Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben es seit ihrer ersten Herstellung geschafft, in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Aufsehen zu erregen. Bei Anwendungen, die von der Wasseraufbereitung und Elektronik bis hin zu Biomedizin und Bauwesen reichen, sollte dies keine Überraschung sein. Ein Team von NASA-Ingenieuren vom Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, hat jedoch Pionierarbeit bei der Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für einen weiteren Zweck geleistet – weltraumgestützte Teleskope.
Mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen hat das Goddard-Team unter der Leitung von Dr. Theodor Kostiuk vom Planetary Systems Laboratory and Solar System Exploration Division der NASA einen revolutionären neuen Typ von Teleskopspiegel geschaffen. Diese Spiegel werden als Teil eines CubeSat eingesetzt, einer, der eine neue Generation kostengünstiger, hocheffektiver weltraumgestützter Teleskope darstellen könnte.
Diese neueste Innovation nutzt auch einen anderen Bereich, der in letzter Zeit stark weiterentwickelt wurde. CubeSats haben, wie auch andere Kleinsatelliten, in den letzten Jahren eine immer wichtigere Rolle gespielt. Im Gegensatz zu den größeren, sperrigeren Satelliten von einst sind Miniatursatelliten eine kostengünstige Plattform für die Durchführung von Weltraummissionen und wissenschaftlicher Forschung.
Dr. Ted Kostiuk (Mitte), flankiert von John Kolasinski (links) und Tilak Hewagama (rechts), hält Spiegel aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einem Epoxidharz. Bildnachweis: NASA/W. Hrybyk
Über die Raumfahrtbehörden des Bundes wie die NASA hinaus bieten sie auch privaten Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Möglichkeit, aus dem Weltraum zu kommunizieren, zu forschen und zu beobachten. Darüber hinaus sind sie auch eine kostengünstige Möglichkeit, Studenten in allen Phasen des Satellitenbaus, der Bereitstellung und der weltraumgestützten Forschung zu engagieren.
Zugegeben, Missionen, die auf Miniatursatelliten angewiesen sind, werden wahrscheinlich nicht das gleiche Interesse oder wissenschaftliche Forschung erzeugen wie groß angelegte Operationen wie die Juno-Mission oder der Neue Horizonte Weltraumsonde. Aber sie können im Rahmen größerer Missionen wichtige Informationen liefern oder in Gruppen arbeiten, um größere Datenmengen zu sammeln.
Mit Hilfe von Mitteln aus dem internen Forschungs- und Entwicklungsprogramm von Goddard erstellte das Team eine optische Laborbank aus regulären Standardkomponenten, um das Gesamtdesign des Teleskops zu testen. Diese Bank besteht aus einer Reihe von Miniaturspektrometern, die auf die ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarotwellenlängen abgestimmt sind und über ein optisches Kabel mit dem fokussierten Strahl der Nanoröhrenspiegel verbunden sind.
Mit dieser Bank testet das Team die optischen Spiegel, um zu sehen, wie sie verschiedenen Lichtwellenlängen standhalten. Peter Chen – der Präsident von Lightweight Telescopes, einem in Maryland ansässigen Unternehmen – ist einer der Auftragnehmer, die mit dem Goddard-Team an der Entwicklung des CubeSat-Teleskops zusammenarbeiten. Wie er kürzlich von einer NASA zitiert wurde Pressemitteilung :
„Niemand war in der Lage, einen Spiegel mit einem Kohlenstoff-Nanoröhren-Harz herzustellen. Dies ist eine einzigartige Technologie, die derzeit nur bei Goddard erhältlich ist. Die Technologie ist zu neu, um im Weltraum zu fliegen, und muss zuerst die verschiedenen technologischen Fortschritte durchlaufen. Aber genau das versuchen meine Goddard-Kollegen (Kostiuk, Tilak Hewagama und John Kolasinski) durch das CubeSat-Programm zu erreichen.
Das Labor-Steckbrett, mit dem ein konzeptionelles Teleskop für den Einsatz bei CubeSat-Missionen getestet wird. Credits: NASA/W. Hrybyk
Im Gegensatz zu anderen Spiegeln wurde der von Dr. Kostiuks Team hergestellte aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt, die in ein Epoxidharz eingebettet sind. Natürlich bieten Kohlenstoffnanoröhren eine Vielzahl von Vorteilen, nicht zuletzt strukturelle Festigkeit, einzigartige elektrische Eigenschaften und effiziente Wärmeleitung. Aber auch für ihre Linsen hat sich das Goddard-Team für dieses Material entschieden, weil es eine leichte, hochstabile und gut reproduzierbare Möglichkeit bietet, Teleskopspiegel herzustellen.
Außerdem müssen Spiegel aus Carbon-Nanoröhren nicht poliert werden, was bei weltraumgestützten Teleskopen ein zeit- und kostenintensiver Prozess ist. Das Team hofft, dass sich diese neue Methode bei der Entwicklung einer neuen Klasse kostengünstiger CubeSat-Weltraumteleskope als nützlich erweisen und zur Kostensenkung bei größeren boden- und weltraumgestützten Teleskopen beitragen wird.
Solche Spiegel wären besonders nützlich in Teleskopen, die mehrere Spiegelsegmente verwenden (wie das Keck-Observatorium auf dem Mauna Kea und das James Webb-Weltraumteleskop). Solche Spiegel wären ein echter Kostensenker, da sie einfach herzustellen sind und teures Polieren und Schleifen überflüssig machen würden.
Andere potenzielle Anwendungen umfassen Weltraumkommunikation, verbesserte Elektronik und Konstruktionsmaterialien für Raumfahrzeuge. Derzeit ist die Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhrchen recht begrenzt. Aber mit zunehmender Verbreitung können wir erwarten, dass dieses Wundermaterial in alle Aspekte der Weltraumforschung und -forschung Einzug hält.
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