Will man ein Teleskop bauen, dann braucht man entweder eine Linse aus Glas oder einen Spiegel aus Metall. Linsenteleskop werden heute kaum mehr gebaut. Zumindest für den professionellen Einsatz sind sie zu unpraktisch. Da das Licht durch die Linse hindurch muss, kann man sie von hinten nicht stützen. Zu große Linsen können also im Teleskop nicht verbaut werden, sie wären allein durch ihr Gewicht instabil. Man kann sie nicht größer machen als etwa einen Meter. Bei Spiegeln ist das anders. In einem Spiegelteleskop – erfunden hat es übrigens der große Isaac Newton – wird das Licht vom Spiegel nur reflektiert; der Spiegel kann von hinten gestützt und damit viel größer gebaut werden. Außerdem reicht es, wenn man eine ganz dünne reflektierende Schicht aufbringt; die optischen Elemente werden also nicht so schwer wie das dicke Glas der Linsenteleskope. Um einen Spiegel zu bauen, brauchen wir reflektierendes Metall. Die Spiegel, die bei uns zu Hause überall rumhängen sind zum Beispiel mit Aluminium bedampft. Bei Metall denken wir eigentlich sofort an einen Festkörper. Es gibt aber auch Metalle, die bei normalen Temperaturen flüssig sind. Und auch aus ihnen kann man Teleskope bauen.
Schon seit der Antike war das Metall Quecksilber bekannt. Es schmilzt schon bei -39 Grad und verdampft erst bei 357 Grad, ist also in einer normalen Umgebung immer flüssig. Quecksilber ist ein glänzendes Metall. Füllt man es in eine Schale, dann erhält man eine spiegelnde Oberfläche. Aber wie baut man einen flüssigen Spiegel in ein Teleskop ein?
Zuerst muss der Spiegel die richtige Form bekommen. Für ein Teleskop kann man nicht einfach einen eben Spiegel verwenden, wie er bei uns zu Hause an der Wand hängt. Er muss eine spezielle Form haben, damit das Licht der Sterne gesammelt und zum Beobachter weitergeleitet werden kann. Man benötigt einen Parabolspiegel, eine Form wie die der Satellitenantennen, die wir uns aufs Dach montieren, wenn wir Satellitenfernsehen empfangen können. Ein echter Spiegel wird entsprechend geschliffen, bis er die richtige Form hat. Aber bei einem flüssigen Spiegel klappt das nicht. Deswegen benutzt man einen Trick.
Nimmt man eine Flüssigkeit, gibt sie in ein Gefäß und lässt dieses rotieren, dann wird sie keine ebene Oberfläche mehr bilden. Unter dem Einfluss der Schwerkraft der Erde und der Rotation wird die Flüssigkeit an den Rand des Gefäß getrieben und es entsteht – ganz natürlich – eine perfekte Parabelform! Man muss also nur ausreichend Quecksilber in der richtigen Geschwindigkeit rotieren lassen um einen wunderbaren Teleskopspiegel zu bekommen. Um einen echten Spiegel ähnlich genau in eine Parabelform zu schleifen, wäre viel, viel mehr Arbeit nötig, es würde enorm viel Zeit und Geld kosten und selbst dann wäre die Parabel nicht ganz so exakt wie die des rotierenden Quecksilbers. Rotierendes Metall liefert also bessere und billigere Spiegel. Es gibt aber auch einen ganz offensichtlichen Nachteil. Wenn man den flüssigen Spiegel kippt, dann läuft das Quecksilber aus! Der Spiegel kann also nur flach auf dem Boden liegen, das Teleskop kann immer nur gerade nach oben blicken.
Das ist nicht so schlimm wie es klingt. Schon seit es Teleskope gibt, haben die Astronomen immer auch spezielle Zentitteleskope eingesetzt. Die sind extra so montiert, dass sie nur nach oben schauen können. Man kann also nicht an beliebige Punkte des Himmels schauen, sondern muss warten, bis die Rotation der Erde die Sterne in das Blickfeld schiebt. An Sternen, die direkt über dem Teleskop – also dem Zenit – stehen, lassen sich Messungen besonders genau durchführen, denn das Licht nimmt hier den kürzesten Weg durch die Atmosphäre und wir am wenigsten gestört. Deswegen benutzt man Zenitteleskope für Präzisionsmessungen, zum Beispiel um die Position von Sternen ganz exakt bestimmen zu können oder die Schwankungen der Erdachse zu vermessen. Ein Teleskop, das einfach immer nur nach oben schaut und alles beobachtet, was sich in sein Blickfeld schiebt, eignet sich auch gut für groß angelegte Suchprogrammen. Zum Beispiel für die Suche nach Supernova-Explosionen, Meteore oder Weltraumschrott.
