Один из самых необычных проектов будущих телескопов — жидкозеркальные оптические системы, где вместо стекла используется тонкий слой жидкости, формирующий отражающую поверхность под действием гравитации или других полей. В условиях микрогравитации — например, на орбите — такая поверхность может быть идеально гладкой, если правильно организовать её форму. Это делает возможными сверхлёгкие телескопы с очень большим диаметром зеркала, которые невозможно было бы собрать из твёрдых материалов.

Однако у этой идеи есть серьёзная проблема. При каждом повороте телескопа (например, чтобы навести его на другой участок неба) жидкость смещается. Со временем такие деформации накапливаются и могут нарушить точность наблюдений. Чтобы разобраться, насколько это критично, группа физиков из Техниона (Израиль) и NASA разработала подробную модель поведения жидкой отражающей плёнки под действием регулярных манёвров в космосе.

Источник: NASA Orbital Debris Program Office

Учёные сосредоточились на системе, подобной телескопу FLUTE (Fluidic Telescope) — гипотетической орбитальной обсерватории с жидким зеркалом диаметром 50 метров. Внутри конструкции в форме кольца создаётся тонкий слой жидкости (например, силиконового масла), который формирует нужную оптическую форму. Повороты телескопа для смены направления обзора вызывают смещения этой поверхности — и именно их моделировали учёные.

Расчёты показали, что даже при регулярных манёврах (например, поворот на 45 градусов один раз в сутки) в течение 10 лет форма центральной части зеркала сохраняется с точностью, достаточной для высококачественной оптики. Деформации накапливаются вблизи края, где амплитуда колебаний достигает 100 нанометров, но в центральной области они значительно меньше. Это означает, что полезная площадь зеркала — порядка 80% — может использоваться без значительных искажений.

Источник: NASA

Кроме того, исследователи показали, что выбор направления поворотов (например, чередование направления вращения) помогает уменьшить асимметрию деформаций. Также они предполагают, что деформации можно периодически «сбрасывать», если повторно запускать процесс формирования поверхности — например, с помощью электростатических или центробежных методов.

Для проверки модели была создана экспериментальная установка с жидкой плёнкой толщиной 10–100 микрон, которую деформировали с помощью электрического поля. Форму поверхности отслеживали оптическими методами. Результаты подтвердили ключевые положения модели и показали её применимость для оценки и проектирования реальных систем.

Сама идея жидких зеркал не нова — подобные системы применялись на Земле, например, в телескопе LZT в Канаде. Но там форму зеркала поддерживает вращение, создающее параболическую поверхность. В космосе же можно использовать альтернативные способы стабилизации, а главное — избавиться от массы и сложности жёстких оптических компонентов.

Работа даёт инженерам инструмент, который позволяет заранее рассчитать, как жидкое зеркало будет вести себя в условиях длительной космической миссии, и какие параметры нужно оптимизировать. Это важный шаг для концепций сверхлёгких орбитальных телескопов, способных обеспечить огромную светосилу без тяжёлых конструкций.

Подробнее на iXBT