10 пикометров до чуда: сверхстабильные телескопы и материал с «обратной логикой»
Новый сплав позволяет создавать сверхстабильные структуры, необходимые для открытия экзопланет
Одна из величайших загадок человечества — одиноки ли мы во Вселенной. Современные астрофизические миссии НАСА направлены на поиск экзопланет, способных поддерживать жизнь, но для этого требуются телескопы невероятной точности. Главное препятствие — тепловые деформации конструкций, которые искажают наблюдения.
Однако прорывный материал, разработанный компанией ALLVAR, может изменить правила игры. Этот сплав обладает уникальным свойством: он сжимается при нагревании и расширяется при охлаждении, что позволяет компенсировать тепловые искажения в космических телескопах. Такая технология способна повысить стабильность конструкций в 200 раз, приближая нас к обнаружению далеких обитаемых миров.
Проблема стабильности в космических телескопах
Современные и будущие обсерватории, такие как телескопы Джеймс Уэбб и Нэнси Грейс Роман, сталкиваются с фундаментальными ограничениями, связанными с тепловым расширением материалов. Даже минимальные колебания температуры вызывают микроскопические деформации, которые искажают оптику.
Для будущей Обитаемой обсерватории миров (Habitable Worlds Observatory, HWO) НАСА потребуется стабильность в 10 пикометров (1/10 диаметра атома) в течение нескольких часов наблюдений. Достичь этого с традиционными материалами невозможно, поскольку алюминий, титан и даже инвар (сплав с крайне низким тепловым расширением) все же подвержены температурным изменениям.
Сплавы с отрицательным тепловым расширением (NTE)
Компания ALLVAR, при поддержке НАСА, разработала сплав ALLVAR 30, который демонстрирует коэффициент теплового расширения -30 ppm/°C. Это означает, что при нагреве на 1°C метр этого материала сожмется на 0,003 мм, тогда как алюминий, напротив, расширится на 0,023 мм. Благодаря этому свойству, сплав можно использовать для компенсации тепловых деформаций в конструкциях телескопов.
Чтобы проверить эффективность материала, команда ALLVAR создала экспериментальную гексаподную конструкцию, разделяющую два зеркала. В ней использовались:
- Инвар (низкое тепловое расширение) — для крепления зеркал,
- Титановый сплав Ti6Al4V — для гибких соединений,
- Трубки из ALLVAR 30 — для компенсации расширения.
Испытания показали, что система достигла стабильности 11 pm/√Hz, что близко к целевому значению 10 pm, необходимому для будущих миссий.
Помимо телескопов, сплавы NTE могут найти применение в криогенных системах (например, в коронографе телескопа Нэнси Грейс Роман), пассивных тепловых переключателях (используются в лунном эксперименте LuSEE Night), а также болтовых соединениях и инфракрасной оптике, где температурные колебания критичны.
Перспективы и коммерциализация
Финансирование НАСА по программе SBIR позволило ALLVAR не только масштабировать производство, но и разработать новый сплав с настраиваемым коэффициентом теплового расширения, вплоть до нулевого. Это открывает возможности для применения в вантовых вычислениях (стабилизация кубитов), аэрокосмической промышленности и медицинской визуализации (например, в МРТ).
Уже сейчас компания предлагает коммерческие решения, такие, как термокомпенсирующие шайбы, которые поддерживают постоянную нагрузку в экстремальных условиях.
Материалы с отрицательным тепловым расширением — это не просто научная диковинка, а ключевая технология для следующего поколения космических миссий. Они способны революционизировать астрофизику, позволив обнаруживать экзопланеты земного типа, а также найти применение в других высокотехнологичных отраслях.