Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 40 – vyšlo 26. září, ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

40/2008

Realizace adaptivní optiky pro ferokapalinová deformovatelná zrcadla

Zuzana Vidláková

Výhodou dalekohledů s tekutými zrcadly je poměrně nízká cena a současně značná velikost, navíc bez případných defektů, které vznikají při výrobě klasických zrcadel. Na druhou stranu je toto vyváženo nemožností natáčení – zrcadlo směřuje vždy do zenituZenit (nadhlavník) – bod svisle nad námi. . První generace tekutinových zrcadel se stavěla na přelomu 20. a 21. století. Byla ze rtutiRtuť – Hydrargyrum, těžký, toxický kovový prvek. Slouží jako součást slitin (amalgámů) a jako náplň různých přístrojů (teploměry, barometry). Je jediným kovem, který je za normálních podmínek kapalný., jejíž povrch byl do parabolického tvaru deformován rotací. Největšího průměru dosáhl šestimetrový dalekohled LZTLZT – Large Zenith Telescope, šestimetrový rtuťový dalekohled umístěný v Kanadě 30 km od Vancouveru. Dalekohled byl uveden do provozu v roce 2004, na stavbě se podílela Universtity of British Columbia, Lavalova univerzita a Institut d'Astrophysique de Paris. (viz AB 2005/32). Omezujícím faktorem byla donedávna i absence adaptivní optikyAdaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí., která slouží ke korekci atmosférických turbulencí.

Feromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO2. Aktivní optika – způsob korekce nízkofrekvenčních (0,03 Hz a nižších) deformací primárního zrcadla. Poprvé byl systém aktivní optiky vyvinut a použit pro dalekohled NTT (New Technology Telescope) o průměru 3,5 metru, který patří ESO a je umístěn na hoře La Silla. Aktivní optika by měla eliminovat především tyto jevy: stálé výrobní vady, tepelné deformace způsobené teplotním gradientem, kompenzace vlastního průhybu zrcadla způsobeného gravitací, kompenzace nízkofrekvenční složky deformace zrcadla způsobené větrem a změny způsobené přechodem mezi Nasmythovým a Cassegrainovým ohniskem. Adaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí.

Druhá generace tekutinových zrcadel vznikla v roce 1994 a jejími autory jsou R. Ragazzoni a E. Marchetti. Italští vědci nechali procházet elektrický proud tekutou rtutí a její povrch deformovali pomocí cívek generujících magnetické pole. První experimenty spočívaly v deformování zrcadla jako celku. Testovaný princip je ale možné využít i pro rychlé lokální deformace povrchu zrcadla, které budou současně fungovat jako systém aktivníAktivní optika – způsob korekce nízkofrekvenčních (0,03 Hz a nižších) deformací primárního zrcadla. Poprvé byl systém aktivní optiky vyvinut a použit pro dalekohled NTT (New Technology Telescope) o průměru 3,5 metru, který patří ESO a je umístěn na hoře La Silla. Aktivní optika by měla eliminovat především tyto jevy: stálé výrobní vady, tepelné deformace způsobené teplotním gradientem, kompenzace vlastního průhybu zrcadla způsobeného gravitací, kompenzace nízkofrekvenční složky deformace zrcadla způsobené větrem a změny způsobené přechodem mezi Nasmythovým a Cassegrainovým ohniskem. i adaptivní optikyAdaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí.. Pro adaptivní optiku je důležitá schopnost zrcadla rychle kompenzovat turbulence atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru., které mění tvar vlnoploch přicházejícího světla. U standardních zrcadel se odpovídajícím způsobem deformuje sekundární nebo terciální zrcadlo, u tekutinových je možné pomocí soustavy cívek deformovat přímo primární zrcadlo.

Ukázalo se však, že překážkou v případě rtuťových zrcadel je vysoká hustota rtuti, k dostatečné deformaci bylo nutno užít vysokých proudů. Řešení v tomto případě spočívá v nahrazení rtutiRtuť – Hydrargyrum, těžký, toxický kovový prvek. Slouží jako součást slitin (amalgámů) a jako náplň různých přístrojů (teploměry, barometry). Je jediným kovem, který je za normálních podmínek kapalný. ferokapalinou. Ferokapalina je suspenze nanočástic s průměrem obvykle menším než 10 nanometrů z magnetitu nebo jiného feromagnetikaFeromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO₂., které jsou rozptýleny v nosné kapalině. Feromagnetika obsahují při nízkých teplotách tzv. Weissovy domény, což způsobuje, že nanočástice mají vlastní magnetický moment a tedy se vlastně jedná o miniaturní magnety. Díky tomu ferokapalina reaguje nejen na gravitační, ale i na magnetické pole. Mezi feromagnetickými nanočásticemi působí i van der Waalsovy síly, které způsobují jejich nežádoucí shlukování. Částečně je možné tomuto jevu zabránit potažením nanočástic vrstvou z polymerů. Ferokapaliny lze v jiné literatuře najít pod těmito názvy: magnetické kapaliny, ferofluida nebo nanokompozitní magnetika.

