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Flüssige Teleskopspiegel

Was auf den ersten Blick absurd scheint, könnte für die astronomische Forschung einen ungeahnten Fortschritt bringen: Eine reflektierende Flüssigkeit, in Rotation versetzt, weist aufgrund ihrer idealen Parabolform ausgezeichnete optische Eigenschaften auf. Erste Großteleskope mit derartigen Spiegeln sind bereits im Einsatz.

Seit der englische Mathematiker, Physiker und Astronom Isaac Newton 1671 das erste brauchbare Spiegelteleskop vorstellte, setzt man solche Reflektoren für astronomische Beobachtungen ein. Alle großen Fernrohre sind von diesem Typ, und die mit ihnen gewonnenen Erkenntnisse haben nach und nach die Vorstellung vom Aufbau des Universums grundlegend vertieft und verändert.

Gleichwohl hat die klassische Reflektortechnologie ihre Grenzen: Damit der Spiegel parallel einfallende Lichtstrahlen exakt in einem Brennpunkt bündelt, muß die aus einem massiven Glasrohling herausgearbeitete Oberfläche mit hoher Präzision in eine parabolische Form gebracht werden; das ist nicht nur sehr teuer, sondern oft auch sehr schwierig. Zudem verformen sich Glasspiegel bei Temperaturschwankungen und ab einer bestimmten Größe sogar unter ihrem eigenen Gewicht.

Astronomen und Optik-Fachleute haben deshalb immer wieder mit einer ebenso alten wie seltsam anmutenden technischen Alternative geliebäugelt: dem flüssigen Spiegel. Seiner Größe sind zumindest prinzipiell keine Grenzen gesetzt. Er läßt sich auf einfache Weise herstellen, indem man eine spiegelnde Flüssigkeit wie etwa Quecksilber in Drehung versetzt; die Oberfläche nimmt dann unter dem Einfluß von Schwer- und Fliehkraft eine genau parabolische Form an (Bild 2) – ein Phänomen, das man selbst leicht am umgerührten Kaffee in einer Tasse beobachten kann.

Weil aufwendige Schleif- und Polierprozesse entfallen, können flüssige Spiegel erheblich billiger sein als herkömmliche aus Glas oder Glaskeramik. Möglicherweise wären dadurch eines Tages selbst für Amateurastronomen Teleskope großer Öffnung erschwinglich. Und weil optische Geräte generell bei vielen Messungen eingesetzt werden, könnten sich Flüssigspiegel auch in anderen Forschungsgebieten und in technischen Anwendungen als außerordentlich nützlich erweisen.


Erste Versuche

Niemand weiß, wer erstmals die Idee hatte, eine Flüssigkeit als Teleskopspiegel zu verwenden. Vielleicht stammt sie ebenfalls von Newton; er hatte nämlich erkannt, daß die Wasseroberfläche in einem rotierenden Gefäß parabolisch ist. Ernsthafte praktische Versuche unternahm freilich erst Anfang dieses Jahrhunderts Robert Williams Wood (1868 bis 1955), ein etwas verschrobener Physiker an der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore (Maryland).

Wood war enorm vielseitig – seine Interessen reichten von der Optik und Spektroskopie bis hin zum Schreiben von Nonsens-Gedichten für Kinder. Nebenbei verfaßte er auch Romane und zusammen mit Arthur Train das Werk "The Man Who Rocked the Earth". In gewissem Sinne traf dieser Titel auf ihn selbst zu, denn er war es, der zumindest ganz Frankreich erschütterte, als er im Jahre 1904 die angebliche Entdeckung einer neuartigen Strahlungsart widerlegte, die der angesehene Physiker René Blondlot von der Universität Nancy zu sehen glaubte. Auf Woods Bitte demonstrierte Blondlot in seinem abgedunkelten Labor, wie die sogenannten N-Strahlen, die in ihren Eigenschaften Röntgenstrahlen ähneln sollten, nach Ablenkung durch ein Aluminiumprisma nachgewiesen werden könnten. Wood war skeptisch und ließ in einem unbeobachteten Moment das Prisma, das im Experiment eine Schlüsselrolle einnahm, in seiner Tasche verschwinden. Blondlot bemerkte nichts – und wies dennoch die seiner Meinung nach abgelenkten Strahlen nach (Spektrum der Wissenschaft, Juli 1980, Seite 24).

