Millimeter and sub-millimeter characterization of polymers used for infrared filters in high-sensitivity cryogenic microwave telescopes

Tief in der kalten Stille des Weltraums flüstert das Universum Geheimnisse in Form von Licht, das unsere Augen nicht sehen können. Dieses Licht, bekannt als die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, ist das älteste Leuchten der Existenz, ein schwaches Nachbild des Urknalls selbst. Um dieses Flüstern deutlich zu hören, bauen Astronomen Teleskope, die nicht nur leistungsstark, sondern auch unglaublich kalt sind – gekühlt auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, um zu verhindern, dass ihre eigene Wärme das kosmische Signal überlagert. Diese empfindlichen Instrumente müssen jedoch dennoch durch ein Fenster nach draußen blicken können, um den Himmel zu sehen. Dieses Fenster und die davor platzierten Filter müssen aus Materialien bestehen, die dieses spezifische Licht durchlassen, während sie die Wärme der Erde und der Atmosphäre blockieren. Jahrzehntelang haben sich Wissenschaftler auf bestimmte Kunststoffe für diese Fenster verlassen, in der Annahme, sie seien transparent und harmlos für die empfindlichen Detektoren im Inneren. Doch ein bleibender Zweifel blieb: Könnten diese Materialien winzige Mengen an Licht in unerwartete Richtungen streuen und so eine Ebene aus Rauschen hinzufügen, die die klarsten Bilder der Geburt des Universums verschleiert?

Ein Forschungsteam der Universität Island und der Universität Stockholm machte sich daran, diese Frage zu beantworten, indem es diese gängigen Kunststoffmaterialien einem strengen Test unterzog. Sie konzentrierten sich auf vier Arten von Polymeren, die häufig in hochempfindlichen Teleskopen verwendet werden: hochdichtes Polyethylen, das für Linsen und Fenster verwendet wird; Polytetrafluorethylen, ein Material, das manchmal für Filter verwendet wird; Nylon, eine häufige Wahl zur Blockierung von Infrarotwärme; und ein spezieller Schaumstoff aus Polyethylen. Die Wissenschaftler wollten nicht nur wissen, wie viel Licht diese Materialien durchlassen, sondern was mit dem Licht geschieht, das sie trifft. Insbesondere suchten sie nach „Streuung“, einem Phänomen, bei dem Licht an winzigen Unvollkommenheiten oder Strukturen innerhalb des Materials abprallt und in weiten Winkeln davonstrahlt, anstatt geradlinig hindurchzuge zu reisen. Selbst eine winzige Menge dieses gestreuten Lichts kann ein Problem darstellen, da es die warmen Teile des Teleskops treffen und ein falsches Signal erzeugen könnte, das die Daten verwirrt.

Um dieses schwer fassbare Streulicht einzufangen, bauten die Forscher eine einzigartige Teststation, die wie ein hochmoderner Radar funktionierte. Sie verwendeten ein Gerät namens Vektornetzwerkanalysator, der Radiowellen im Millimeter- und Submillimeterbereich aussendet – genau jene Frequenzen, die zur Untersuchung des Kosmos verwendet werden. Anstelle eines menschlichen Bedieners, der einen Detektor hält, nutzten sie einen hochentwickelten Roboterarm, um den Empfängerkopf in einem präzisen Bogen um die Probe zu bewegen, wobei er von Seite zu Seite und auf und ab schwenkte. Dies ermöglichte es ihnen, das Licht, das durch die Kunststoffplatten passierte, zu kartieren und zu sehen, ob etwas davon zur Seite abgelenkt wurde. Sie testeten die Materialien bei Frequenzen von 90 bis 330 Gigahertz, was den kritischen Bereich abdeckt, in dem diese Teleskope arbeiten. Sie verwendeten auch eine andere Maschine, um zu testen, wie viel Licht die Materialien bei noch höheren Frequenzen bis zu 1400 Gigahertz absorbieren, um ein vollständiges Bild ihres Verhaltens zu erhalten.