Zenitteleskope sind also durchaus sinnvoll und darum ist es nicht verwunderlich, dass es tatsächlich ein paar flüssige Teleskopspiegel gibt. Wie schon gesagt: So ein Teleskop lässt sich wesentlich schneller und deutlich billiger bauen als eines mit einem festen Spiegel. In Kanada, in der Nähe von Vancouver, steht das Large Zenith Telescope (LZT). Das LZT hat einen sechs Meter großen Spiegel aus flüssigen Quecksilber. Es gehört damit zu den größten optischen Teleskopen der Welt und hätte man einen normalen Spiegel eingebaut, dann wäre der Bau etwa fünfzigmal teurer gewesen. Am LZT sucht man nach Supernovae und vermisst die Position und Spektren von hundertausenden Galaxien.
Auch die US Air Force hat ein Flüssigteleskop betrieben, zur Suche nach Weltraumschrott. Hier könnt ihr es in Aktion sehen:
Es gibt sogar Überlegungen, flüssige Spiegel für Teleskope zu verwenden die am Mond gebaut werden. Anstatt mühsam einen großen Spiegel auf den Mond zu schleppen, reicht es, ein paar Kanister mit Quecksilber mit zunehmen. Aber ok, bis die Menschen wieder mal auf dem Mond landen, wird noch viel Quecksilber den Bach hinunter fließen. Oder hoffentlich nicht! Denn Quecksilber ist giftig und die Quecksilberdämpfe, die schon bei Zimmertemperatur entstehen sind äußerst ungesund. Man macht sich daher Gedanken, ob man für zukünftige Flüssigspiegel vielleicht lieber andere Metalle verwenden sollte. Gallium zum Beispiel. Das schmilzt schon bei 29 Grad, ist bei weitem nicht so giftig wie Quecksilber und würde auch einen guten Spiegel abgeben. Nur ist es leider viel schwerer erhältlich und teurer als Quecksilber und man würde so einen der großen Vorteile – die geringen Kosten – verlieren. Aber schauen wir mal, was die Zukunft bringt. Wenn man schon kreativ genug ist um auf die Idee mit den flüssigen Teleskopspiegel zu kommen, dann fällt einem da sicher noch etwas ein.
Wird durch die Rotation des Tisches keine Unregelmäßigkeit in der Beobachtung erzeugt? Und ist die Oberfläche glatt genug? Den so wie im Video gezeigt wurde, sah die Oberfläche sehr unregelmäßig aus.
mfg
Erstmal großes Lob für das Blog – ich bin mittlerweile fast täglich hier.
Eine Frage zu dem Quecksilberspiegel (hoffentlich keine allzu blöde ;)): wird das Quecksilber eigentlich irgendwie durch eine Glasscheibe oder so geschützt, damit dort nicht ständig Fliegen, Staub, Pollen usw. rumschwimmen?
Ich hab schon mal einen Bericht über rotierende Flüssigkeitsteleskope gelesen. Dort war unter anderem davon die Rede, dass sich an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und der umgebenden Luft Wirbel entstehen. Und genau diese Wirbel erzeugen dann Unregelmäßigkeiten in der Form der Flüssigkeitsoberfläche. Irgendwie wurde das dann auch ausgeglichen, aber das hab ich nicht mehr in Erinnerung.
@Lisa: „wird das Quecksilber eigentlich irgendwie durch eine Glasscheibe oder so geschützt“
Soweit ich das vom Design her sehe (https://www.astro.ubc.ca/LMT/lzt/index.html#design), gibt es sowas nicht. Irgendwelche Flecken am Spiegel sind aber nicht so schlimm, wie man denken mag. Wenn da ein Staubkörnchen drauf ist, dann vermindert das die Lichtsammelleistung nur minimal. Solange die Form stimmt, ist alles ok! Teleskopspiegel auf Sternwarten sehen teilweise richtig fies aus 😉 Ok, sie werden regelmäßig gereinigt und neu bedampft. Aber da kann schon mal Vogelkacke drauf sein. Am McDonald-Observatorium in Texas hat mal ein irrer Astronom mit der Pistole ein Loch ein in den Spiegel geschossen. Die Form blieb glücklicherweise, also beobachtet man jetzt dort mit Loch weiter…
Übrigens werden die aus Glas gefertigten Spiegel heutiger Teleskope meist in einem rotierenden Ofen geschmolzen und dann abgekühlt abgekühlt (spin casting), so erhält man einen parabolförmigen Rohling, bei dem man später nicht mehr so viel Material abtragen muss, aber ganz ohne Schleifen und Polieren geht es da nicht.
