Metallspiegel

Metallspiegel kamen in der Astronomie ab etwa 1650 mit der Erfindung der verschiedenen Spiegelteleskope in Gebrauch. Damals war das Schleifen von Metalloberflächen wesentlich einfacher als jenes von Glasspiegeln, außerdem war das Problem der Schlieren bei größeren Glasguss-Formen noch ungelöst.

Als Spiegelmaterial dienten meist Kupfer-Zinn-Legierungen, die zur Erhöhung des Reflexionsvermögens poliert oder dünn beschichtet wurden.

Metallspiegel werden heute nur mehr in manchen physikalischen Apparaten und in der Lasertechnik verwendet. Bei Telskopen wurden sie um 1900 durch Glasspiegel bzw. ab etwa 1980 durch Glaskeramiken ersetzt.

Die Spiegelwerkstatt von William Herschel

Als Fernrohrtyp setzten sich zuerst der Schiefspiegler und das Newton-Teleskop durch, doch blieben die Durchmesser zunächst recht bescheiden. Die Entwicklung zu größeren Metallspiegeln begann mit dem Techniker und (vorerst) Liebhaberastronomen Wilhelm Herschel. Als deutscher Auswanderer nach England fand er ab etwa 1770 eine Erwerbsquelle im Schliff astronomischer Spiegel, von denen er einige hundert verkaufte.

Wilhelm Herschels 48-Zoll-Spiegelteleskop mit 40 Fuß Brennweite

Herschel goss die Spiegel aus weichen Metall-Legierungen, die sich leicht schleifen ließen. Danach polierte sie blank, doch liefen sie im Gebrauch wieder an und mussten oft nachpoliert werden. (Mit Beschichtungen arbeitete erst Hieronymus Schröter(1745–1816), siehe unten). Den Planeten Uranus entdeckte Herschel mit einem Sechszöller (15 cm), die meisten seiner Nebelobjekte mit einem 47-cm-Spiegel und 6m Brennweite (gebaut 1783). Sein größtes Teleskop von 1789 (siehe Bild) maß 1,22 m × 12 m und blieb bis zu einem Sturm 1839 das weltweit größte.

Die Spiegel und Beläge von Hieronymus Schröter

Herschel stattete u. a. die private Sternwarte Lilienthal des Oberamtmanns und Mondforschers Schröter mit einigen Metallspiegeln aus, die im Laufe der Zeit immer größer wurden. Der gut situierte Beamte begann zwar seine Mondbeobachtungen 1779 mit einem farbreinen 6-cm-Linsenfernrohr von Dollond, doch veranlasste ihn Herschels Entdeckung des Uranus (1781), bei ihm ein 12-cm-Spiegelteleskop mit 122 cm Brennweite zu bestellen. Bald folgte ein Newton-Teleskop 17/214 cm, für das er bei Bremen ein zweistöckiges Observatorium errichtete. Neben Mond- und Sonnenbeobachtungen – wofür relativ matte Metallspiegel von jeher geeignet waren – konnte nun die Lichtstärke der Neuerwerbung auch zur Beobachtung von Planeten, Doppelsternen und Nebelhaufen dienen. Das Instrument wurde die Grundlage für Schröters ausgezeichnete Mondbeobachtungen, die er 1791 – noch als Amateur – unter dem Titel selenotopografische Fragmente publizierte.

1792 entwickelte Schröter mit dem Kieler Chemieprofessor Johann Gottlieb Friedrich Schrader eine weißliche, spröde Kupfer-Zinn-Legierung mit etwas Arsen. Zur Erhöhung des Reflexionsvermögens (zunächst wohl kaum 20 %) dampften sie eine zusätzliche Arsen-Schicht auf, die Herschels Polierproblem löste. Die Legierungen ließen sich noch gut in die Hohlform schleifen, waren aber schon hart genug, um ihre gute Abbildungsleistung lange zu behalten.