Die Ergebnisse zeichneten ein klares Bild davon, welche Materialien sicher sind und welche einen zweiten Blick verdienen könnten. Die Polyethylen-Blöcke und die Polytetrafluorethylen-Platten verhielten sich genau wie erhofft. Sie ließen das Licht mit fast keiner Streuung passieren und fungierten als saubere, unsichtbare Fenster für das Teleskop. Die Nylonproben erzählten jedoch eine andere Geschichte. Die Nylonplatten kamen mit winzigen, parallelen Rillen auf ihrer Oberfläche an, die aus dem Herstellungsprozess stammten. Diese Rillen, die nur etwa 10 Mikrometer tief sind, wirkten wie ein Beugungsgitter, das das Licht signifikant zur Seite streute. Die Forscher fanden heraus, dass diese Oberflächenstruktur der Übeltäter war, was bewies, dass selbst mikroskopische Unvollkommenheiten den Lichtfluss stören können.

Die überraschendste Erkenntnis kam von den Polymerschäumen, die oft als leichte, mehrschichtige Isolierung in Teleskopen verwendet werden. Diese Schäume sind mit winzigen Lufttaschen oder Zellen gefüllt, die etwa 400 Mikrometer groß sind. Wenn das Licht auf diese Schäume traf, passierte es nicht sauber hindurch. Stattdessen interagierte das Licht mit den großen internen Zellen, was dazu führte, dass es in einem breiten, gleichmäßigen Muster streute und eine signifikante Menge an Leistung in hohen Winkeln aussandte. Die Forscher berechneten, dass dieses Streulicht leicht die warmen Teile des Teleskops treffen könnte, was potenziell eine messbare Menge an Rauschen in die Detektoren einspeist. Dies deutet darauf hin, dass diese Schäume zwar hervorragend als Isolierung geeignet sind, ihre interne Struktur jedoch zu groß für die Wellenlängen des Lichts sein könnte, die diese Teleskope erfassen wollen, wodurch sie eher wie eine neblige Linse als wie ein klares Fenster wirken.

Die Studie maß auch, wie viel Licht diese Materialien absorbierten, was eine weitere Möglichkeit darstellt, die Leistung des Teleskops zu beeinträchtigen. Es wurde festgestellt, dass die Nylonmaterialien recht verlustbehaftet waren und eine beträchtliche Menge des Signals absorbierten, insbesondere bei höheren Frequenzen. Das Polyethylen und das Polytetrafluorethylen blieben sehr transparent und absorbierten nur sehr wenig. Durch die Kombination der Streudaten mit den Absorptionsmessungen lieferte das Team eine detaillierte Karte darüber, wie sich diese Materialien über das Spektrum hinweg verhalten. Sie fanden heraus, dass die optischen Eigenschaften der festen Kunststoffe stabil und vorhersehbar waren, während die Schäume und das gerillte Nylon Variablen einführten, die nicht ignoriert werden konnten.

Diese Arbeit erklärt diese Materialien nicht für unbrauchbar, aber sie unterstreicht die dringende Notwendigkeit einer besseren Charakterisierung. Die Forscher betonen, dass für die nächste Generation von Teleskopen, die das Universum mit beispielloser Präzision kartieren wollen, jede Rauschquelle berücksichtigt werden muss. Das Streulicht des Schaumstoffs und des gerillten Nylons stellt eine verborgene Fehlerquelle dar, die durch die Wahl anderer Materialien oder das Glätten von Oberflächenunvollkommenheiten reduziert werden könnte. Das Team plant, seine Tests auf komplexere Materialien auszuweiten, wie etwa Metallgitterfilter und Antireflexbeschichtungen, um sicherzustellen, dass jede Komponente in der Teleskopkette so transparent und rein wie möglich ist. Indem sie genau verstehen, wie diese Materialien mit Licht interagieren, können Wissenschaftler bessere Instrumente bauen und sicherstellen, dass die schwachen Flüstern des frühen Universums klar gehört wird, ohne das statische Rauschen unserer eigenen Ausrüstung.