Teleskop

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Hintergrund

Ein Teleskop ist ein Gerät, das verwendet wird, um Bilder von entfernten Objekten zu erstellen. Die bekannteste Art von Teleskop ist ein optisches Teleskop, das eine Reihe von Linsen oder einen gekrümmten Spiegel verwendet, um sichtbares Licht zu fokussieren. Ein optisches Teleskop, das Linsen verwendet, ist als brechendes Teleskop oder Refraktor bekannt; eine, die einen Spiegel verwendet, ist als reflektierendes Teleskop oder Reflektor bekannt. Neben optischen Teleskopen verwenden Astronomen auch Teleskope, die Radiowellen, Röntgenstrahlen und andere Formen elektromagnetischer Strahlung fokussieren. Teleskope variieren in Größe und Raffinesse, von selbstgebauten Ferngläsern aus Pappröhren bis hin zu hausgroßen Radioteleskopen, die sich über viele Meilen erstrecken.

Das früheste bekannte Teleskop war ein Refraktor, der 1608 vom niederländischen Brillenhersteller Hans Lippershey gebaut wurde, nachdem er versehentlich Objekte durch zwei verschiedene Brillengläser betrachtete, die einen Abstand voneinander hielten. Er nannte seine Erfindung einen Kijker, "looker" auf Niederländisch und war für militärische Zwecke gedacht. 1609 baute der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei seine eigenen Teleskope und machte damit als erster Mensch astronomische Beobachtungen. Diese frühen Teleskope bestanden aus zwei Glaslinsen in einer hohlen Leitung Röhre und waren eher klein; Galileis größtes Instrument war etwa 120 cm lang und hatte einen Durchmesser von 5 cm. Astronomen wie Johannes Kepler in Deutschland und Christian Huygens in Holland bauten während des 17. Jahrhunderts größere, leistungsfähigere Teleskope. Bald wurden diese Teleskope zu groß, um leicht von Hand gesteuert zu werden, und erforderten feste Montierungen. Einige waren mehr als 60 m lang.

Die Fähigkeit, riesige Teleskope zu bauen, übertraf die Fähigkeit der Glasmacher, geeignete Linsen für sie herzustellen. Insbesondere die durch die chromatische Aberration verursachten Probleme (die Tendenz eines Objektivs, jede Lichtfarbe an einem anderen Punkt zu fokussieren, was zu einem verschwommenen Bild führt) wurden bei sehr großen Teleskopen akut. Die damaligen Wissenschaftler wussten keine Möglichkeit, dieses Problem mit Linsen zu vermeiden, und entwarfen stattdessen Teleskope mit gekrümmten Spiegeln.

1663 konstruierte der schottische Mathematiker James Gregory das erste Spiegelteleskop. Alternative Designs für Reflektoren wurden 1668 von dem englischen Wissenschaftler Isaac Newton und 1672 vom französischen Wissenschaftler N. Cassegrain erfunden. Alle drei Designs werden noch heute verwendet. Im 17. Jahrhundert gab es keine gute Möglichkeit, Glas mit einem dünnen reflektierenden Film zu beschichten, wie es heute bei der Herstellung von Spiegeln der Fall ist. Daher verwendeten diese frühen Reflektoren Spiegel aus poliertem Metall. Newton verwendete eine Mischung aus Kupfer, Zinn und Arsen, um einen Spiegel herzustellen, der nur 16% des empfangenen Lichts reflektieren konnte; heutige Spiegel reflektieren fast 100 % des auf sie fallenden Lichts.

Bereits 1730 war bekannt, dass man die chromatische Aberration minimieren konnte, indem man die Hauptlinse des Teleskops durch zwei richtig geformte Linsen aus zwei verschiedenen Glasarten ersetzte, aber erst Anfang des 19. Jahrhunderts wurde die Wissenschaft der Glasherstellung weiterentwickelt genug, um diese Technik praktisch zu machen. Bis Ende des 19. Jahrhunderts wurden Refraktionsteleskope mit Linsen bis zu einem Meter Durchmesser gebaut, die bis heute die größten in Betrieb befindlichen Refraktionsteleskope sind.

Reflektoren dominierten im 20. Jahrhundert erneut Refraktoren, als Techniken zum Bau von sehr großen, sehr genauen Spiegeln entwickelt wurden. Die größten optischen Teleskope der Welt sind alle Reflektoren mit Spiegeln bis zu 6 m Durchmesser.