Ferokapalina v magnetickém poli.

I ferokapaliny ale trpí pro astronomy jednou podstatnou vadou – nízkou odrazivostí. Řešením se ukázalo pokrytí povrchu ferokapaliny jinou koloidní kapalinou s vysokou odrazivostí tzv. vrstvou MeLLF (Metal Liquid-Like Film). Bohužel tyto kapaliny nejsou slučitelné s většinou komerčně vyráběných ferokapalin.

První miniaturní prototyp výše popsaného typu zrcadla s adaptivní optikou byl sestrojen v Kanadě na půdě Lavalovy univerzity. Výzkumný tým kladl důraz na nízkou cenu experimentu. Samotná aktivní podložka zrcadla sestávala z 37 magnetických cívek sestavených do tvaru šestiúhelníku. Každá cívka byla svinuta z 200 měděnýchMěď – Cuprum, ušlechtilý kovový prvek načervenalé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí, dobře se mechanicky zpracovává a je odolný proti atmosférické korozi. Je základní součástí řady velmi důležitých slitin a mimořádně důležitý pro elektrotechniku. smyček a obsahovala malé feritovéFerimagnetikum – systém spinů, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly opačný směr. Látka obsahuje alespoň dva druhy magneticky aktivních atomů s nestejně velikými magnetickými momenty. Výsledkem je nenulová (permanentní) magnetizace materiálu po odstranění magnetického pole. Typickým příkladem je oxid železa, karbonát bária nebo karbonát stroncia. jádro, díky čemuž se snížila spotřeba proudu každé cívky maximálně na 200 mA. U pokusného vzorku byl průměr cívek 5 mm, do budoucna ho bude třeba snížit alespoň na 1 mm. Na tomto zařízení spočívala hliníkováHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem. nádoba naplněná jeden milimetr silnou vrstvou ferokapaliny. Konkrétně se v tomto případě jednalo o ferokapalinu EFH1 o hustotě 1 210 kg·m⁻³ a relativní permeabilitěPermeabilita – lineární koeficient úměrnosti mezi magnetickou indukcí a intenzitou. V izotropním a homogenním materiálu jde o jediné číslo, v komplikovanějších materiálech o tenzor (matici) koeficientů. 2,7, jejíž nosnou kapalinou je olej. Zrcadlo nebylo pokryto odrazivou vrstvou MeLLF, neboť to v současné fázi experimentu nebylo třeba.

Aktivní podložka zrcadla s 37 cívkami, které deformují povrch ferokapaliny.

Ukázalo se, že povrch zrcadla je možné deformovat s frekvencí několika set oprav povrchu plochy za sekundu, což je dostatečné pro systém adaptivní optikyAdaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí. a umožní korigovat turbulence atmosféry. Do budoucna bude snad realistické dosáhnout frekvence až 500 Hz. Původní představy, že povrch kapaliny může reagovat jen na změny o frekvenci maximálně 20 Hz, se nepotvrdily. Vědecký tým zkoušel reakci systému na vložení skleněných předmětů (čočky, Petriho misky) do dráhy paprsků, úprava povrchu plochy zrcadla byla velmi rychlá. Experiment prokázal, že amplituda deformace ferokapaliny závisí nelineárně na magnetickém poli a že vektorové chování magnetického pole neumožňuje použít standardní metody k předpovědění chování povrchu zrcadla. I přes všechny počáteční obtíže se deformovatelná ferokapaliová zrcadla zdají být velkým příslibem pro budoucnost, obzvláště s ohledem na již zmíněnou nízkou pořizovací cenu.

Klip týdne: Ferokapalina

Ferokapalina. V klipu vidíte různé experimenty s koloidálním vodním roztokem nanočástic magnetitu Fe₃O₄. Vzniklá feromagnetická kapalina reaguje velmi rychle na pohyby magnetu. Při silných magnetických polích vytváří ježaté útvary. V budoucnu se počítá s využitím ferokapalin v různých technologiích, například k výrobě astronomických zrcadel, která budou magnetickými poli snadno deformovatelná do libovolného tvaru. Vysokofrekvenční deformace mohou kompenzovat vliv turbulencí v zemské atmosféře a realizovat systém adaptivní optiky přímo na primárním zrcadle. Nafilmované experimenty pocházejí z University ve Wisconsinu. Zdroj: Materials Research Science and Engineering Center, University of Wisconsin. (avi/divx, 7 MB)

Odkazy