Während diese Anektode großes Aufsehen erregte, wurde Woods Flüssigspiegel weniger beachtet. Der Bau eines solchen Teleskops ist nämlich mit technischen Schwierigkeiten verbunden, die Wood nicht befriedigend zu lösen vermochte. Ihm gelangen zwar Strichspuraufnahmen von Sternen, aber nur unscharfe. Durch Schwankungen in der Umlaufgeschwindigkeit des Spiegelträgers veränderte sich die Brennweite des Spiegels aus Quecksilber. Zudem erzeugten Vibrationen und Zugluft Wellen auf der Oberfläche des flüssigen Metalls. Hinzu kam noch ein prinzipielles Problem: Woods Teleskop mußte stets auf den Zenit gerichtet bleiben, so daß er den Effekt der Erddrehung nicht ausgleichen konnte; vorbeiziehende Sterne bildeten sich darum immer als Striche auf dem Film ab (Bild 3 unten). Leicht und schwungvoll beschrieb Wood all diese Schwierigkeiten in der Fachzeitschrift "Astrophysical Journal".


Ein perfektes Paraboloid

Jahrzehntelang gab es auf diesem Gebiet keinen technischen Fortschritt. Erst im Januar 1982 stellten James E. Gunn und Peter Schneider von der Universität Princeton (New Jersey) sowie Maarten Schmidt vom California Institute of Technology in Pasadena zunächst ein geniales Verfahren vor, mit dem sich das Nachführ-Problem lösen läßt. Die Wissenschaftler brachten das 5-Meter-Teleskop auf dem Mount Palomar in eine feste Position und beobachteten mehrere Nächte lang die durch das Gesichtsfeld hindurchziehenden Sterne. Mit Hilfe von CCD-Elementen – modernen Halbleiter-Lichtsensoren – vermochten sie erstmals scharfe und nicht zu Strichen ausgezogene Bilder aufzunehmen, ohne den Spiegel der scheinbaren Sternbewegung nachführen zu müssen.

Um den Effekt der Erddrehung zu kompensieren, verschob der CCD-Detektor seine Lichtsensoren elektronisch in Ost-West-Richtung mit einer Geschwindigkeit, die der scheinbaren Sternbewegung im Teleskop entsprach. Dies ist etwa so, als würde man während der Belichtung den Film in einer Kamera genau so schnell bewegen, wie sich das Bild des in Bewegung befindlichen Objekts verschiebt. Weil ein Stern sich dabei aber jeweils nur kurze Zeit im schmalen Blickfeld des Detektors befindet, gelangt nur wenig Licht auf ihn. Beobachtet man jedoch dasselbe Himmelsareal in aufeinanderfolgenden Nächten, lassen sich die einzelnen Aufnahmen mit Hilfe eines Computers digital zu immer lichtstärkeren Bildern addieren.

Der Erfolg von Gunn, Schneider und Schmidt erweckte mein Interesse an flüssigen Spiegeln von neuem. Bereits in der Schule hatte ich davon gehört. Wenngleich mich die Idee faszinierte, hatte ich aber selbst als Astronom nie ernsthaft daran gedacht, sie für Forschungszwecke einzusetzen. Als ich von den Beobachtungen am Mount-Palomar-Observatorium hörte, verbrachte ich ein Forschungssemester an der Universität von Arizona in Tucson. Dort waren gerade J. Roger P. Angel und John McGraw mit dem Aufbau eines neuartigen Teleskops zur Beobachtung ferner Supernovae beschäftigt, und sie hofften, die Eigenschaften von CCD-Empfängern nutzen zu können. Das Teleskop – mittlerweile längst im Einsatz – ist unbeweglich und benötigt darum weder eine aufwendige Montierung noch eine teure Kuppel.

