Natte telescoop; Rotatie levert paraboolspiegel vloeibaar gallium

ONDERZOEKERS van de Université Laval in Québec (Canada) hebben waarnemingen verricht met een telescoop waarvan de hoofdspiegel bestaat uit een vloeibare legering van gallium en indium. Deze vloeistof bevindt zich in een vlakke kom die langzaam ronddraait, waardoor het oppervlak van het metaal de vorm aanneemt van een paraboloïde: precies wat nodig is om al het opgevangen sterlicht in één punt samen te brengen.

Zo'n vloeibare telescoopspiegel kost maar een fractie van een even grote spiegel van glas met een dun laagje (vast) aluminium.

Het idee van een vloeibare telescoopspiegel is al meer dan een eeuw oud, maar werd pas in de jaren tachtig nieuw leven ingeblazen. In die tijd was het duidelijk geworden dat men voor de bouw van steeds grotere telescopen zou moeten uitkijken naar andere spiegelconstructies. Het alleen maar groter en dikker maken van de klassieke spiegels van glas met een aluminium coating leidde tot onacceptabele toename van gewicht en kosten. Daarom ging men experimenteren met alternatieve spiegelconstructies en verscheen ook de spiegel van vloeibaar metaal weer op het toneel.

De belangrijkste promotor van de vloeibare telescoopspiegel is Ermanno Borra van de Université Laval in Québec. Experimenten op deze universiteit hebben aangetoond dat met roterende spiegels van kwik haarscherpe opnamen van de sterrenhemel kunnen worden gemaakt: de beeldscherpte wordt slechts begrensd door de onrust van de atmosfeer. De kom met het laagje vloeibaar metaal draait hierbij op een luchtlager, om de trillingen te voorkomen die rimpels aan het vloeistofoppervlak kunnen veroorzaken. Doordat de gladde bodem tot op een fractie van een millimeter al de vorm van een paraboloïde heeft, behoeft het vloeistoflaagje nog maar twee millimeter dik te zijn.

Omdat de spiegel horizontaal ligt, kijkt hij altijd loodrecht omhoog. Als gevolg van de draaiing van de aarde wordt dan door de stilstaande telescoop een smalle strook van de hemel afgetast. Met behulp van een elektronisch 'meebewegende' CCD-detector is het mogelijk om enkele minuten lang één hemelobject te volgen en door de metingen van verschillende nachten elektronisch bij elkaar op te tellen kunnen dan extreem zwakke objecten worden bestudeerd. Volgens Borra 'is in wezen elk astronomisch instrument aan te passen voor waarnemingen met zo'n vast opgestelde telescoop', die vooral geschikt zou zijn voor survey-programma's.

In samenwerking met de universiteit van Brits-Columbia in Vancouver heeft Borra een telescoop gemaakt die met zijn kwikspiegel van 2,7 meter diameter tot de twintig grootste telescopen op aarde behoort. Met deze telescoop, opgesteld op een nieuwe sterrenwacht bij Vancouver, worden in een smalle strook aan de hemel verre sterrenstelsels en quasars bestudeerd. En op de universiteit van West-Ontario wordt een 'lidartelescoop' met een 2,7 meter kwikspiegel gebruikt voor het via laserstralen meten van de toestand van de hogere lagen van de atmosfeer.

Kwik heeft een reflecterend vermogen van ongeveer 85 procent, maar dat van gallium is nog zo'n 10 procent groter: vergelijkbaar met dat van een glasspiegel met opgedampt aluminium. Gallium heeft bovendien een soortelijke dichtheid die nog niet de helft is van die van kwik. Deze eigenschap maakt gallium te prefereren boven kwik, aldus Borra, omdat een lichtere spiegel een veel lichtere en dus minder dure opstelling mogelijk maakt. En mocht er nog eens een telescoop met een vloeibare spiegel op de maan worden opgesteld, waar Borra nog steeds op hoopt, dan is ook daar gallium te prefereren boven kwik omdat gallium in het luchtledige veel minder snel verdampt.

Een nadeel van gallium is dat het onder een temperatuur van 30 ß8C vast is. Daar staat echter tegenover dat de vloeistof gemakkelijk in onderkoelde toestand kan worden gehouden. Bovendien zijn er verscheidene galliumlegeringen die een lagere smelttemperatuur hebben. Borra en zijn collega's hebben gevonden dat een spiegel van één meter diameter van gallium en indium, een legering die normaal bij een temperatuur van 16 ß8C vast wordt, ook bij temperaturen rond het vriespunt nog vloeibaar kan blijven. Hieruit leidt men af dat een spiegel van 10 meter diameter bij temperaturen rond de -10 ß8C nog vloeibaar blijft, dus op vele astronomisch gunstige lokaties te gebruiken.

Het grootste probleem bij een spiegel van gallium is de snelle oxidatie. Gallium is chemisch verwant aan aluminium en evenals bij dit metaal ontstaat door oxidatie een transparant, dun oxidehuidje dat het onderliggende metaal tegen verdere oxidatie beschermt. Het probleem bij gallium is dat dit oxidelaagje vrijwel direct ontstaat en zo het proces van het 'sluiten' van het oppervlak bemoeilijkt. Dit 'sluiten' vindt plaats door het met een soort spatel over de kom verspreiden van het gallium, dat net als kwik door zijn hoge oppervlaktespanning de neiging heeft om - in geval van een laagje van 2 mm dik - samen te trekken tot 'plassen' of druppels.

Door de snelle oxidatie van gallium ontstaat er tijdens het 'sluiten' van het oppervlak een ruw en verbrokkeld laagje, 'als pakijs gezien vanuit een hoog vliegend vliegtuig'. De onderzoekers in Québec hebben op allerlei manieren getracht een oplossing te vinden voor dit probleem, bijvoorbeeld door te werken in een inerte atmosfeer van stikstof en argon. Het beste resultaat bleek te worden verkregen als het al gesloten oppervlak met een soort mes van kunststof in één keer werd afgeschraapt (Publications of the A.S.P., maart 1997).

Uit optische tests en daadwerkelijke opnamen van de sterrenhemel blijkt dat de beeldkwaliteit van een spiegel van vloeibaar gallium ongeveer vergelijkbaar is met die van kwik. 'Een bemoedigend resultaat dat verder onderzoek op dit gebied rechtvaardigt', aldus de onderzoekers. Zij schatten dat een galliumspiegel van 5 meter diameter ongeveer half zo duur zal zijn als een even grote spiegel van kwik. En die kost slechts een paar procent van een spiegel van glas met opgedampt aluminium. Borra denkt dat het uiteindelijk mogelijk moet zijn om spiegels van vloeibaar metaal met diameters van 8 tot 10 meter te maken.