Rohstoffe

Ein Teleskop besteht aus einem optischen System (den Linsen und/oder Spiegeln) und Hardwarekomponenten, die das optische System an Ort und Stelle halten und es ermöglichen, es zu manövrieren und zu fokussieren. Linsen müssen aus optischem Glas bestehen, einer speziellen Glasart, die viel reiner und gleichmäßiger ist als gewöhnliches Glas. Der wichtigste Rohstoff zur Herstellung von optischem Glas ist Siliziumdioxid, das nicht mehr als ein Zehntel (0,1 %) an Verunreinigungen enthalten darf.

Optische Gläser werden allgemein in Krongläser und Flintgläser unterteilt. Kronengläser enthalten unterschiedliche Mengen an Boroxid, Natriumoxid, Kaliumoxid, Bariumoxid und Zinkoxid. Flintgläser enthalten Bleioxid. Die Antireflexbeschichtung von Teleskopobjektiven besteht in der Regel aus Magnesiumfluorid.

Ein Teleskopspiegel kann aus Glas hergestellt werden, das etwas weniger rein ist als das, das für die Herstellung einer Linse verwendet wird, da kein Licht durch ihn hindurchtritt. Oft wird ein starkes, temperaturbeständiges Glas wie Pyrex verwendet. Pyrex ist ein Markenname für Glas, das aus Siliziumdioxid, Boroxid und Aluminiumoxid besteht. Die reflektierende Beschichtung von Teleskopspiegeln besteht normalerweise aus Aluminium, und die Schutzschicht auf der reflektierenden Beschichtung besteht normalerweise aus Siliziumdioxid.

Hardwarekomponenten, die direkt am optischen System beteiligt sind, werden in der Regel aus Stahl oder Stahl und Zink hergestellt Legierungen. Weniger kritische Teile können aus leichten, kostengünstigen Materialien wie Aluminium oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff, allgemein als ABS bezeichnet, hergestellt werden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Herstellen der Hardwarekomponenten

• 1 Beschlagteile aus Metall werden mit handelsüblichen Metallbearbeitungsmaschinen wie Drehmaschinen und Bohrmaschinen hergestellt.
• 2 Bauteile aus ABS-Kunststoff (üblicherweise der Außenkörper des Teleskops) werden im sogenannten Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei wird der Kunststoff aufgeschmolzen und unter Druck in eine Form in Form des Endprodukts gepresst. Man lässt den Kunststoff wieder zu einem Feststoff abkühlen und öffnet die Form, damit das Bauteil entnommen werden kann.

Optisches Glas herstellen

• 3 Der Glashersteller mischt die richtigen Rohstoffe mit Altglas der gleichen Art wie das herzustellende Glas. Dieses Altglas, bekannt als Scherben, wirkt als Flussmittel; das heißt, es bewirkt, dass die Rohstoffe bei einer niedrigeren Temperatur miteinander reagieren, als sie es ohne sie tun würden.
• 4 Diese Mischung wird in einem Glasofen erhitzt, bis sie zu einer Flüssigkeit geschmolzen ist. Die zur Bildung von geschmolzenem Glas erforderliche Temperatur variiert mit der Art des hergestellten Glases, beträgt jedoch typischerweise etwa 2550 °F (1400 °C).
• 5 Die Temperatur des geschmolzenen Glases wird auf etwa 2820 °F (1550 °C) erhöht, um Luftblasen an die Oberfläche zu bringen. Es wird dann unter ständigem Rühren abkühlen gelassen, bis es etwa 1830 °F (1000 °C) erreicht hat, an welchem ​​Punkt es eine extrem dicke Flüssigkeit ist. Dieses zähflüssige, geschmolzene Glas wird in Formen gegossen, die ungefähr die Form der benötigten Linsen haben.
• 6 Nachdem das Glas auf etwa 570 °F (300 °C) abgekühlt ist, muss es erneut auf etwa 1020 °F (550 °C) erhitzt werden, um innere Spannungen zu beseitigen, die sich während der anfänglichen Abkühlzeit bilden und das Glas schwächen . Anschließend lässt man langsam auf Raumtemperatur abkühlen. Dieser Vorgang wird als Glühen bezeichnet. Die letzten linsenförmigen Glasbrocken werden als Rohlinge bezeichnet.

Herstellung der Linsen

Die Rohlinge werden beim Teleskophersteller in drei Schritten bearbeitet:Schneiden, Schleifen und Polieren. Ein Spiegel wird genauso wie eine Linse geformt, bis die reflektierende Beschichtung aufgebracht wird.