Mich wundert ein wenig, dass ein rotierender Quecksilberspiegel so perfekt ist, ein spin-gecasteter Glasspiegel hingegen poliert werden muss. Wird wohl am Material liegen?
@Alderamin: „Wird wohl am Material liegen? „
Ich bin kein Techniker und Materialphysiker. Aber vielleicht passiert da beim Abkühlen noch was mit dem Zeug?
@Florian
Ja, sieht so aus: https://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_furnace (letzter Satz vor dem Contents-Kasten). Möglicherweise Konvektion, die Dellen in die Oberfläche rein macht, obwohl das Auskühlen Monate lang dauert. Leider verrät der Artikel keine weiteren Details.
Den technischen Aufwand für erschütterungsfreies Drehen einer so großen Scheibe stelle ich mir auch nicht eben gering vor. Wie viele Umdrehungen pro Minute braucht so ein Spiegel für die vorgesehene Brennweite?
@HF „Wie viele Umdrehungen pro Minute braucht so ein Spiegel für die vorgesehene Brennweite? „
Als das LZT dreht sich 8,5 Mal pro Minute. Ist jetzt nicht sooo dramatisch schnell.
„irrer Astronom“ ist doch eine Tautologie, oder? 😉
Wieder was gelernt. Von flüssigen Spiegeln hab ich bisher noch überhaupt nichts gewusst, obwohl die Idee so naheliegend ist…
Ist es denkbar für einen Hobbyastronom vor solch einen Zenith Flüssigkeitsspiegeltelescop einen planen Spiegel anzuordnen, so dass dann eben nicht mehr nur nach oben geschaut werden kann?
Ist es denkbar für einen Hobbyastronom vor solch einen Zenith Flüssigkeitsspiegeltelescop einen planen Spiegel anzuordnen, so dass dann eben nicht mehr nur nach oben geschaut werden kann?
Und wieder was gelernt! Vielen Dank dafür! Flüssigspiegel kannte ich bis jetzt noch gar nicht.
„Und was machst du beruflich?“ – „Ich bin Quecksilberspiegelanschieber. Für die Forschung.“
Die Idee ist ja ganz nett, der Nachteil von Quecksilber ist leider nur der Dampfdruck des Materials. Und der sorgt dafür, das bereits bei Raumtemperatur nennenswerte Mengen in die Gasphase übergehen, wenn man davon ein paar Tonnen offen rumstehen hat, möchte ich da nicht in die Nähe kommen.
@Peter P
Das Problem dabei wäre, dass der Planspiegel dann noch größer sein müsste, als der Parabolspiegel. Und große Planspiegel mit optischer Qualität herzustellen, ist viel schwerer, als Parabolspiegel zu schleifen. Man gewinnt also nichts.
Ganz zu schweigen davon, dass man mit dem Planspiegel nicht nach unten, sondern nach oben schauen möchte, d.h. das Licht müsste ihn streifend im flachen Winkel treffen. Dann müsste er elliptisch mit einer extrem langen großen Halbachse sein.
Ist also nicht praktikabel.
Hmm… die langsame Rotationsgeschwindigkeit spricht wohl dafür, dass die Reibung mit der Luft vernachlässigt werden kann.
Diese Form von Teleskopen schliessen aber wohl adaptive Optik und Langzeitbelichtungen aus – oder gibt’s dafür auch Tricks?
@Physiker
Nicht alle adaptiven Optiken verformen den Hauptspiegel, man kann auch einen Planspiegel in den Strahlengang einbringen, der entsprechend verformt wird.
Was Langzeitbelichtungen betrifft, kann man den Sensor ein paar Minuten lang seitlich verschieben, aber außerhalb der Bildmitte gibt’s Koma-Verzerrung (die man partiell mit einem Koma-Korrektor vor dem Sensor ausgleichen kann, aber irgendwann ist Schluss).
Adaptive Optik wird man beim LZT wohl nicht verwenden (davon steht nichts auf der Webseite, auch wenn die mit Lidar für’s 30m-Telescope experimentieren), aber der Sensor wird bestimmt nachgeführt, sonst würde bei der Brennweite von 10 m kaum ein stehendes Bild hinzubekommen sein.