Wenn nun aber die CCD-Technik bei einem feststehenden Teleskop scharfe Bilder zu liefern vermochte, so überlegte ich, müßte sie auch anwendbar sein, wenn der Spiegel aus einem flüssigen Material bestünde – vorausgesetzt, er hätte eine ausreichend gute Qualität. Nach Rückkehr an mein Institut an der Laval-Universität in der kanadischen Provinz Quebec wollte ich darum zunächst untersuchen, wie gut ein Flüssigspiegel wirklich abbilden kann. Als erstes bestellte ich ein berührungsloses Lager und einen Elektromotor. Alle anderen Bauteile ließ ich in unseren eigenen Werkstätten herstellen.

Wenige Monate später konnte ich meinen ersten Quecksilberspiegel mit 50 Zentimetern Durchmesser testen. Wie üblich wandte ich dazu das von dem französischen Physiker Léon Foucault (1819 bis 1868) entwickelte Schneidenprüfverfahren an. Im Idealfall sollte das vom Spiegel erzeugte Bild einer punktförmigen Lichtquelle genauso groß sein wie die Quelle selbst; beim seitlichen Heranführen einer Messerschneide an den Strahlengang des reflektierten Lichts verschwindet das Bild dann plötzlich. Ein nicht perfekter Spiegel hingegen reflektiert das Licht diffus und erzeugt ein größeres Bild, das von der Schneidenkante nur teilweise verdeckt wird. Bei meiner Messung verschwand das Bild schlagartig.

Für weitere Untersuchungen baute ich gemeinsam mit den Studenten Robin Arsenault und Mario Beauchemin einen Ein-Meter-Spiegel. Seine Oberfläche war perfekt parabolisch und ausreichend glatt; Halterung und Antrieb erwiesen sich als so stabil, daß keine störenden Oberflächenwellen auftraten und die Brennweite konstant blieb.

Dies schien mir weitere Entwicklungsarbeiten zu rechtfertigen. Wir richteten ein Labor für hochpräzise optische Messungen ein und statteten es mit modernen Geräten aus, was erheblich mehr Zeit und Aufwand erforderte als dann die eigentlichen Versuche, denn beim Bau mußten wir die optischen Elemente präzise justieren und Störeffekte wie Vibrationen im Gebäude und Luftturbulenzen weitgehend ausschalten: Schließlich galt es, Unebenheiten der Spiegeloberfläche von lediglich einem Vierzigstel der Lichtwellenlänge zu vermeiden, damit sich gute Abbildungseigenschaften ergaben.

Der Lohn war ein spektakuläres Erlebnis. Wir arbeiteten gerade mit einem Quecksilberspiegel mit einem Durchmesser von 1,50 Metern. Einer unserer Studenten, Stanislaw Szapiel, hatte ein unaufgelöstes Bild eines künstlichen Sterns auf einem Monitor dargestellt. Als wir es über eine Linse nochmals vergrößerten, entdeckten wir auf dem Bildschirm zu unserer Verwunderung ein helles Scheibchen, das abwechselnd von dunklen und hellen Ringen umgeben war – offensichtlich ein Beugungsbild des Spiegels. Damit hatten wir das theoretische Auflösungsvermögen erreicht, denn selbst bei fast perfekten optischen Flächen setzt die Wellennatur des Lichtes eine prinzipielle Grenze: Reflektierte Lichtwellen überlagern sich, wobei sie sich an manchen Stellen verstärken, an anderen hingegen auslöschen; dadurch wird jeder Lichtpunkt als eine von dunklen und hellen Interferenzringen umgebene helle Kreisfläche abgebildet. Weil nun der Durchmesser dieses Beugungsscheibchens umgekehrt proportional dem Durchmesser des beugenden Mediums ist, nimmt die Bildschärfe mit der Größe des Spiegels zu.

Zur Bestätigung unseres Befundes waren jedoch noch genauere Tests erforderlich. Der Doktorand Robert Content untersuchte mit einem Interferometer sehr präzise die Oberflächengestalt des 1,50-Meter-Spiegels. Hunderte mit einer CCD-Kamera aufgenommene Interferogramme überzeugten uns schließlich davon, daß wir ein Beugungsbild sehen und kein Artefakt.