• 7 Zuerst ein rotierender Hochgeschwindigkeits-Zylinderschneider mit einer runden Diamantklinge, bekannt als Kurvengenerator, rasiert die Linsenoberfläche, bis eine genaue Annäherung an die gewünschte Kurve erreicht ist. Die geschliffene Linse wird mit einem Sphärometer zur Kontrolle der Krümmung inspiziert und bei Bedarf nachgeschnitten. Die zum Schneiden erforderliche Zeit variiert stark mit der Art des zu schneidenden Glases und der Art der zu formenden Linse. Eine Linse kann mehrere Schnitte erfordern, von denen jeder von einigen Minuten bis zu mehr als einer halben Stunde dauern kann.
• 8 Mehrere geschnittene Rohlinge werden so auf einen gebogenen Block gelegt, dass ihre Oberflächen so ausgerichtet sind, als ob sie alle Teil einer großen Kugelkurve wären. Dies ist notwendig, damit die Schleifmaschine sie alle gleich schleifen kann. Auf sie wird eine gusseiserne Schleiffläche, ein sogenanntes Werkzeug, aufgepresst. Während des Schleifens dreht sich der Linsenblock, während sich das Werkzeug frei darauf beliebig bewegen kann. Zwischen dem Werkzeug und dem Block fließt eine Aufschlämmung, die Wasser enthält, ein Schleifmittel zum Schleifen (normalerweise Siliziumkarbid), ein Kühlmittel, um eine Beschädigung der Linsen durch Überhitzung zu verhindern, und ein Tensid, um das Absetzen des Schleifmittels zu verhindern. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Block dreht, die auf die Linsen ausgeübte Kraft, der genaue Inhalt der Aufschlämmung und andere Variablen werden von erfahrenen Optikern kontrolliert, um genau den gewünschten Linsentyp herzustellen. Jede Linse wird noch einmal mit einem Sphärometer inspiziert und bei Bedarf nachgeschliffen. Der gesamte Schleifprozess kann zwischen einer Stunde und acht Stunden dauern. Die geschliffenen Linsen werden gereinigt und in den Polierraum gebracht.
• 9 Die Poliermaschine ähnelt der Schleifmaschine, aber das Werkzeug besteht aus Pech – einer dicken, weichen, harzigen Substanz, die aus Kohlenteer oder Holzteer gewonnen wird. Ein Pechwerkzeug wird hergestellt, indem man Klebeband um den Umfang einer gebogenen Schüssel legt, heißes, flüssiges Pech mit anderen Zutaten wie Bienenwachs und Juweliersrouge eingießt und es lässt abkühlen wieder zu einem Feststoff. Ein Pitch-Tool kann etwa 50 Linsen polieren, bevor es umgeformt werden muss. Das Polieren verläuft wie beim Schleifen, jedoch enthält die Aufschlämmung anstelle eines Schleifmittels eine Poliersubstanz, meist Cerdioxid, in Form eines sehr feinen rosa Pulvers. Die polierten Linsen werden optisch inspiziert und bei Bedarf nachpoliert. Der Poliervorgang kann zwischen einer halben Stunde und vier oder fünf Stunden dauern. Die Linsen werden gereinigt und sind bereit für die Beschichtung.

Auftragen von Beschichtungen

• 10 Um aus einer Linse einen Spiegel zu machen, wird eine sehr dünne, sehr glatte Aluminiumschicht aufgetragen. Aluminium wird im Vakuum erhitzt, um einen Dampf zu bilden. Auf die Linsenoberfläche wird eine negative elektrostatische Ladung aufgebracht, so dass die positiv geladenen Aluminiumionen von ihr angezogen werden. Ähnliche Verfahren werden befolgt, um eine Beschichtung aus Siliziumdioxid aufzubringen, um die zerbrechliche Oberfläche eines Spiegels zu schützen, oder um eine Antireflexbeschichtung aus Magnesiumfluorid auf die Oberfläche einer Linse aufzubringen. Die fertige Linse oder der Spiegel wird geprüft, mit Herstellungsdatum und Seriennummer versehen und bis zur Verwendung gelagert.

Teleskop zusammenbauen und versenden

• 11 Die Hardwarekomponenten, Linsen und Spiegel, die für die Herstellung eines bestimmten Teleskopmodells erforderlich sind, werden in einem Fließbandprozess von Hand zusammengebaut. Das fertige Teleskop ist mit eng anliegendem Polystyrolschaum verpackt, um es vor Transportschäden zu schützen. Das Teleskop wird in einem Karton verpackt und an den Einzelhändler oder Verbraucher versandt.

