Cryogenic characterisation for the Nulling Interferometry Cryogenic Experiment (NICE)

Tief in der kalten Stille des Weltraums, weit jenseits der Erdwärme, hoffen Astronomen, ein Teleskop bauen zu können, das in der Lage ist, das schwache Leuchten von Welten wie der unseren zu sehen. Um diese fernen Planeten zu finden, die Gestirne in der „habitablen Zone“ umkreisen, in der flüssiges Wasser existieren könnte, müssen Wissenschaftler das blendende Licht des Muttersterns ausblenden. Sie planen, dies mit einer Technik namens Nulling-Interferometrie zu erreichen, bei der das Licht mehrerer Teleskope so kombiniert wird, dass sich das helle Sternenlicht selbst auslöscht, sodass nur das schwache Signal eines Planeten sichtbar bleibt. Damit diese empfindliche Auslöschung jedoch funktioniert, müssen die Instrumente unglaublich kalt gehalten werden. Wenn die Ausrüstung warm ist, leuchtet sie mit ihrer eigenen Infrarotwärme und überstrahlt das schwache Planetensignal. Die Herausforderung besteht darin, eine Maschine zu bauen, die den gefrierenden Temperaturen des Weltraums standhält und gleichzeitig seine Spiegel und Halterungen perfekt ruhig hält, bis auf die Skala eines einzelnen Atoms.

Ein Forschungsteam der ETH Zürich und des französischen Luftfahrtlabors hat mit einem neuen experimentellen Aufbau namens „Ice Cube“ einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen. Dieses Gerät ist ein kleiner, spezialisierter Kühlschrank, der entwickelt wurde, um zu testen, wie sich optische Komponenten bei extrem niedrigen Temperaturen verhalten. Das ultimative Ziel ist die Vorbereitung auf die LIFE-Mission, ein zukünftiges Weltraumobservatorium, das nach erdähnlichen Exoplaneten suchen wird. Während frühere Tests bei Raumtemperatur durchgeführt wurden, erfordert die neue Mission Instrumente, die bei Temperaturen von so tief wie 15 Kelvin arbeiten, was nur 15 Grad über dem absoluten Nullpunkt entspricht. Die Forscher brauchten eine Möglichkeit, kleine Teile des Teleskops schnell abzukühlen und zu testen, um sicherzustellen, dass sie sich nicht verformen oder verschieben, wenn sie extremer Kälte ausgesetzt sind.

Der „Ice Cube“ ist eine kompakte, modulare Vakuumkammer, die einen Pulsröhrenkühler beherbergt – eine Maschine, die kaltes Gas zirkulieren lässt, um das Innere abzukühlen, ohne die Vibrationen beweglicher Teile zu erzeugen. Sein Design ist geschickt so angeordnet, dass die Kühlmechanik seitlich sitzt, wodurch die Oberseite und die Seiten der Kammer vollständig offen bleiben. Dies ermöglicht es den Wissenschaftlern, verschiedene Spiegel und Halterungen leicht auszutauschen, ohne das gesamte Kühlsystem demontieren zu müssen. Im Inneren hält ein Edelstahlgefäß zwei Schichten thermischer Abschirmungen bereit, die als Barrieren fungieren, um zu verhindern, dass die äußere Wärme den inneren Kern erreicht. Der innere Schild und der optische Tisch, auf dem die Spiegel sitzen, werden auf etwa 10 Kelvin gekühlt. Das Team hat die Halterungen so konstruiert, dass sie sich sanft biegen, während das Metall in der Kälte kontrahiert, um sicherzustellen, dass die Spiegel flach und ausgerichtet bleiben, anstatt unter der thermischen Belastung zu verformen.