Flüssige Spiegel zu vermessen ist erheblich schwieriger als solche aus Glas, weil ihre Oberfläche sich schnell verändern kann. Darum darf man nicht (wie bei Glasspiegeln üblich) Durchschnittswerte aus mehreren Messungen bilden, denn dies würde die durch Luftturbulenzen und Vibrationen erzeugten Abbildungsfehler unterbewerten. Hier zahlten sich nun unsere gründlichen Vorbereitungen aus. Die interferometrische Untersuchung ergab schließlich, daß die parabolische Oberfläche eines gut abgestimmten Flüssigspiegels bis auf mindestens ein Dreißigstel einer Lichtwellenlänge – weniger als 20 Nanometer – stabil ist; eine solche Präzision war ursprünglich für das Hubble-Weltraumteleskop vorgesehen.

Wenngleich die zweijährige Laborarbeit weit erfolgreicher war als erwartet, mußten wir noch den praktischen Einsatz unserer Reflektoren unter freiem Himmel bei Wind und Temperaturschwankungen abwarten. Dazu bauten wir ein relativ einfaches und preiswertes Observatorium, das 1986 einen Flüssigspiegel mit einem Meter und im darauffolgenden Jahr einen mit 1,20 Meter Durchmesser beherbergte (Kasten auf Seite 74). Insgesamt 63 klare Nächte lang suchten unsere Studenten nach bisher unbestätigten stellaren Blitzen, von deren Existenz zuvor berichtet worden war. Als Detektor diente eine programmierbare Kleinbildkamera, die Sternspuren von weniger als zwei Minuten Dauer aufzeichnete. Wir fanden keinerlei Blitze und schlossen daraus, daß sie – sofern sie überhaupt vorkommen – selten sind. Darauf beruhte die erste Veröffentlichung einer Beobachtung mit Flüssigspiegeln überhaupt.


Kostengünstige Zukunftstechnologie für die Astronomie?

Aber wozu ist ein Teleskop nütze, das sich nicht ausrichten läßt? Ich behaupte, daß sich nahezu jedes System von Sensoren und Aufzeichnungsgeräten an ein feststehendes Fernrohr anpassen läßt. Selbst wenn man nur die erwiesenermaßen mögliche Beobachtung mit einer CCD-Kamera in Betracht zieht, kann man von Flüssigspiegeln einen wesentlichen Beitrag zu Himmelsdurchmusterungen erwarten.

Insbesondere bei der Erforschung der Feinstruktur des Universums dürften sie sich als nutzbringend erweisen. Zur Untersuchung extrem lichtschwacher Objekte sind nämlich sehr zeitintensive Beobachtungen mit großen Teleskopen erforderlich. Weil jedoch herkömmliche Spiegelteleskope so teuer sind und die Nachfrage stark ist, bekommen selbst große Arbeitsgruppen für jedes Projekt höchstens ein Dutzend Nächte pro Jahr zugeteilt. Zahlreiche Untersuchungen dauern mithin viele Jahre.

Billige Flüssigspiegelteleskope könnten den Kosmologen vermutlich öfter zur Verfügung gestellt werden als herkömmliche Reflektoren. Dies würde viele spezielle Forschungszweige – von der Suche nach fernen Supernovae und Quasaren bis zu Projekten, Entwicklung und Aufbau des Universums tiefer zu ergründen – deutlich voranbringen.

Paul Hickson von der Universität von Britisch-Kolumbien in Vancouver (Kanada) hat bereits 1992 in Kooperation mit unserer Hochschule ein 2,70-Meter-Flüssigspiegelteleskop für spektroskopische Untersuchungen fertiggestellt (Bild 4); es arbeitet mit einer CCD-Kamera und Interferenzfiltern. Andrew E. Potter jr. von der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA und Terry Byers von der Firma Lockheed haben sogar ein solches Teleskop mit einem Durchmesser von drei Metern gebaut. Mit ihm wollen sie alle künstlichen Objekte in Erdumlaufbahnen erfassen, die größer sind als etwa ein Zentimeter; dieser Weltraumschrott kann Satelliten, Raumschiffe und Raumstationen ernstlich gefährden.

