Afbeelding tegoed: University of Arizona
Meer dan 30 jaar geleden kwam Dr. Roger Angel naar de Universiteit van Arizona, aangetrokken door de gunstige omstandigheden voor astronomische waarneming in het gebied van Tucson, Arizona: verschillende telescopen zijn handig in de buurt en natuurlijk is het weer heerlijk gematigd. Maar nu stelt Angel voor om een telescoop te bouwen op een locatie die wat verder weg ligt en niet zo zacht: een poolkrater op de maan.
Bekend om zijn innovaties in lichtgewicht telescoopspiegels en adaptieve optica, leidt Angel nu een team van wetenschappers uit de VS en Canada die de haalbaarheid onderzoeken om een Deep-Field Infrared Observatory te bouwen nabij een van de maanpalen met behulp van een Liquid Mirror Telescope (LMT) ).
Dit concept is een van de 12 voorstellen die afgelopen oktober zijn begonnen met financiering van het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Elk krijgt $ 75.000 voor zes maanden onderzoek om eerste studies te maken en uitdagingen in ontwikkeling te identificeren. Projecten die de eerste fase doorstaan, komen in aanmerking voor maar liefst $ 400.000 meer over twee jaar.
LMT's worden gemaakt door een reflecterende vloeistof, meestal kwik, op een komvormig platform te spinnen om een parabolisch oppervlak te vormen, perfect voor astronomische optica. Isaac Newton stelde oorspronkelijk de theorie voor, maar de technologie om zo'n apparaat daadwerkelijk te creëren is pas recentelijk ontwikkeld. Slechts een handvol LMT's worden tegenwoordig gebruikt, waaronder een 6 meter lange LMT in Vancouver, Canada, en een versie van 3 meter die NASA gebruikt voor zijn Orbital Debris Observatory in New Mexico.
Op aarde zijn LMT's beperkt in omvang tot ongeveer 6 meter in diameter omdat de zelf opgewekte wind die ontstaat door het draaien van de telescoop het oppervlak verstoort. Bovendien zijn LMT's, net als andere op aarde gebaseerde telescopen, onderhevig aan atmosferische absorptie en vervorming, waardoor het bereik en de gevoeligheid van infraroodwaarneming aanzienlijk worden verminderd. Maar de atmosfeervrije maan, zegt Angel, biedt de perfecte locatie voor dit type telescoop terwijl het de zwaartekracht levert die nodig is om de parabolische spiegel te vormen.
Het potentieel van een LMT op de maan is om een hele grote telescoop te maken. Ter referentie: de Hubble-ruimtetelescoop heeft een spiegel van 2,4 meter en de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) die wordt ontwikkeld voor lancering in 2011, heeft een spiegel van 6 meter. Het concept voor Angel's NIAC-voorstel is een spiegel van 20 meter, maar met het onderzoek dat het team tot nu toe heeft gedaan, kijken ze nu naar het maken van zeer grote spiegels, waarbij 100 meter de grote optie is. Ze overwegen ook kleinere LMT's. "We kunnen natuurlijk niet naar de maan gaan en het eerste ding een spiegel van 100 meter maken", zei Angel. "We kijken naar een reeks schaalgroottes van 2 meter, 20 meter en 100 meter en kijken wat het potentieel is voor elk ervan." Angel gelooft dat de telescoop van 2 meter kan worden gemaakt zonder enige menselijke aanwezigheid op de maan en kan worden opgezet als een robottelescoop, net zoals de wetenschappelijke instrumenten op de Mars-rovers nu werken.
De beperking van een vloeibare spiegel is dat deze alleen recht omhoog wijst, dus het is niet zoals een standaardtelescoop die in elke richting kan worden gericht en objecten in de lucht kan volgen. Het kijkt alleen naar het hemelgebied dat zich direct boven het hoofd bevindt.
Het wetenschappelijke doel van een LMT is dus niet om over de hele lucht te kijken, maar om één gebied van de ruimte in te nemen en er intensief naar te kijken. Dit type astronomie is zeer "winstgevend" geweest, zoals Angel het beschreef, in termen van de schat aan informatie die is verzameld. Enkele van de meest productieve wetenschappelijke inspanningen van de Hubble-ruimtetelescoop waren de 'Deep Field'-foto's.
