La question importante à prendre pour construire un pour miroir de télescope est tout à fait fascinant.
Si vous commencez à partir d'une question initiale hypothétique (dont nous ne savons pas a priori la solution) C'est a dire: Si vous devez construire un miroir pour un télescope, ce matériau est plus commode de le faire?
La réponse la plus évidente et évidente qui est de dire aujourd'hui: « Verre », parce qu'ils sont de toute évidence fait presque tous si, mais si nous ces informations que nous avions pas et il était la première fois que vous essayez de construire un, comment voulez-vous faire un choix objectif de limiter à quelques candidats possibles ?
bien, d'abord ils ont analysé et de décider les exigences essentielles du projet, Type: minimiser la masse de la déformation composante égale ... etc., après quoi affiner la sélection en appliquant des exigences plus strictes pour le projet.
En ce qui concerne l'un pour miroir de télescope, vous pouvez commencer à affiner le choix de cette façon:
Dans l'image ci-dessus sont indiquées deux équations, le premier qui exprime la déviation d'un sujet disque homogène à son propre poids (en haut à gauche) et la seconde, qui exprime la masse du disque en fonction de son volume par la densité (en haut à droite). Aller à combiner les deux équations et esplicandole en fonction de la masse totale, Elle est obtenue par l'équation en bas à gauche.
Si nous regardons les termes de cette équation, nous voyons que sont tous les termes géométriques dictés par la forme choisie pour le disque à l'exception des deux termes entre parenthèses, qu'elles dépendent à la place du type de matériau qui sera choisie pour le miroir. Étant donné que l'équation exprime la masse du disque de verre, pour minimiser, Il doit être la valeur minimale entre parenthèses (R³ / E), indiqué en bas à droite comme M.
De toute évidence minimiser R³ / E Il est le même que dire maximiser son inverse, ou E / R³.
À ce stade, nous avons obtenu un indice que nous pouvons comparer les uns avec les autres différents types de matériaux, et semble faire, Il se fonde sur les cartes créées par Michael F. Ashby, et qui sont appelés précisément “Ashby cartes”, qui mettent dans la relation entre leurs deux propriétés physiques différentes des divers matériaux.
Donc, pour le cas analysé, parmi les nombreuses cartes existantes, vous devez vous référer à celui qui se rapporte Et (module d'élasticité) avec p (densité).
Pour bien comparer les différents matériaux, selon le cas spécifique qui est en cours d'analyse, Il faut se déplacer sur le graphique en utilisant l'angle droit entre les directives indiquées dans le cercle en bleu. Dans ce cas, l'entité est de maximiser le rapport E / R³ évidemment équivalent à Et1/3/p. Puis, en utilisant la ligne droite avec le gradient indiqué, Vous pouvez comparer entre eux les matériaux ayant le même rapport spécifique, puis déterminer lequel d'entre eux présentent des performances maximales.
Pour une comparaison, J'ai placé une ligne qui passe juste pour la classe de verre (circuler rouge). A ce stade, il est simple d'apprécier ce que les matériaux ont de meilleures caractéristiques ou pire du verre. Il est important de se rappeler, cependant,, que là, nous analysons seulement la carte qui nous fournira quels sont les matériaux qui réduisent au minimum la masse de la parité de déviation du disque, mais il ne nous dit rien sur d'autres aspects, la stabilité thermique, etc. ouvrabilité, qui sera caractéristiques qui affinera le choix du matériau, Après l'examen initial.
De toute façon on peut voir que le carbure de silicium, béryllium, CFRP (polymère renforcé par des fibres de carbone) et quelques mousses polymères ont la meilleure performance du verre, alors qu'il est évident aussi la raison pour laquelle ils ne sont pas construits de miroirs métalliques (acier, aluminium, Titane ...) ce qui serait beaucoup plus lourd que ceux en verre.
De toute évidence, certains choix peuvent l'être exclus a priori sans avoir à étudier plus, diamants de type (pour des raisons évidentes de coût, dimensions, ... ouvrabilité), ou les bois, qui malgré des performances élevées, ils sont très instables dimensions dans différentes conditions atmosphériques (température, l'humidité, etc.).
