Präziser Blick auf ultrastabile Materialien

Der Weltraum birgt eine Vielzahl faszinierender Objekte, die wir nur erforschen können, indem wir ihre Strahlung auch jenseits des sichtbaren Bereichs beobachten. Für Weltraumteleskope wie das Infrarot-Observatorium Herschel der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA, die Strahlung im fernen Infrarot beobachten sollen, ist die Kühlung der Instrumente unerlässlich. Denn die Instrumente selbst dürfen keine störende Infrarotstrahlung emittieren. Die Spiegel dieser Teleskope, die bei Temperaturen unterhalb von 190 °C zum Einsatz kommen, werden aus speziellen ultrastabilen Keramiken wie etwa Siliziumkarbid hergestellt.

Um die exakten Abmessungen auch bei diesen niedrigen Einsatztemperaturen richtig zu planen, ist es erforderlich, die thermische Ausdehnung der ver­wen­deten Materialien sehr genau zu kennen. In einem kürzlich ab­ge­schlos­senen ESA-Projekt hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braun­schweig die thermische Ausdehnung dieser Keramiken sowie von einkristallinem Silizium im Temperatur­bereich von 266 °C bis 20 °C mit hoher Genauigkeit gemessen. In weiten Teilen des untersuchten Temperaturbereichs entspricht die erreichte Genauigkeit einer relativen Längen­änderung von etwa einem Milliardstel pro Grad Celsius.

Wie entscheidend es für den Bau solcher Teleskope ist, das thermische Ausdehnungs­­verhalten der verwendeten Materialien genau zu kennen, wurde bei einer der jüngeren ESA-Missionen deutlich, als die vorab durchgeführten Simulationen letztlich nicht mit den gefertigten Spiegeln übereinstimmten. Zwar wurden die Unstimmigkeiten nicht erst im Weltraum entdeckt, aber sie führten doch zu unnötigen Verzögerungen.

Um derartige Überraschungen zukünftig vermeiden zu können, waren genauere Unter­­suchungen der verwendeten Materialien erforderlich. Für ihre Untersuchungen setzte die Gruppe von René Schödel das Ultra­präzisions­inter­ferometer der PTB ein. Damit maßen die Forscher die Länge der Proben im gesamten Temperaturbereich mit Nanometer-Genauigkeit.

Dieses Interferometer ist weltweit einzigartig. Um Messungen mit ähnlicher Genauigkeit auch in anderen Instituten und mit weniger Aufwand durchführen zu können, werden üblicherweise Referenz­­materialien mit genau bekannter thermischer Ausdehnung als Vergleich herangezogen. Ein solches Referenz­material, einkristallines Silizium, das sich durch eine durchgehende Gitterstruktur mit sehr wenigen Störstellen auszeichnet, haben die Wissenschaftler in dem Projekt ebenfalls untersucht.

Wie einige der ultrastabilen Keramikmaterialien auch, hat Silizium die kuriose Eigenschaft, dass es sich hin zu tiefen Tem­peraturen ab einer gewissen Temperatur wieder auszudehnen beginnt. Auch diese – im Alltag unerwartete – Dynamik haben die Wissenschaftler genau vermessen. Ein wichtiges Ergebnis: Sie fanden in einem weiten Temperaturbereich signifikante Abweichungen von den bisher für einkristallines Silizium verwendeten Referenzwerten. Dies deutet darauf hin, dass die Referenzwerte korrigiert werden müssen.

Die Ergebnisse des Projekts sind von Bedeutung für weitere, bereits geplante Weltraummissionen wie das James Webb Weltraumteleskop (JWST), für das Einsatztemperaturen unterhalb von 220 °C geplant sind, oder das Infrarot-Weltraumteleskop für Kosmologie und Astrophysik (SPICA), bei dem sogar noch niedrigere Einsatztemperaturen angedacht sind.

PTB / PH