Seit Astronomen Teleskope einsetzen, um den Himmel besser sehen zu können, haben sie mit einem grundlegenden Rätsel zu kämpfen. Neben der Vergrößerung müssen Teleskope auch in der Lage sein, die kleinen Details eines Objekts aufzulösen, damit wir sie besser verstehen können. Um dies zu erreichen, müssen immer größere Lichtsammelspiegel gebaut werden, was Instrumente mit größerer Größe, höheren Kosten und größerer Komplexität erfordert.
Wissenschaftler des Space Flight Center der NASA Goddard arbeiten jedoch an einer kostengünstigen Alternative. Anstatt sich auf große und unpraktische Teleskope mit großer Apertur zu verlassen, haben sie ein Gerät vorgeschlagen, das winzige Details auflösen kann, während es nur einen Bruchteil der Größe ausmacht. Es ist als Photonensieb bekannt und wurde speziell entwickelt, um die Korona der Sonne im ultravioletten Bereich zu untersuchen.
Grundsätzlich ist das Photonensieb eine Variation der Fresnel-Zonenplatte, eine Form der Optik, die aus eng beieinander liegenden Ringsätzen besteht, die sich zwischen transparent und opak abwechseln. Im Gegensatz zu Teleskopen, die Licht durch Brechung oder Reflexion fokussieren, bewirken diese Platten, dass Licht durch transparente Öffnungen gebeugt wird. Auf der anderen Seite überlappt sich das Licht und wird dann auf einen bestimmten Punkt fokussiert, wodurch ein Bild entsteht, das aufgenommen werden kann.
Das Photonensieb arbeitet nach den gleichen Grundprinzipien, jedoch mit einer etwas ausgefeilteren Drehung. Anstelle dünner Öffnungen (d. H. Fresnel-Zonen) besteht das Sieb aus einer kreisförmigen Siliziumlinse, die mit Millionen winziger Löcher übersät ist. Obwohl ein solches Gerät möglicherweise bei allen Wellenlängen nützlich wäre, entwickelt das Goddard-Team speziell das Photonensieb, um eine 50 Jahre alte Frage zur Sonne zu beantworten.
Im Wesentlichen hoffen sie, die Korona der Sonne zu untersuchen, um herauszufinden, welcher Mechanismus sie erwärmt. Seit einiger Zeit wissen Wissenschaftler, dass die Korona und andere Schichten der Sonnenatmosphäre (Chromosphäre, Übergangsregion und Heliosphäre) erheblich heißer sind als ihre Oberfläche. Warum dies so ist, ist ein Rätsel geblieben. Aber vielleicht nicht mehr lange.
Wie Doug Rabin, der Leiter des Goddard-Teams, in einer Pressemitteilung der NASA sagte:
„Dies ist bereits ein Erfolg… Seit mehr als 50 Jahren besteht die zentrale unbeantwortete Frage in der solarkoronalen Wissenschaft darin, zu verstehen, wie von unten transportierte Energie die Korona erwärmen kann. Gegenwärtige Instrumente haben räumliche Auflösungen, die etwa 100-mal größer sind als die Merkmale, die beachtet werden müssen, um diesen Prozess zu verstehen. “
Mit Unterstützung des Forschungs- und Entwicklungsprogramms von Goddard hat das Team bereits drei Siebe hergestellt, die alle einen Durchmesser von 7,62 cm haben. Jede Vorrichtung enthält einen Siliziumwafer mit 16 Millionen Löchern, deren Größen und Positionen unter Verwendung einer als Photolithographie bezeichneten Herstellungstechnik bestimmt wurden - wobei Licht verwendet wird, um ein geometrisches Muster von einer Fotomaske auf eine Oberfläche zu übertragen.
Langfristig hoffen sie jedoch, ein Sieb mit einem Durchmesser von 1 Meter zu schaffen. Mit einem Instrument dieser Größe können sie eine bis zu 100-mal bessere Winkelauflösung im ultravioletten Bereich erreichen als das hochauflösende Weltraumteleskop der NASA - das Solar Dynamics Observatory. Dies würde gerade ausreichen, um einige Antworten von der Sonnenkorona zu erhalten.
In der Zwischenzeit plant das Team zu testen, ob das Sieb im Weltraum eingesetzt werden kann. Dieser Vorgang sollte weniger als ein Jahr dauern. Dies schließt ein, ob es die intensiven G-Kräfte eines Weltraumstarts sowie die extreme Umgebung des Weltraums überleben kann oder nicht. Andere Pläne sehen vor, die Technologie mit einer Reihe von CubeSats zu verbinden, damit eine Formation-Flugmission mit zwei Raumfahrzeugen durchgeführt werden kann, um die Korona der Sonne zu untersuchen.
Ein erfolgreiches Photonensieb könnte nicht nur die Geheimnisse der Sonne beleuchten, sondern auch die Optik, wie wir sie kennen, revolutionieren. Anstatt gezwungen zu sein, massive und teure Geräte in den Weltraum zu schicken (wie das Hubble-Weltraumteleskop oder das James-Webb-Teleskop), könnten Astronomen alle hochauflösenden Bilder, die sie benötigen, von Geräten erhalten, die klein genug sind, um an Bord eines Satelliten zu bleiben, der nicht mehr als misst ein paar Quadratmeter.
Dies würde neue Orte für die Weltraumforschung eröffnen und privaten Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Möglichkeit geben, detaillierte Fotos von entfernten Sternen, Planeten und anderen Himmelsobjekten zu machen. Dies wäre auch ein weiterer entscheidender Schritt, um die Erforschung des Weltraums erschwinglich und zugänglich zu machen.
