Hauptspiegel

Hauptspiegel eines Teleskops am Paranal-Observatorium mit 8 m Durchmesser

Als Hauptspiegel wird der lichtsammelnde Spiegel eines Teleskops bezeichnet. Meist ist er als Paraboloid geschliffen, bei speziellen Optiken wie der Schmidtkamera auch als Kugelspiegel.
Bei Teleskopen für optische Wellenlängen bestehen Hauptspiegel heute ausschließlich aus Glas oder Glaskeramik.

Geschichte

In den Anfangsjahren der von Newton erfundenen Spiegelteleskope wurden die Spiegel aus Spiegelmetall hergestellt. Weil das Metall jedoch schnell oxidierte, mussten diese Spiegel häufig nachpoliert werden. Dabei verschlechterte man leicht die hergestellte glatte Oberfläche und veränderte die genaue Oberflächenform. Deshalb kam man auf Glas als Träger, das man mit Silber verspiegelte.^[1] Heutige Teleskopspiegel werden im Hochvakuum mit einer dünnen Aluminiumschicht bedampft und außerdem oft zum Schutz gegen schnelles Erblinden mit einer Quarzschutzschicht versehen.^[2]

Strahlverlauf und Abbildungsfehler

Die Spiegel ganz kleiner Teleskope sind Hohlspiegel in der Form reiner Kugelspiegel. Ein Kugelspiegel sammelt parallele Lichtstrahlen aber nicht genau in einem Punkt, sondern in einer räumlichen Ausdehnung entlang der Längsachse des Brennpunktes ( sog. „Brennlinie“). Bei größeren Spiegeln wird deshalb ein Rotationsparaboloid hergestellt, das die Lichtstrahlen wirklich in einem Punkt sammelt. Sehr große Teleskope werden heutzutage meist als Ritchey-Chrétien-Teleskop gebaut, bei dem der Hauptspiegel hyperbolisch deformiert ist – der Fangspiegel übrigens auch, zusätzlich zu der Hyperbelform, die er für seine Aufgabe im Cassegrainsystem ohnehin benötigt.

Herstellung

Als Material für Amateurspiegel wird meist Borosilicatglas eingesetzt, das einen sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Die Glasrohlinge wurden früher durch Pressen oder Gießen in Metallformen hergestellt. Heute wird Borosilicat-Floatglas (z. B. Borofloat) mit 25 mm Stärke hergestellt, aus dem die Glasrohlinge ausgeschnitten werden.^[3]

Die großen Spiegel der astronomischen Forschung werden heute dagegen meist aus Glaskeramik hergestellt. In speziellen Drehöfen werden die Spiegelrohlinge gleich aus Glasbruch in Form geschmolzen. Dabei rotiert der Ofen mit der definierten Drehzahl, mit der die Parabolform für diesen Spiegel erreicht wird. Bei der Abkühlung der Glasschmelze wird der Temperaturverlauf so geregelt, dass durch keramische Kristallisation eine Mischung aus 60 Prozent Keramik und 40 Prozent Glas entsteht. Der negative Ausdehnungskoeffizient der Keramik hebt sich mit dem positiven des Glases auf, so dass praktisch überhaupt keine Wärmeausdehnung mehr auftritt. Um Spannungsfreiheit zu erreichen und den Keramikanteil auszukristallisieren, dauert der Abkühlprozess entsprechend lange.^[4][5][6]

Ist der Spiegel fertig ausgekühlt, kann die Endform geschliffen und poliert werden. Beim Polieren muss eine Oberflächengenauigkeit unter Lambda/2 (die Hälfte der Wellenlänge, in der später beobachtet werden soll), meist aber besser Lambda/8, erreicht werden.^[7] Professionell eingesetzte Spiegel werden auf bis zu 20 Nanometer genau gefertigt.

Kleine Hauptspiegel, die mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke von 10 : 1 hergestellt werden können, sind von sich aus formstabil. Ab 50 cm Durchmesser werden solche Spiegel schon recht schwer. Stellt man die Spiegel jedoch dünner her, so verbiegen sie sich bei Lageänderung unter ihrem Eigengewicht von selbst.

Größere Spiegel wurden früher zur Gewichtsreduzierung von der Rückseite her ausgebohrt. Heute werden die Spiegel gleich mit einer Wabenstruktur auf der Rückseite gegossen.

Segmentierte Hauptspiegel des Southern African Large Telescope

Trotzdem waren Spiegel mit mehr als 8 m Durchmesser wegen der Verformung durch ihr Eigengewicht nicht mehr herstellbar. Deshalb wurden Spiegel bis zehn Meter Durchmesser zunächst aus Segmenten hergestellt. Diese Segmente wurden durch die Halterung (statisch) so positioniert, das ein fehlerfreies Bild entsteht. Heute sind aktive Lagerungen entwickelt worden, die den Spiegel dynamisch an vielen Auflagepunkten stützen und somit die Verbiegung durch sein Eigengewicht oder Montagefehler ausgleichen. Zudem wurde die adaptive Optik entwickelt um Störeinflüsse durch die Atmosphäre auszugleichen.

Einzelnachweise

1. ↑ Hohlspiegel, Grundlage moderner Teleskope
2. ↑ Aluminium Bedampfung für Teleskopspiegel - Berliner Planetarium
3. ↑ Unterscheidung der Spiegelmaterialien
4. ↑ auf alluna-optics.de
5. ↑ Leute: Physik und ihre Anwendungen in Technik und Umwelt Seite 385
6. ↑ Jürgen Gobrecht,Erhard Rumpler: Werkstofftechnik - Metalle Seite 261
7. ↑ Qualitätsspiegelfertigung auf alluna-optics.de