Sein eigentliches „Riesenteleskop“ stellte Schroeter 1794 fertig – es hatte 51 cm Öffnung und einen 8-eckigen, 9 m langen Tubus. Die spezielle Arsen-Beschichtung fertigte sein Gärtner Harm Gefken an, der später eine optische Werkstatt gründete. Allerdings starb er 55-jährig an den Arsendämpfen.

Der blanke Halbmeter-Spiegel war dem viel größeren, aber matten von Herschel ebenbürtig, sodass Schröter sogar die Nachtseite des Mondes untersuchen konnte, zahlreiche Sternhaufen und Nebel entdeckte und Tagbeobachtungen der hellen Planeten vornahm. An diesem Fernrohr wurden 1802 bis 1807 drei der ersten vier Kleinplaneten entdeckt, und der von Schröter als Observator eingestellte Assistent Friedrich Wilhelm Bessel zum Astronomen ausgebildet.

Die 1- und 2-Meter-Spiegel von Lord Rosse

Das Lilienthaler Teleskop wurde bald von einem 36-Zoll-Spiegelteleskop des Lord Rosse (Irland) übertroffen, mit dessen Lichtstärke der Earl viele neblige Objekte erforschen konnte. Doch baute Rosse 1842–1845 ein noch größeres Teleskop, das bald „Leviathan of Parsonstown“ genannt wurde. Es hatte 183 cm Apertur, 16 m Brennweite und wurde – mittels Flaschenzügen geringfügig schwenkbar – zwischen zwei massiven, 15 m hohen Mauern montiert (siehe Bild). Mit diesem Teleskop hat Rosse entscheidendes zur Kosmologie beigetragen und u. a. die Spiralnatur von Galaxien erkannt, doch musste es zeitweise wegen der irischen Hungersnot stillgelegt werden.

Der Leviathan" von Lord Rosse (1848) mit einem 1,8-m-Metallspiegel

Der Spiegel bestand aus „speculum metal“ (Spiegelmetall), einer bronzeartigen Legierung, und wog allein fast 4 Tonnen. Zur Herstellung war eine spezielle, sehr vorsichtige Gießtechnik nötig. Denn wäre der Klotz zu rasch abgekühlt, wäre er zersprungen. Tatsächlich misslang der 1. Versuch, und für den 2. Versuch ließ der Lord zusätzliche Heizaggregate einbauen und den Verlauf der Abkühlung genau kontrollieren. Wie lange der Vorgang letztlich dauerte, ist nicht überliefert (die Abkühlung des 5-Meter-Glasspiegels von Mount Palomar dauerte über 1 Jahr). Der 3.800 kg schwere Bronzespiegel musste gegen die Durchbiegung auf 27 Stützen gelagert werden, deren Zahl Rosse später sogar auf 81 vermehren ließ.

Für das Schleifen in die erforderliche Paraboloid-Form und für das anschließende Polieren wurde eine eigene, dampfgetriebene Maschinerie konstruiert. Dennoch erblindete der gewaltige Spiegel immer wieder und musste 2-mal jährlich nachpoliert und wieder parabolisiert werden. Um diese wohl wochenlangen Zeiten zu überbrücken, ließ Lord Rosse schließlich einen zweiten, identischen Spiegel herstellen.

Ende der Metallspiegel

Um die Jahrhundertwende 1900 war die Glaserzeugung so weit fortgeschritten, dass sie auch für große Teleskopspiegel geeignet erschien. Vorteilhaft war neben dem höheren Reflexionsgrad auch das wesentlich geringere Volumengewicht.

Am Mount-Wilson-Observatorium ging 1917 der 2,5 m messende Hooker-Spiegel in Betrieb, der bis in die 1970er-Jahre als Vorbild für alle Großteleskope diente. Ab etwa 1980 wurde statt Glas meist Glaskeramik der Mainzer Schott-Werke (v.a. Zerodur) eingesetzt, weil sie eine sehr geringe Wärmeausdehnung aufweist.