Die erstaunlichen Spiegel hinter der fortschrittlichen Technologie

Auf einem Berggipfel in der trockenen Atacama-Wüste Chiles baut das Europäische Weltraumobservatorium derzeit das größte optische Teleskop der Welt.

Es wurde keine Zeit verschwendet, einen Namen zu wählen – es wird „Extremely Giant Telescope“ (ELT) heißen.

Stattdessen wurde viel Energie in die Entwicklung und den Bau des „größten Auges der Welt am Himmel“ gesteckt, das 2028 mit der Aufnahme von Bildern beginnen soll und höchstwahrscheinlich unser Verständnis des Universums erweitern wird.

Ohne einige der fortschrittlichsten Spiegel, die je hergestellt wurden, wäre dies nicht möglich.

Dr. Elise Vernet ist Spezialistin für adaptive Optik bei der ESO und beaufsichtigte die Entwicklung der fünf riesigen Spiegel, die Licht sammeln und an die Messausrüstung des Teleskops übertragen.

Jeder der kundenspezifischen Spiegel von ELT ist eine Meisterleistung des optischen Designs.

Dr. Vernet beschreibt den 14 Fuß (4,25 m) großen konvexen M2-Spiegel als „Kunstwerk“.

Aber vielleicht bringen die M1- und M4-Spiegel das erforderliche Maß an Komplexität und Präzision am besten zum Ausdruck.

Der M1-Primärspiegel ist der größte Spiegel, der jemals für ein optisches Teleskop hergestellt wurde.

„Es sind 39 Millionen.“ [128ft] Im Durchmesser besteht es aus [798] „Der Spiegel besteht aus sechseckigen Segmenten, die so aufgereiht sind, dass sie sich wie ein perfekter homogener Spiegel verhalten“, sagt Dr. Vernet.

Der M1 wird bis zu 100 Millionen Mal mehr Licht sammeln als das menschliche Auge und sollte in der Lage sein, Position und Form mit einer Genauigkeit beizubehalten, die 10.000 Mal feiner ist als ein menschliches Haar.

Der M4-Spiegel ist der größte verformbare Spiegel, der jemals hergestellt wurde, und kann seine Form 1.000 Mal pro Sekunde ändern, um atmosphärische Turbulenzen und Vibrationen des Teleskops selbst zu korrigieren, die Bilder verzerren können.

Seine flexible Oberfläche besteht aus sechs Blütenblättern aus Glaskeramik mit einer Dicke von weniger als 2 mm (0,075 Zoll).

Die Blütenblätter wurden von Schott in Mainz hergestellt und dann an das Ingenieurbüro Safran Reosc außerhalb von Paris geliefert, wo sie poliert und zu einem perfekten Spiegel zusammengefügt wurden.

Der Herstellungsprozess der fünf Spiegel steht kurz vor dem Abschluss und wird bald zur Installation nach Chile transportiert.

Während diese massiven Spiegel dazu dienen werden, das Licht des Universums einzufangen, haben die Nachbarn der ESO in Garching, am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, einen Quantenspiegel geschaffen, der auf den kleinsten vorstellbaren Skalen funktioniert.

Im Jahr 2020 gelang es einem Forschungsteam, eine einzelne Schicht aus 200 ausgerichteten Atomen dazu zu bringen, gemeinsam Licht zu reflektieren und so einen Spiegel zu schaffen, der so klein ist, dass er mit bloßem Auge nicht gesehen werden kann.

Im Jahr 2023 gelang es ihnen, ein einzelnes, mikroskopisch kontrolliertes Atom im Zentrum des Arrays zu platzieren und so einen „Quantenschalter“ zu schaffen, mit dem sich steuern lässt, ob Atome transparent oder reflektierend sind.

„Was Theoretiker vorhergesagt haben und was wir experimentell beobachtet haben, ist, dass in diesen organisierten Strukturen ein Photon, sobald es absorbiert und wieder emittiert wird, tatsächlich emittiert wird.“ [in one predictable] „Es ist ein Spiegel, das macht ihn zu einem Spiegel“, sagt Dr. Pascal Weckiser, Postdoktorand am Institut.

Diese Fähigkeit, die Richtung des von einem Atom reflektierten Lichts zu steuern, könnte künftig in einer Reihe von Quantentechnologien Anwendung finden, beispielsweise in hacksicheren Quantennetzwerken zur Speicherung und Übertragung von Informationen.

Nordwestlich in Oberkochen bei Stuttgart fertigt Zeiss Spiegel mit einer weiteren extremen Eigenschaft.

Das Optikunternehmen hat Jahre damit verbracht, einen extrem flachen Spiegel zu entwickeln, der zu einer Schlüsselkomponente in Maschinen zum Drucken von Computerchips, sogenannten Extrem-Ultraviolett-Druckmaschinen (EUVs), geworden ist.

Das niederländische Unternehmen ASML ist der weltweit führende Hersteller von EUVs, deren Kernbestandteil Zeiss-Spiegel sind.

EUV-Spiegel von Zeiss können Licht bei sehr kleinen Wellenlängen reflektieren und sorgen für Bildklarheit in kleinem Maßstab, sodass immer mehr Transistoren auf die gleiche Fläche eines Siliziumwafers gedruckt werden können.

Um zu veranschaulichen, wie flach Spiegel sind, verwendet Dr. Frank Rohmond, Leiter der Halbleiterfertigung bei Zeiss, eine topografische Analogie.

„Wenn man einen Haushaltsspiegel nehmen und ihn auf die Größe Deutschlands vergrößern würde, wäre der höchste Punkt auf einem Weltraumspiegel 5 Meter [as in the James Webb Space Telescope]Es werden 2 cm sein [0.75in]„In einem EUV-Spiegel wären es 0,1 mm“, erklärte er.

Diese ultraglatte Spiegeloberfläche bietet in Kombination mit den ebenfalls von Zeiss hergestellten Systemen zur Steuerung der Spiegelposition ein Maß an Präzision, das dem Reflektieren von Licht von einem EUV-Spiegel auf der Erdoberfläche und dem Aufnehmen eines Golfballs auf dem Mond entspricht.

Obwohl diese Spiegel bereits extrem erscheinen mögen, hat Zeiss Pläne, sie zu verbessern, um zur Herstellung leistungsfähigerer Computerchips beizutragen.

„Wir haben Ideen, wie wir extreme ultraviolette Strahlung weiterentwickeln können. Bis 2030 wollen wir einen Mikrochip mit einer Billion Transistoren haben. Heute könnten wir die Marke von hundert Milliarden Transistoren erreicht haben.“

Dank der neuesten Technologie von Zeiss kommt man diesem Ziel einen Schritt näher und ermöglicht das Drucken von nahezu dreimal mehr Strukturen auf derselben Fläche als bei der aktuellen Generation von Chipherstellungsmaschinen.

„Die Halbleiterindustrie verfügt über eine starke und dominante Roadmap, die allen Akteuren, die zur Lösung beitragen, Unterstützung bietet“, sagt Dr. Rohmond. „Dank dessen sind wir in der Lage, Fortschritte bei der Herstellung von Mikrochips zu machen, die heute Dinge wie künstliche Intelligenz ermöglichen.“ Informationen, die noch vor einem Jahrzehnt undenkbar waren.“

Es ist immer noch unklar, was die Menschheit in den nächsten zehn Jahren verstehen und tun kann, aber es besteht kein Zweifel daran, dass Spiegel das Herzstück der Technologien sein werden, die uns dorthin führen.