Um zu beobachten, was mit den Spiegeln geschieht, während sie abkühlen, baute das Team ein hochentwickeltes Messsystem unter Verwendung eines Lasers und einer Technik namens PISTIL. Diese Methode funktioniert, indem ein Laserstrahl in viele kleine Abschnitte aufgeteilt und dann wieder kombiniert wird, um ein Muster aus hellen und dunklen Streifen zu erzeugen, die als Interferenzstreifen (Fringes) bekannt sind. Wenn sich ein Spiegel auch nur minimal verschiebt oder seine Oberfläche sich biegt, verändert sich das Muster dieser Streifen. Durch die Analyse dieser Veränderungen können die Forscher kleinste Bewegungen in der Position und im Winkel des Spiegels messen. Sie testeten dieses System, indem sie einen Standard-Aluminiumspiegel, der auf einer Aluminiumstruktur montiert war, von Raumtemperatur auf 20 Kelvin abkühlten. Der Aufbau war darauf ausgelegt, kleinste Deformationen zu detektieren, die die Fähigkeit des Teleskops zur Auslöschung des Sternenlichts ruinieren könnten.

Die ersten Tests zeigten, dass das System funktioniert, hoben aber auch die Schwierigkeiten hervor, in einer solch sensiblen Umgebung zu arbeiten. Als der Spiegel abgekühlt wurde, verfolgte das Messsystem erfolgreich seine Bewegung und zeigte, dass der Aufbau die relative Bewegung zwischen dem Spiegel und seiner Halterung erfassen konnte. Die Daten waren jedoch verrauscht, und der Kühlprozess war zu langsam, als dass das Messverfahren perfekt mithalten konnte. Die Forscher beobachteten, dass die Position des Spiegels während der Abkühlphase stark schwankte, bevor sie sich stabilisierte, sobald die niedrigste Temperatur erreicht war. Diese Fluktuationen wurden durch eine Mischung aus der physikalischen Verformung des Spiegels aufgrund der Kälte und externen Störungen wie Vibrationen oder Luftströmungen im Labor verursacht. Das Team stellte zudem fest, dass die für den Test verwendeten Spiegel nicht perfekt glatt waren, was eine klare Messung erschwerte.

Trotz dieser frühen Hürden bewies das Experiment, dass der „Ice Cube“ eine stabile, ultra-kalte Umgebung für Tests bieten kann. Die Forscher fanden heraus, dass der innere Schild und der optische Tisch Temperaturen nahe ihren Zielwerten erreichten, wenngleich sie etwas wärmer waren als vorhergesagt, was wahrscheinlich auf unerwartete Wärmelecks oder Einschränkungen der Kühlleistung zurückzuführen ist. Die Studie bestätigte noch keine perfekte Lösung für die Montage von Spiegeln, da die ersten Tests zeigten, dass einige Montagestile zu viel Bewegung verursachen könnten. Stattdessen dient die Arbeit als wichtiger Beweis der Machbarkeit (Proof of Concept). Sie demonstriert, dass das Team nun in der Lage ist, Komponenten schnell durch die extremen Temperaturen zu zyklieren, die für die LIFE-Mission erforderlich sind, was eine schnelle Iteration von Designs ermöglicht.

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forscher, das System zu verfeinern, indem sie die Qualität der Testspiegel verbessern und die Datenerfassung beschleunigen, um Veränderungen in Echtzeit zu erfassen. Sie beabsichtigen auch, komplexere Baugruppen zu testen, wie etwa die Strahlkombinatoren, die letztendlich das Licht von mehreren Teleskopen zusammenführen werden. Durch die Identifizierung der Materialien und Montagetechniken, die sich in der Kälte am besten bewähren, zielt das Team darauf ab, das Design für das vollskalige kryogene Instrument zu finalisieren, das für die Weltraummission benötigt wird. Diese Arbeit ist ein entscheidender Schritt, um den Traum, ferne erdähnliche Welten zu sehen, in die Realität umzusetzen, und stellt sicher, dass die für die Reise gebauten Instrumente in der tiefen Kälte des Weltraums einwandfrei funktionieren.