Ultrastabile Materialien genau untersucht
Thermische Ausdehnung bei tiefen Temperaturen für zukünftige Weltraummissionen gemessen
Weltraumteleskope können vom Weltraum aus Spektralbereiche untersuchen, die von der Erde aus nicht zugänglich sind. Wie entscheidend es für den Bau solcher Teleskope ist, das thermische Ausdehnungsverhalten der verwendeten Materialien genau zu kennen, wurde bei der Herschel-Mission deutlich, als die vorab durchgeführten Simulationen letztlich nicht mit den gefertigten Spiegeln übereinstimmten. Zwar wurden die Unstimmigkeiten nicht erst im Weltraum entdeckt, aber sie führten zu unnötigen Verzögerungen. Um derartige Überraschungen zu vermeiden, waren genauere Untersuchungen der verwendeten Materialien erforderlich. Im Rahmen des ESA-Projektes untersuchten die PTBWissenschaftler die Längenausdehnung der speziellen ultrastabilen Keramiken wie etwa Siliziumkarbid in einem Temperaturbereich von -266 °C bis +20 °C mit Nanometer- Genauigkeit. In weiten Teilen dieses Temperaturbereichs entspricht die erreichte Genauigkeit einer relativen Längenänderung von etwa einem Milliardstel pro Grad Celsius.
Das eingesetzte Ultrapräzisionsinterferometer der PTB gilt als weltweit einzigartig. Um Messungen mit ähnlicher Genauigkeit auch in anderen Instituten und mit weniger Aufwand durchführen zu können, werden üblicherweise Referenzmaterialien mit genau bekannter thermischer Ausdehnung als Vergleich herangezogen. Ein solches Referenzmaterial, einkristallines Silizium, ist in dem Projekt ebenfalls untersucht worden. Dabei zeigten sich in einem weiten Temperaturbereich signifikante Abweichungen von den bisherigen Referenzwerten für kristallines Silizium.
Die Ergebnisse sind von Bedeutung für weitere, bereits geplante Weltraumteleskope. Durch geschicktes Vermeiden jeglicher Strahlungswärme werden beim James-Webb-Weltraumteleskop Einsatztemperaturen unterhalb von -220 °C herrschen. Beim Infrarot-Weltraumteleskop für Kosmologie und Astrophysik (SPICA) könnten die Temperaturen sogar noch darunter liegen.
Ansprechpartner
René Schödel
Fachbereich 5.4 Interferometrie an Maßverkörperungen
(0531) 592-5400
rene.schoedel(at)ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
T. Middelmann, A. Walkov, G. Bartl, R. Schödel: Thermal expansion coefficient of single-crystal silicon from 7 K to 293 K. Phys. Rev. B 92, 174113 (2015)