Om te allen tijde maar naar één gebied in de ruimte te kunnen kijken, drijft Angel en zijn team naar een van de maanpalen te kijken voor de beste locatie voor deze telescoop. Net als bij de polen van de aarde, biedt recht omhoog kijken vanaf de polen op de maan altijd hetzelfde extragalactische gezichtsveld. "Als we naar de noord- of zuidpool van de maan gaan, gaan we de hele tijd een stukje lucht in beeld brengen, en dat stelt je in staat een extreem diepe integratie te maken, veel dieper zelfs dan het Hubble Deep Field." Combineer dat met een groot diafragma en deze telescoop zou een waarnemingsdiepte bieden die ongeëvenaard zou zijn met elke telescoop op aarde of in de ruimte. 'Dat is de nis of de bijzondere kracht van deze telescoop,' zei Angel.
Een ander voordeel van vloeibare spiegels is dat ze erg goedkoop zijn in vergelijking met het proces van het maken van een standaardspiegel door een groot, stijf stuk glas te maken, te polijsten en te testen, of door kleinere stukjes te maken die moeten worden gepolijst, getest en vervolgens zeer samengevoegd nauwkeurig. Bovendien hebben LMT's geen dure houders, steunen, volgsystemen of een dome nodig.
"De totale kosten van de James Webb-telescoop zullen naar verwachting meer dan een miljard dollar bedragen, met het prijskaartje op de spiegel alleen al rond een kwart miljoen dollar," zei Angel. "Die spiegel is 6 meter, dus als we die technologie opschalen naar nog grotere spiegels in de ruimte, gaan we uiteindelijk de bank breken en kunnen we ze ons niet veroorloven door de huidige technologie om de gepolijste spiegel te maken en het naar de ruimte brengen. '
Hoewel de 2 meter telescoop een prototype zou zijn, zou hij nog steeds astronomisch waardevol zijn. "We zouden dingen kunnen doen die complementair zijn aan de Spitzer-ruimtetelescoop en de Webb-telescoop, aangezien de 2 meter telescoop op de maan het gebied tussen die twee telescopen zou vullen." Een spiegel van 20 meter zou een resolutie opleveren die driemaal groter is dan die van de JWST, en door de “sluiter” voor langere tijd, zoals een jaar, te integreren of open te laten, konden objecten 100 keer zwakker worden bekeken. Een spiegel van 100 meter zou gegevens opleveren die buiten de hitlijsten vallen.
Een van de uitdagingen bij het ontwikkelen van een LMT op de maan is om de lagers te creëren om het platform soepel en met een constante snelheid te laten draaien. Luchtlagers worden gebruikt voor LMT's op aarde, maar zonder lucht op de maan is dat onmogelijk. Angel en zijn team kijken naar cryogene levitatielagers, vergelijkbaar met wat wordt gebruikt voor magnetische levitatietreinen om een wrijvingsloze beweging te krijgen door een magnetisch veld te gebruiken. Angel voegde toe: “Als een bonus kun je dat doen met de lage temperaturen op de maan zonder energie te verbruiken, omdat je een supergeleidende magneet kunt maken waarmee je een levitatie-lager kunt maken dat geen continue invoer van elektrisch vermogen vereist. "
Angel noemde de lagers een cruciaal onderdeel van de telescoop. "Omdat er geen lucht op de maan is om wind te creëren, is er geen limiet aan de grootte of het bereiken van de nauwkeurigheid die je nodig hebt, zolang de peiling in orde is", zei Angel.
Een evolutie van het project sinds het ontvangen van de NIAC-financiering is de locatie van de telescoop. In het eerste voorstel gaf Angel's team de voorkeur aan de zuidpool van de maan in de Shackleton-krater. Maar de noordpool biedt eigenlijk een beter gezichtsveld voor extragalactische waarneming, realiseerden ze zich, en Angel wacht op gegevens van de SMART-1-maanorbiter van de European Space Agency die onlangs begon met het onderzoeken van de poolgebieden van de maan.
'In de poolgebieden zijn er kraters waar de zon nooit oplicht en de grond nooit verwarmt', zei Angel. 'Het is daar extreem koud, niet te ver boven het absolute nulpunt. In plaats van de telescoop onder zulke vijandige omstandigheden te bouwen, zouden we proberen de telescoop te bouwen op een piek van een van de polen, waar er bijna continu zonlicht zou zijn. Dit zou zonne-energie leveren en de omstandigheden zouden beter zijn voor de mensen die daar wonen. Het enige wat je hoeft te doen is een cilindrisch Mylar-scherm om de telescoop te plaatsen om te voorkomen dat de zon het ooit raakt en het zal afkoelen, net als op de bodem van de kraters. '
Bij infraroodobservatie is een koude telescoop essentieel om koudere en zwakkere objecten in de ruimte te kunnen zien. De telescoop op bijna absoluut nul hebben (0 graden Kelvin, -273 C, -460 F) zou ideaal zijn. Aangezien kwik bij die temperaturen zal bevriezen, is een andere uitdaging voor het project het vinden van de juiste vloeistof om voor de spiegel te draaien. Sommige kandidaten zijn ethaan, methaan en andere kleine koolwaterstoffen, zoals de vloeistoffen die op Titan werden gevonden door de Huygens-sonde, die op 14 januari op de grootste maan van Saturnus landde.