Zusätzlich zur reinen Größe bietet die neue Spiegeltechnik noch andere günstige Eigenschaften: eine äußerst glatte Oberfläche, geringe Streuung, hohe Lichtstärke sowie eine präzise einstellbare veränderliche Brennweite. Flüssigspiegel können daher auch in zahlreichen anderen Forschungsgebieten von Nutzen sein. In Zusammenarbeit mit einer von Robert J. Sica von der Universität von Western Ontario in London (Kanada) geleiteten Arbeitsgruppe haben wir denn auch einen Flüssigspiegel als Empfänger in einem Lichtdetektions- und Meßsystem (Light Detection and Ranging, LIDAR) eingesetzt. Mit solchen Instrumenten läßt sich die Atmosphäre zwischen 30 und 110 Kilometern Höhe untersuchen. Zunächst wird ein starker Laserstrahl bestimmter Wellenlänge gen Himmel gerichtet, um darauf reagierende Moleküle anzuregen (Bild 1). Sie senden dann Licht aus, und aus der am Boden registrierten Intensität und Wellenlänge läßt sich unter anderem die Konzentration der jeweiligen Substanz in unterschiedlichen Höhen bestimmen. Die Lichtstärke des von uns speziell für dieses System gebauten 2,65-Meter-Quecksilberspiegels macht das Gerät zu einem der weltweit empfindlichsten Instrumente für solche Messungen.

Wegen ihrer praktisch perfekten Parabolform kann man Flüssigspiegel auch als preisgünstige Referenzoberflächen bei der Fabrikation optischer Geräte verwenden. Eine der wohl ausgefallensten Ideen dazu hatte Nathalie Ninane vom Weltraumzentrum in Lüttich (Belgien): Sie fertigte von einem 1,40-Meter-Quecksilberspiegel ein Hologramm an, bei dessen Ausleuchtung ein Bild entsteht, das als Vorlage beim Polieren eines herkömmlichen Glasspiegels zu einem perfekten Paraboloid dienen kann.


Störeinflüsse

Anfangs motivierte mich insbesondere die Vorstellung, Spiegel mit gigantischen Durchmessern von vielleicht 30 Metern herstellen zu können. Die technische Grenze werden wir wohl erst in praktischen Versuchen ermitteln können. Zwar sind wir aufgrund unserer Erfahrungen optimistisch; mehrere Faktoren könnten jedoch die Größe beschränken.

So bewirkt beispielsweise die Erdkrümmung eine leichte Verschiebung des Brennpunktes, was sich aber leicht korrigieren ließe. Einen anderen geophysikalischen Effekt übt die Coriolis-Kraft aus, die sich an jedem bewegten Gegenstand in einem rotierenden Bezugssystem bemerkbar macht. Sie ist die Ursache der vorherrschenden Windrichtungen auf der Erde und bestimmt den Drehsinn von Wirbelstürmen. Für unsere Spiegel, so haben Hickson und sein Institutskollege Brad Gibson sowie ich unabhängig voneinander errechnet, sollte sie jedoch kein ernsthaftes Problem sein.

Hingegen ist die Luft über der Flüssigkeitsoberfläche kritisch. Zwar hilft eine Abschirmung gegen Wind; doch je größer ein Spiegel ist, desto höher ist auch die Umlaufgeschwindigkeit an seinem Rand und desto stärker sind die dadurch hervorgerufenen Luftturbulenzen. Gegen die dabei entstehenden Wellen gibt es allerdings gleich mehrere Maßnahmen. So werden diese Störungen in dünnen Quecksilberschichten recht gut gedämpft. Auch eine einmolekulare Schicht aus organischen Verbindungen (wie etwa Ölen) auf dem Metall verringert sie; und eine sichere Lösung bieten dünne, schmiegsame Kunststoff-Filme: In Versuchen mit zahlreichen Materialien fanden wir heraus, daß eine feine, zähe Mylar-Folie die Spiegeloberfläche schützt, ohne den Strahlengang zu beeinflussen.