Qualitätskontrolle

Der wichtigste Aspekt der Qualitätskontrolle eines optischen Teleskops ist die Genauigkeit der Linsen und Spiegel. Während des Schneidens und Schleifens werden die physikalischen Abmessungen der Linse sehr sorgfältig gemessen. Die Dicke und der Durchmesser der Linse werden mit einem Messschieber gemessen, einem Instrument, das an einen Schraubenschlüssel erinnert. Die äußere, feste Backe des Bremssattels wird an eine Seite der Linse angelegt und die innere, verschiebbare Backe wird sanft bewegt, bis sie auf die andere Seite der Linse trifft. Bei einem klassischen Messschieber werden die Abmessungen der Linse sehr genau über eine mit dem Innenkiefer mitfahrende Skala abgelesen, die mit einer feststehenden, am Außenkiefer angebrachten Skala verglichen wird. Diese Art von Messschieber funktioniert ähnlich wie ein Rechenschieber. Es gibt auch elektronische Versionen dieses Instruments, bei denen das gemessene Maß automatisch auf einer digitalen Anzeige angezeigt wird.

Die Krümmung einer Linse wird mit einem Sphärometer gemessen, einem Gerät, das einer Taschenuhr ähnelt, aus der drei kleine Stifte herausragen. Die äußeren beiden Stifte sind fixiert, während der innere Stift frei ein- und ausfahren kann. Das Sphärometer wird vorsichtig auf die Oberfläche der Linse gelegt. Je nach Kurventyp ist der mittlere Pin entweder höher als die anderen beiden Pins oder niedriger als die anderen beiden Pins. Die Bewegung des inneren Stifts bewegt eine Nadel auf einem kalibrierten Zifferblatt auf der Vorderseite des Sphärometers. Dieser Wert wird mit dem Standardwert verglichen, der für die gewünschte Krümmung erhalten werden sollte.

Die Toleranzen variieren mit dem hergestellten Linsentyp, aber eine typische akzeptable Abweichung kann plus oder minus 0,0008 Zoll (20 Mikrometer) betragen. Bei einer flachen Linse, die im Allgemeinen dazu bestimmt ist, ein flacher Spiegel zu werden, ist die Toleranz viel kleiner, normalerweise etwa plus oder minus 0,00004 Zoll (1,0 Mikrometer).

Während der Polierphase sind diese Instrumente nicht genau genug, um sicherzustellen, dass die Linse richtig funktioniert. Optische Tests, die die Lichtbeeinflussung durch die Linse messen, müssen verwendet werden. Ein üblicher Test ist als Autokollimationstest bekannt. Die Linse wird in einem dunklen Raum platziert und mit einer punktförmigen Lichtquelle geringer Intensität beleuchtet. Ein Beugungsgitter (eine Oberfläche mit Tausenden von mikroskopischen parallelen Rillen pro Zoll) wird an dem Punkt platziert, an dem die Linse das Licht fokussieren soll. Durch das Gitter entsteht vor und hinter dem Brennpunkt ein Interferenzmuster aus dunklen und hellen Linien. Somit kann der wahre Brennpunkt genau gefunden und mit dem theoretischen Brennpunkt für den gewünschten Linsentyp verglichen werden.

Um eine flache Linse zu prüfen, wird eine als flach bekannte Linse mit der Vorderseite nach unten auf die zu prüfende Linse gelegt, die auf einem Stück schwarzem Filz ruht. Durch die mikroskopischen Lücken zwischen den beiden Linsen entsteht bei leichtem Druck ein Interferenzmuster. Die hellen und dunklen Linien werden als Newtonsche Ringe bezeichnet. Wenn das getestete Objektiv flach ist, sollten die Linien gerade und regelmäßig sein. Wenn die Linse nicht flach ist, werden die Linien gekrümmt.

Die Zukunft

Die Techniken zur Herstellung hervorragender Linsen und Spiegel sind seit vielen Jahren gut bekannt, und größere Innovationen in diesem Bereich sind unwahrscheinlich. Ein aktiver Forschungsbereich ist die Beschichtungstechnologie. Neue Beschichtungsstoffe können entwickelt werden, um einen besseren Schutz für Spiegel und eine bessere Verhinderung von Lichtverlust durch Reflexion für Linsen zu bieten.

Ein dramatischerer Bereich des Fortschritts liegt im elektronischen Zubehör, das Teleskope begleitet. Amateurastronomen werden bald Teleskope mit eingebauten Computer-Führungssystemen erhalten, die es ihnen ermöglichen, das Teleskop automatisch auf ein ausgewähltes Himmelsobjekt auszurichten und es Nacht für Nacht zu verfolgen. Außerdem können sie Videokameras an ihren Teleskopen anbringen und astronomische Phänomene wie Mondfinsternisse oder die Bewegungen von Planeten und Monden filmen.