Comme mentionné précédemment, ce premier choix que vous devez ajouter une deuxième projection qui tient compte d'autres facteurs limitants affectant un miroir astronomique, saisir dilatation thermique. Cette fois, vous pouvez le faire en utilisant une autre carte de Ashby, comme celui ci-dessous, qui met en corrélation le coefficient de dilatation thermique avec la conductivité thermique.
Sachant également la conductivité thermique d'un matériau et non seulement son expansion thermique (que, dans une première approche semble être le seul paramètre important) car il sert le même coefficient de dilatation thermique qui a une conductivité supérieure parvient à une meilleure façon de rendre uniforme la température au-dessus de la masse entière du miroir.
A titre d'exemple, avec un matériau à faible conductivité thermique, les causes, si elle devait être présent un gradient thermique à l'intérieur du miroir, ce gradient ont tendance à disparaître à peine la normalisation de la totalité de la température de surface, puis provoquant des contraintes internes et des contractions différentielles dans le même miroir.
Sur la carte, nous avons mis en évidence 5 types de matériaux qui ont été voté le meilleur de la projection précédente. Grâce à cette carte, il est possible de noter tels que les mousses polymères présentent une faible relation entre la conductivité thermique et la dilatation thermique, pas très élevé que les valeurs absolues du coefficient de dilatation thermique, les excluant ainsi des candidats possibles pour la construction d'un miroir astronomique.
au lieu carbure de silicium et béryllium, Ils ont à peu près la même relation entre la dilatation thermique et la conductivité thermique, même si le carbure de silicium a un coefficient de dilatation thermique nettement inférieur à.
La classe de verre étend sur une large plage de valeurs en ce qui concerne l'expansion linéaire, bien que les verres destinés à être utilisés astronomique sont capables d'atteindre des valeurs très faibles ou proches de zéro, se classent parmi les meilleurs matériaux possibles dans ce sens.
Le CFRP possède à la place un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre celui du SiC et du béryllium et nettement plus mauvais que le verre tout en étant comparable avec eux pour la conductivité thermique.
En observant attentivement cette carte, est connu sous le nom Invar est de loin le meilleur matériel de ce point de vue, associer une conductivité thermique élevée à des valeurs très faibles de dilatation thermique. Ces propriétés combinées avec d'excellentes caractéristiques mécaniques font un excellent matériau de structure pour les télescopes spatiaux, qui emploient souvent dans leurs composants. La haute densité, limite cependant son utilisation au minimum.
en fin de compte, mais pas le moins important est la question du coût. En regardant la carte suivante, vous pouvez faire une idée approximative des coûts pour chaque matériau:
En résumé:
LUNETTES
le dernier tableau montre une fois de plus, parce que le verre est encore les maîtres incontestés de la scène en matière de miroirs pour télescopes, compte tenu de leur coût extrêmement faible par rapport aux matériaux concurrents, sans oublier que les propriétés ont encore bonne ou excellente dans tous les aspects analysés. Vitrage selon l « ULE ou d'autres vitrocéramiques ont des coefficients de dilatation thermique proche de zéro, ainsi qu'une bonne relation entre E / ρ³ ce qui les rend particulièrement appropriés pour les deux télescopes terrestres qui spatial. Les exemples sont tous les grands télescopes terrestres, l » télescope spatial Hubble, HiRISE et une multitude d'autres instruments.
SIC
Le carbure de silicium est l'un des meilleurs matériaux en absolu pour un miroir astronomique à partir d'un point de vue mécanique, même si elle a des valeurs de dilatation thermique non aux niveaux des meilleurs verres. La densité légèrement supérieure à celle des verres ne sont pas, cependant, limite l'utilisation de ce matériau ayant un rapport élevé d'expansion et de conductivité thermique, ce qui le rend très approprié pour les télescopes spatiaux, qui souffrent beaucoup de la différence de dilatation thermique entre les différents matériaux en contact les uns avec les autres, dont la dilatation différentielle induit des contraintes nuisibles dans la structure et dans les rétroviseurs. Le SiC étant également souvent utilisé comme un matériau structurel pour les plaques de support de télescopes spatiaux se coupler parfaitement avec les miroirs et leurs supports, qu'ils peuvent également être faits du même matériau, ce qui simplifie grandement la conception du système. Miroirs en verre sont souvent la norme, même dans les télescopes spatiaux, mais leur dilatation thermique différent par rapport à leurs supports, réalisés dans un autre matériau, implique d'avoir à donner à des systèmes appropriés pour compenser les déformations afin de ne pas induire une tension supplémentaire dans les miroirs, qui se désintégrer dans la performance. Par exemple, le plus grand télescope spatial en orbite aujourd'hui, l « Observatoire spatial Herschel a un miroir 3.5 m f / 0,5 (fonctionnant dans les longueurs d'onde de l'infrarouge lointain) il est fait en SiC, ainsi que tous les miroirs de sonde Plank et celles de beaucoup d'autres sondes encore.