Ein Quecksilberteleskop auf dem Mond kann ruhig dampfen. Riecht ja eh keiner…
So ein Teleskop müsste dann aber auf der Erdzugewandten Seite stehen, weil es dem Quecksilber sonst nicht war genung ist, oder?
Sorry, erst lesen, dann anschicken…
…weil es dem Quecksilber sonst nicht warm genug ist, oder?
@Alex
Du kannst ein Teleskop auf dem Mond hinstellen wo Du willst… es gibt keine dunkle Seite des Mondes. Auch auf der erdzugewandten Seite wird es alle 29 Tage für gute 2 Wochen kalt und dunkel (was für Astronomie ja nicht schlecht sein muss). Dann muss man den Spiegel halt von unten beheizen, Metall leitet doch gut. Und Probleme mit Turbulenzen vor der Optik hat man im Vakuum keine.
@Alex
auch die erdzugewandte des Mondes liegt etwa 14 Tage in Dunkelheit, kühlt also ab. Ich vermute, man müsste zusätzlich heizen.
Könnte man dann nicht ein solches Quecksilberteleskop nach und nach so weit abkühlen, damit man es dann auch bewegen kann?
Ich vermute mal, dass es sich bei der kältebedingten Kontraktion verziehen würde, also keine perfekte Parabolform mehr hätte.
Hey,
coole Idee das.
Zitat von hier:
ja, relativ, leider stört das meine Idee nen alten Dual mit vielen Energiesparlampen zu befüllen. 😀
Gut rein aus gesundheitlichen Erwägungen ist Glas/Glaskeramik wohl die bessere Idee für daheim.
@StefanH
Dann gibts garantiert wieder Probleme mit Spannungen im Material die einem die Oberfläche „versauen“, man hätte also keine Vorteile und dafür das Quecksilber überall.
@Stefan H
Der Witz an diesen Flüssigspiegel-Teleskopen ist ja der einfache Aufbau. Wenn man die beweglich (Alt-AZ-montiert) haben will, dann braucht man wieder die komplette Montierung und kann auch gleich einen richtigen Spiegel verwenden. Den müsste man dann wegen der wechselnden Richtung der Schwerkraft ganz anders lagern und halten, als den flüssigen.
Hab nebenan schon mal angemerkt, aber hat keiner kommentiert: Was ist eigentlich mit dem fehlenden Dampfdruck aufm Mond?! Da haut dir ja das Quecksilber sofort ab oder nicht? Abgesehen davon wär sowas natürlich schon praktischer als einen Riesenspiegel herumzuschippern.
@Alice
Das Problem ist offenbar ein ganz anderes: Man will da wohl ein IR-Teleskop mit sehr kaltem Spiegel hinstellen und dann friert das Quecksilber ein!
Hier ein=>Paper zu dem aktuell betrachteten Projekt (mit 20-100 m Spiegel!) und ein Auszug daraus:
Und was nimmt man dann statt Quecksilber? Eutektikische Legierungen von Alkalimetallen, mit Silber bedampft, siehe 3.3…
Vor ein paar Jahren gab es in der Spektrum der Wissenschaft einen Artikel über solche Teleskope. Wenn mich nicht alles täuscht, war es der hier:
https://www.spektrum.de/alias/teleskoptechnik/die-renaissance-derfluessigen-teleskopspiegel/940436
Es wird auch beschrieben, wie man mit langen Belichtungszeiten fotografiert, obwohl man ja nicht nachführen kann.
„liefert als bessere und billigere Spiegel.“
(Beim „als“ fehlt ein „o“?)
Die Idee ist alt und es gibt auch ein SF Buch dazu: Ehrhardt, Paul „Spuren im Mondstaub“ – 1979 – Verlag Neues Leben, Berlin
Da geht es am Rande um ein ziemlich großes QRT auf dem Mond. Die lassen das Quecksilber da auch gefrieren und heizen die Oberfläche leicht an. Nettes Buch, aber wohl nicht mehr erhältlich, steht aber bei mir im Regal.
@FF:
Wikipedia sagt: „Um Einflüsse von Luftströmungen von der Quecksilberoberfläche fernzuhalten, ist der Spiegel mit einer dünnen Mylarfolie abgedeckt.“
Das würde dann auch erklären, warum das Mädel auf dem Foto so seelenruhig danebensteht…
das Schema des Spiegels in der Doku ist ja mal sowas von kein Parabolspielgel 🙂
@jitpleecheep: Danke für die Info!
