Телескоп FLUTE просто разольют в космосе

Команда проекта по созданию жидкостного телескопа FLUTE сложилась благодаря сотрудничеству НАСА с Технионом, Израильским технологическим институтом. Учёные придумали способ создания огромных круглых жидких зеркал на орбите. Телескопы большего размера собирают больше света и позволяют астрономам видеть удалённые объекты более детально.


На первой иллюстрации — концепция жидкостного телескопа FLUTE для большой космической обсерватории следующего поколения. Зеркало космического телескопа диаметром в половину футбольного поля развернут в космосе из жидких материалов. Форма оптики будет определяться естественной силой поверхностного натяжения тех жидкостей, которые составят огромную линзу.

Подобно ручной клади, полезные грузы, запускаемые в космос, должны быть в пределах допустимых размеров и веса для полёта. Апертура оптической космической обсерватории — это размер основного зеркала телескопа, той поверхности, которая собирает и фокусирует поступающий свет. У существующего космического телескопа Джеймса Уэбба апертура 6,5 метра, и для запуска в космос его в своё время пришлось сложить, как оригами, включая само зеркало, чтобы поместить в ракету.
Апертура космической обсерватории, предусмотренная исследователями FLUTE в рамках новой концепции, будет примерно 50 метров в диаметре.

Традиционная технология изготовления оптики для телескопов — это шлифовка и полировка стекла или металла для придания необходимой формы и гладкости линзам и зеркалам. Но таким путём экономически нецелесообразно делать телескопы с апертурой более 10 м в диаметре.

Новый эффективный технологический подход FLUTE, напротив, использует преимущества естественного поведения жидкостей в условиях микрогравитации. Все жидкости обладают упругой силой — поверхностным натяжением, которое придаёт каплям воды их форму и позволяет клопам-водомеркам скользить по поверхности пруда.

На Земле, если крошечные капли тумана или росы не больше 2 мм, то поверхностное натяжение преодолевает гравитацию, и они остаются идеально круглыми. Если капли больше, то они уплощаются под собственным весом. Но в космосе, где гравитация не влияет на жидкости, даже большие капли принимают максимально энергоэффективную форму шара.

Жидкости прилипают к поверхностям благодаря так называемой адгезии, и это физические явление — второй залог успеха для будущего телескопа FLUTE. Благодаря поверхностному натяжению в условиях микрогравитации достаточное количество жидкости, прилипнув изнутри к краям круглой рамы, растянется внутри и естественным образом примет форму сферического сечения, то есть диска.

Подобрав оптимальный объём жидкости, можно сделать так, чтобы её поверхность изгибалась вовнутрь, а не выпячивалась наружу. Если придать жидкости отражающие свойства, изогнутая внутрь поверхность станет зеркалом телескопа.

Проект FLUTE будет запускать жидкости в космос в качестве основы для оптики на орбите. Основное зеркало сформируют внутри огромной круглой рамы. Оно так и останется в жидком состоянии, с чрезвычайно гладкой поверхностью для сбора света.

Технологический подход FLUTE можно масштабировать до очень больших размеров. Технология, предположительно, позволит создавать телескопы с апертурами и в 10, и в 100 раз большими, чем у ныне действующих.

Уникальной особенностью жидкого зеркала является его способность к самовосстановлению. Например, если в него попадёт микрометеорит, оно быстро восстановится естественным образом.

Команда FLUTE провела маломасштабные эксперименты по формированию линз из жидкостей в различных средах. Сначала делали это в наземной лаборатории, затем в серии параболических полётов в условиях микрогравитации, а после и на борту МКС. Специализированные самолёты совершают параболические полёты, имитируя изгиб параболы, с шагом 45 градусов при движении вверх и вниз. Пассажиры испытывают 20–25 секунд микрогравитации. Типичный параболический полёт может длиться 2–3 часа с примерно 30 эпизодами невесомости.

Поиск компонентов для FLUTE, разработка концепции миссии и первоначального плана по развёртыванию на низкой околоземной орбите стали возможны за счёт гранта NASA Innovative Advanced Concepts («Инновационные передовые концепции», NIAC).

Основные этапы проекта

В декабре 2021-го коллектив FLUTE провёл параболические лётные испытания на борту G-Force One корпорации Zero Gravity. В модифицированном самолёте Boeing 727 возникали ненадолго периоды микрогравитации для оценки технологии. В ходе эксперимента проверяли формирование отдельных жидких линз из синтетических масел различной вязкости.

В апреле 2022-го астронавт миссии Axiom-1 (AX-1) Эйтан Стиббе провёл эксперимент с микрогравитацией на борту Международной космической станции (МКС). Бизнесмен и военный лётчик руками в перчатках в стеклянном ящике впрыскивал жидкие полимеры в круглые оправы для формирования линз. Затвердевшие на орбите полимеры возвратили на Землю для анализа. Также Стиббе провёл тогда дополнительный образовательный эксперимент: линзу сформировали из обычной воды.



В ноябре 2022-го команда FLUTE провела параболические лётные испытания на борту G-Force One. В серии экспериментов по созданию зеркал использовали ионные жидкости https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионная_жидкость и сплав галлия. Галлий — нетоксичный металл с высокой отражающей способностью и очень низкой температурой плавления. Чистый галлий плавится примерно при 30 градусах по Цельсию.