Auch andere Verbesserungen sind denkbar. Wenn sich das schwere Quecksilber durch eine leichtere Flüssigkeit ersetzen ließe, könnte man weniger aufwendige Wannen und Halterungen verwenden. Wir haben bereits erste Versuche mit Gallium gemacht, dessen Dichte weniger als die Hälfte der von Quecksilber beträgt. Die ersten Ergebnisse sind erfolgversprechend. Obwohl dieses Metall bereits bei 30 Grad Celsius fest wird, kann man es leicht unterkühlen, also unterhalb seiner normalen Gefriertemperatur flüssig halten; das gelang den Doktoranden John Gauvin und Gilberto Moretto mit einigen Proben bis zu -30 Grad Celsius mehrere Wochen lang. Gauvin hat inzwischen einen 50-Zentimeter-Spiegel aus einer Galliumlegierung mit zufriedenstellenden Eigenschaften hergestellt.

Korrektur von Abbildungsfehlern

Verbesserungen bei optischen Korrekturelementen werden sicherlich ebenfalls dazu beitragen, den mit einem Flüssigspiegelteleskop beobachtbaren Himmelsabschnitt und somit die Bandbreite möglicher Einsatzgebiete zu erweitern. Ein Parabolspiegel fokussiert nämlich nur exakt parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen – also die von sehr weit entfernten, punktförmigen und genau über seiner Mitte befindlichen Objekten – in einem scharfen Brennpunkt. Solche, deren Licht schräg einfällt, werden mit zunehmender Neigung zur optischen Achse als immer größere Scheibchen und somit zunehmend unscharf abgebildet.

Verzerrungen dieser Art treten in allen Teleskopen auf, lassen sich aber verringern. Entsprechende Korrektoren bestehen aus Linsen- oder Spiegelanordnungen, die gestreute Strahlen wieder bündeln. Mit ihrer Hilfe kann man Himmelsareale mit einem Winkeldurchmesser von einem Grad (dem doppelten scheinbaren Durchmesser des Vollmondes) verzerrungsfrei abbilden. Das Beobachtungsfeld ließe sich zudem erweitern, indem man mehrere Teleskope in unterschiedlichen geographischen Breiten installiert, die dann jeweils andere Himmelsgebiete erfassen. Erheblich einfacher und kostengünstiger wäre es jedoch vermutlich, das Bildfeld eines einzelnen Teleskops mit verbesserten Korrekturelementen zu vergrößern.

Harvey R. Richardson von der Universität von Victoria (Britisch-Kolumbien) und Christopher L. Morbey vom dortigen Herzberg-Institut für Astrophysik haben mittels Computer einen Korrektor zum Ausgleich der spezifischen Bildfehler von Flüssigspiegeln entwickelt. Allerdings ist dieses Gerät noch etwas unhandlich, da es die Bewegungen von drei einzelnen Spiegeln koordinieren muß. Es erweitert aber das verzerrungsfrei abgebildete Feld auf einen Winkeldurchmesser von immerhin 15 Grad. Diese bahnbrechende Arbeit hat gezeigt, daß auch die bei extrem schrägem Lichteinfall auftretenden Abbildungsfehler korrigiert werden können.

Theoretisch gibt es für optimierte Korrektoren nur wenige Einschränkungen. Mit ihnen müßte ein großer Teil des Himmels der Beobachtung mit Flüssigspiegelteleskopen zugänglich werden – wenn auch jeweils nur in eingeschränkten Beobachtungsfeldern. Damit wird der Einsatz solcher Instrumente für spektroskopische Untersuchungen und hochaufgelöste Aufnahmen interessant.

Zur praktischen Weiterentwicklung dieses Konzepts untersuchen Min Wang, Gilberto Moretto und ich in Zusammenarbeit mit Gerard Lemaître vom Observatorium in Marseille (Frankreich) neue Kombinationen herkömmlicher Korrekturspiegel. Nach Lemaîtres Idee werden sie so verformt, daß sie Reflexionsfehler ausgleichen. Ein solcher von uns entwickelter Hochleistungskorrektor mit zwei Hilfsspiegeln erzeugt exzellente Bilder von Himmelsregionen mit einem Winkeldurchmesser von 45 Grad.