CFRP
Leur ratio élevé E / R³ les rend d'excellents candidats d'un point de vue structurel pour un miroir astronomique, et en fait dans le passé, il a été plusieurs faits de tentatives et des études visant à tester sa faisabilité dans la construction , bien que les miroirs date si les faits n'ont pas trouvé une large utilisation dans les longueurs d'onde opticien.
À leur détriment va le coefficient de dilatation thermique, ce qui limite sa stabilité dimensionnelle à température variable, d'une importance capitale pour les applications optiques, bien que les progrès continus dans ce type de matériel, Il a déjà conduit à l'élaboration de solutions ayant des valeurs très faibles de CTE, peut-être l'ouverture des portes, à un avenir (peut-être pas trop loin) révolution.
Leur haute performance mécanique, vues dans la première carte de Ashby, Il les rendrait les matériaux que la plupart de toutes les limites de la masse totale du miroir, ce qui explique pourquoi ils sont largement utilisés dans la construction de télescopes radio. Un exemple de ceci sont les antennes 12 mètres de’ ALMA (les ondes radio), mais aussi le miroir primaire de 1.5 m del observatoire spatial Planck (infrarouge et submillimétrique) il est un exemple célèbre.
BERYLLIUM
Il ne la tête enfin dans la liste, également un membre de la classe des matériaux métalliques. Malheureusement, le béryllium est considéré comme un cancérogène pour l'homme et son ouvrabilité besoin de règles spécifiques et des contrôles. Comme nous l'avons vu dans le premier document Ashby, il est absolument l'un des matériaux qui minimise la majeure partie de la masse totale du miroir, bien que son fort coefficient de dilatation thermique adapté aux coûts de production élevés et les inconvénients en raison de sa toxicité, ils ont fortement limité la propagation. Les choses changent considérablement, mais, en ce qui concerne les applications cryogéniques, ou pour les appareils qui doivent fonctionner à des températures proches du zéro absolu.
A des températures inférieures à la 80 K le coefficient de dilatation thermique du béryllium, en fait, est réduite presque à zéro, et les propriétés mécaniques restent très respectable faisant sursauter en premier lieu pour ses qualités thermo-mécaniques pour miroirs astronomiques. Il est clair que le coût et la dangerosité du matériau, cependant, il limite la propagation, mais il est pas un hasard si la plus grande, télescope coûteux et complexe qui a (désormais) prêt à être lancé dans l'espace est choisie de béryllium en tant que matériau pour la construction de miroir. Bien sûr, vous parlez du télescope spatial James Webb.
Un autre exemple célèbre de télescope, fonctionnant dans l'infrarouge, avec son Ritchey de chretien 85 cm avec béryllium optique, Il est le télescope spatial Spitzer.
Et’ cependant garder à l'esprit que le dépistage effectué dans l'article est très préliminaire, donne certainement quelques bonnes directives générales, mais il ne prend pas en compte beaucoup d'autres facteurs qui, en réalité, devraient plutôt être pris en compte, ouvrabilité de type, degré de polissage qui sont incapables d'atteindre en particulier un matériau, processus de production nécessaire etc ...
Cependant, malgré cela,, il est intéressant de noter que, avec seulement deux tables simples a été possible de déterminer les meilleurs candidats du matériel d'évaluation critique pour la construction d'un miroir de télescope, et comment ces résultats plus tard, donnent une image fidèle des solutions réellement adoptées, Ces résultat de décennies de recherche et d'essais.
devrait être une note particulière pour les matériaux céramiques et composites, ces types de matériaux ont de l'évolution très rapide au cours des dernières années, avec la production continue de solutions aux propriétés étonnantes, et ne sera pas surprenant, si dans un avenir proche, ces types de matériaux que vous allez affirmer toujours plus à la fois pour les télescopes spatiaux et terrestres.