@Alderamin:
Also, ich hab mal über Flüssigkeiten im Vakuum gelesen. Im Vakuum gibts ja gar keinen Dampfdruck, also haut dir jegliche Flüssigkeit einfach ab. Blöd bei einem Flüssigteleskop aufm Mond selbst wenn du was anderes flüssiges nimmst das bei -50 Grad noch nicht fest ist. Irgendwas muss man da drüberbauen sonst funktioniert das nicht. Hab in dem Artikel nix gefunden, hab ihn aber nur überflogen. Ganz blöd sind die Leute nicht, die den Artikel geschrieben haben (und in SPIE wird auch nicht irgendwas publiziert), aber das mit der Flüssigkeit im Vakuum wär ein Killerargument. Eine einfache Folie tuts da wohl bestimmt auch nicht. Ideen?
Jegliche? Glas ist auch ’ne Flüssigkeit, nur eine ziemlich zähe. Oder Lava, die mal über den Mond geflossen ist, ist auch nicht abgehauen, sondern hat die Maria gebildet.
Wenn die Temperatur bei -130°C (oder +130K, weiß nicht mehr so genau) liegen soll, dann verdunstet vielleicht nicht nenneswert viel von der Metallegierung, die die da planen, zumal eine Silberschicht oben drüber kommt. Das wäre auch kein Teleskop für die Ewigkeit, es guckt ja ständig zum Mondpol hin, wenn der mal abgelichtet ist, kann man das Dingen eigentlich entsorgen (es sei denn man wartet auf Supernovae). Oder zum Südpol transportieren.
Die haben sich schon was dabei gedacht. Z.B. dass man mehr Öffnung als bei JWST nimmt, damit man, auch wenn man in eine zufällige Richtung guckt, und nicht gezielt wie JWST, in größerer Entfernung dennoch seine IR-Quellen findet, halt ein paar Größenklassen kleiner. Wenn man es parallel zur Mondachse montiert, kann man die Bildfelddrehung leicht kompensieren und sehr lange belichten.
@Alderamin:
Na, deine Flüssigkeit muss aber schon hinreichend flüssig sein damit das mit dem Parabolspiegel produzieren bei Drehung auch funktioniert! Bei Glas und Lava kannst da lange warten, bei fast-festem Lustig-Metall auch.
An sich find ich das Prinzip ja auch toll. Du kannst übrigens auch mit Bewegen des Sekundärspiegels so ein bisschen hin- und herpointen, da geht schon ein bisschen mehr Gesichtsfeld.
Als Kind habe ich mir auch einmal einen Flüssigkeitsspiegel gebastelt. Eine 30 cm runde Kuchenbackform mit 3 Schnüren versehen, welche dann zusammenliefen und von da an gings dann mit einem Faden bis zur Aufhängehaken nach oben. Wasser rein und angeschubst.
Zugegebenermaßen war die Brennweite nicht sonderlich stabil aber ein Bild entstand dennoch. Irgendwo.
Aber es gibt noch eine Möglichkeit. Verspiegelte Folie auf einen runden Rahmen spannen und mit leichtem Unterdruck die Folie auf die gewünschte Brennweite einstellen. Das ergibt dann auch eine Parabelform.
Auf diese Weise könnte man auch Wasserlinsen herstellen, konkav oder auch konvex. Nur hat man Probleme mit der Schwerkraft, wenn man dies nicht im Orbit macht. Und dort hat man vielleicht Schwierigkeiten mit dem Einfrieren, falls man das Eis nicht als Linse verwenden kann. Und auch mit dem Dampfdruck hat man etwas Probleme. Die Wasserlinse müßte also noch in einem Folien-Gasdruckraum mit einem Mindestdruck entsprechend des Wasserdampfdrucks untergebracht sein. Vielleicht gibt es auch noch eine geeignetere Flüssigkeit als Wasser 🙂
@Alice
Diese Legierungen von Alkali-Metallen sind ja speziell für den in Frage kommenden Temperaturbereich ausgelegt, und sie haben einen niedrigeren Schmelzpunkt als die reinen Metalle.
Zum Fangspiegel bewegen: abgesehen davon, dass man abseits der optischen Achse bei Parabolspiegeln (und ein Ritchey-Chretien geht halt nicht mit Flüssigspiegeln) starke Koma hat, wird das Gerät ohnehin nur im Primärfkous betrieben werden. Ein Fangspiegel in der nötigen Größe von mehreren Metern wäre schwer, komplex aufzuhängen, und mit Astronautenmitteln wäre das noch viel schwieriger als auf der Erde.
Aber natürlich kann man genau so gut den Sensor in engen Grenzen (Koma) verschieben.