Holographisch ließen sich – zumindest in der Theorie – Abbildungsfehler am besten korrigieren. Dazu könnte man in den Weg des reflektierten Lichtes ein zuvor erzeugtes Hologramm stellen, das beim Durchgang der Strahlen alle bekannten Fehler herausfiltert. Mit speziellen Hologramm-Anordnungen sollten sich auch die Verzerrungen von solchen Lichtstrahlen ausgleichen lassen, die von einem weit vom Zenit entfernt liegenden Punkt einfallen. Nach unseren ersten Untersuchungen ist diese Technik aber noch nicht reif.


Flüssigspiegelteleskope im Weltraum?

Häufig werde ich gefragt, ob sich Flüssigspiegelteleskope auch im Weltraum stationieren ließen. Auf jeden Fall käme der Mond als Standort in Frage. Gallium- oder noch leichtere Alkalilegierungen mit niedrigen Schmelztemperaturen würden dort flüssig bleiben.

Bis vor kurzem hielt ich es jedoch für unmöglich, ein solches Instrument in einer Erdumlaufbahn einzusetzen. Schließlich ist die Gravitation eine der beiden Kräfte, ohne die eine Flüssigkeitsoberfläche keine parabolische Form annimmt; Satelliten befinden sich aber im freien Fall und sind so gut wie schwerelos. Ein System permanent zu beschleunigen, um künstlich Schwerkraft zu erzeugen, hielt ich für unpraktisch, schon weil die Brennstoffvorräte für einen Motor irgendwann aufgebraucht wären.

Mittlerweile habe ich meine Meinung geändert: Wäre das Gerät mit großen Segeln ausgestattet, könnte der Sonnenwind – ein steter Strom von Teilchen – seine Geschwindigkeit unaufhörlich erhöhen. Wenngleich man diese Vorstellung zunächst eher als Science-fiction abtun möchte, geht sie durchaus von realistischen Annahmen aus. Zwar ist noch kein derart angetriebenes Raumfahrzeug erfolgreich gestartet; eine Studie der NASA von Ende der siebziger Jahre ergab jedoch, daß das Prinzip praktikabel wäre.

Nun würde der Impuls eines vom Sonnenwind beschleunigten Satelliten immer größer, bis er aus dem Anziehungsbereich der Erde und schließlich aus unserem Planetensystem katapultiert würde. Dies könnte man wiederum für längere Zeit verhindern, indem man seine Geschwindigkeit etwas kleiner wählte als die reguläre Umlaufgeschwindigkeit. Dann könnte der Sonnenwind genau die Energie beisteuern, die erforderlich ist, um das Teleskop in der Umlaufbahn zu halten. Colin McInnes von der Universität Glasgow (Großbritannien) hat gezeigt, daß mit Sonnensegeln ausgestattete Satelliten sich auf den unterschiedlichsten Bahnen bewegen und diese sogar wechseln können. Ein Flüssigspiegelteleskop ließe sich dabei im wesentlichen wie ein herkömmlicher Reflektor ausrichten.

In der Juni-Ausgabe 1987 der Zeitschrift "Physics Today" stand die Frage: "Werden künftige Astronomen mit flüssigen Spiegeln beobachten?" Heute – also sieben Jahre später – sind bereits einige Flüssigspiegelteleskope zu Forschungszwecken gebaut worden. Jetzt kommt es darauf an, wie viele Wissenschaftler sie für ihre Beobachtungen nutzen. Wegen ihrer Einfachheit und ihrem Kostenvorteil könnten sie sich zunehmend durchsetzen.

Literaturhinweise

- Liquid Mirror Telescopes: History. Von B.K. Gibson in: Journal of the Royal Astronomical Society of Canada, Band 85, Heft 4, Seiten 158 bis 171, August 1991.

– The Case for Liquid Mirrors in Orbiting Telescopes. Von E.F. Borra in: Astrophysical Journal, Band 392, Heft 1, Seiten 375 bis 383, 10. Juni 1992.

– Liquid Mirrors: Optical Shop Tests and Contributions to the Technology. Von E.F. Borra, R. Content, L. Girard, S. Szapiel, L.M. Tremblay und E. Boily in: Astrophysical Journal, Band 393, Heft 2, Seiten 829 bis 847, 10. Juli 1992.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1994, Seite 70
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
4 / 1994

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 4 / 1994

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