijke barrièrelagen.

"Direct, het is een hybride proces, maar we volgen ook de ontwikkeling van atomaire laagafzetting voor de zilvercoating, ' zei Philips.

Bolte zei dat de nieuwe technologie een grote impact kan hebben in de astronomie, op dezelfde manier waarop de komst van digitale detectoren ter vervanging van fotografische platen enkele decennia geleden kleine telescopen over de hele wereld nieuw leven inblies. "Dit is de laatste truc die we hebben om bestaande telescopen efficiënter te maken, " zei hij. "Het kan echt een groot verschil maken."