'Maar deze vloeistoffen zijn niet glanzend, dus je moet erachter komen hoe je een glanzend metaal zoals aluminium rechtstreeks op het oppervlak van de vloeistof kunt afzetten', zei Angel. “Normaal gesproken maken we bij het maken van een astronomische telescoop de spiegels van glas, dat reflecteert niet veel en dan verdamp je aluminium of zilver op het glas. Op de maan zouden we het metaal op de vloeistof moeten verdampen in plaats van op het glas. '
Dat is een van de belangrijkste onderzoeksgebieden onder de NIAC-prijs. In eerste studies heeft Angel's team een metaal kunnen verdampen tot een vloeistof, hoewel nog niet bij de vereiste koude temperaturen. Ze worden echter aangemoedigd door de resultaten tot dusver.
Angel's team is atypisch voor een NIAC-project, omdat het een internationale samenwerking is en NIAC geen internationale partners financiert. "Het komt voor dat de wereldexperts op het gebied van het maken van draaiende telescopen met vloeibare spiegel allemaal in Canada zijn, dus het was een beetje essentieel dat als we erover denken om dat op de maan te doen, we ze binnenhalen", zei Angel. 'Gelukkig zijn ze als het ware met hun eigen ticket binnengekomen en zijn ze enthousiast over het project.'
De Canadese leden van het team zijn Emanno Borra, van de Laval University in Quebec, die sinds het begin van de jaren tachtig LMT's onderzoekt en bouwt, en Paul Hickson, van de University of British Columbia, die met hulp van Borra de 6 meter lange LMT heeft gebouwd in Vancouver. Andere medewerkers zijn onder meer Ki Ma aan de Universiteit van Texas in Houston, een expert op het gebied van cryogene lagers, Warren Davison van de Universiteit van Arizona, een werktuigbouwkundig expert in telescopen, en afgestudeerde student Suresh Sivanandam.
NIAC is in 1998 opgericht om revolutionaire concepten te vragen aan mensen en organisaties buiten de ruimtevaartorganisatie die de missies van NASA kunnen bevorderen. De winnende concepten zijn gekozen omdat ze 'de grenzen van bekende wetenschap en technologie verleggen' en 'relevantie tonen voor de NASA-missie', aldus NASA. De ontwikkeling van deze concepten zal naar verwachting minstens tien jaar duren.
Angel zegt dat het ontvangen van de NIAC-prijs een geweldige kans is. "We zullen ongetwijfeld een voorstel schrijven voor fase II (van de NIAC-financiering)", zei hij. "We hebben tijdens fase I vastgesteld wat enkele van de meest cruciale problemen in dit project zijn en welke praktische stappen we nu moeten nemen. We hebben enkele vragen geopend en er zijn enkele eenvoudige tests die we kunnen doen om te zien of er showstoppers zijn of niet. "
De grootste hindernis bij het realiseren van het Lunar Infrared Observatory is hoogstwaarschijnlijk volledig uit de handen van Angel. 'De maan is een heel interessante plek om wetenschap te doen', zei Angel. "Het is echter gebaseerd op een aanzienlijke inzet van middelen door NASA om terug te keren naar de maan." Om de grote telescopen van 20 of 100 meter te bouwen, zou er zeker een bemande aanwezigheid op de maan moeten zijn. "Dus," vervolgde Angel, "door je wetenschap in die richting te liften, word je de staart van een hele grote hond waar je absoluut geen controle over hebt"?
Angel hoopt dat NASA en de Verenigde Staten het momentum van de Vision for Space Exploration kunnen behouden en naar de maan kunnen terugkeren. 'Uiteindelijk denk ik dat mensen de ruimte in gaan om iets te doen, en dat ze dat ooit zullen doen', zei Angel. 'Als dat gebeurt, is het belangrijk om interessante dingen te doen als we daar eenmaal zijn. We moeten weten waarom we het oppervlak van deze planeet hebben verlaten om naar de maan te gaan. We zijn aan het verkennen, ja, maar we kunnen niet alleen de maan verkennen, maar die gebruiken als een plek om wetenschappelijk onderzoek te doen buiten de maan. Ik denk dat het iets is dat in het grote geheel moet gebeuren. "
Nancy Atkinson is een freelance schrijver en NASA Solar System Ambassador. Ze woont in Illinois.
