Een team onder leiding van wetenschappers van de Tokyo Metropolitan University heeft ongekend lichtgewicht optica voor röntgenruimtetelescopen gemaakt, waarmee de traditionele afweging tussen hoekresolutie en gewicht wordt doorbroken. Ze gebruikten Micro Electro-Mechanical System (MEMS) -technologie, waarmee ze ingewikkelde patronen in siliciumwafels creëerden die röntgenstralen konden sturen en verzamelen. Door te gloeien en te polijsten, realiseerden ze ultrascherpe kenmerken die de prestaties van bestaande telescopen konden evenaren voor een fractie van het gewicht, en aanzienlijk minder kosten om te lanceren.

Röntgenastronomie is een essentieel hulpmiddel dat wetenschappers helpt bij het bestuderen en classificeren van het brede scala aan hemellichamen die röntgenstraling uitzenden en ermee interageren, inclusief onze planeet. Maar er is een addertje onder het gras:de meeste röntgenstraling wordt geabsorbeerd in onze atmosfeer, wat betekent dat telescopen en detectoren de ruimte in moeten worden gelanceerd. Dit brengt een hele reeks beperkingen met zich mee, met name hoe zwaar het apparaat kan zijn.

Een van de belangrijkste kenmerken van alle astronomische waarnemingsoptieken is de hoekresolutie, ofwel de hoek die twee lichtbronnen kunnen maken met een detector en toch afzonderlijk kunnen worden geïdentificeerd. Het probleem met conventionele röntgenoptica is dat om hogere resoluties te bereiken, apparaten steeds zwaarder worden. Dit maakt het lanceren ervan in de ruimte erg kostbaar. Zelfs voor de in 2016 gelanceerde Hitomi-telescoop, die als baanbrekend licht wordt beschouwd, was het effectieve gewicht 600 kg per vierkante meter effectief oppervlak.

Nu heeft een team onder leiding van universitair hoofddocent Yuichiro Ezoe en Aoto Fukushima deze afweging doorbroken door een krachtige eenheid te ontwerpen die slechts 10 kg per vierkante meter weegt. Ze gebruikten Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) -technologie, een techniek die is ontworpen om microscopisch kleine mechanische actuatoren te maken, om scherpe, ingewikkelde ontwerpen te vormen in siliciumwafels die röntgenstralen kunnen sturen en verzamelen. Het ontwerp zelf volgt de Wolter I-geometrie van bestaande röntgentelescopen, een concentrische reeks van boomringachtige spleten die röntgenstralen die via een smal bereik van hoeken binnenkomen, kunnen duwen en ze tot een punt kunnen verzamelen.

Met name heeft het team de patronen zelf verfijnd. Na het etsen van de sleuven met behulp van een techniek die diep reactief ionenetsen (DRIE) wordt genoemd, ontdekten ze dat er een oppervlakteruwheid was in de patronen die de verzameling röntgenstralen konden uitsmeren, waardoor de resolutie effectief werd verlaagd. Ze gloeiden het patroon uit en brachten ongekend lange tijd warmte aan in een speciaal apparaat. Met steeds langere uitgloeiing konden de siliciumatomen aan het oppervlak van de patronen meer bewegen, waardoor elke ruwheid werd afgerond en de hoekresolutie van de telescoop werd verbeterd. Dit werd gevolgd door slijpen en chemisch polijsten om de afgeronde randen van de spleten zelf recht te trekken.

Belangrijk is dat de door het team gerapporteerde prestaties overeenkomen met die van telescopen die al in actie zijn. Het gewicht maakt het bijzonder geschikt voor de GEO-X-missie, een satelliet die is ontworpen om de magnetosfeer van de aarde te visualiseren. Het team mikt op het verbluffend lage totale gewicht van 50 kg, een technologische doorbraak waardoor toekomstige missies tegen onvergelijkbaar lagere kosten in een baan om de aarde kunnen worden gebracht.

De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Optics Express . + Verder verkennen

Radicaal ander telescoopontwerp biedt een diepere blik in de ruimte