Freiformoptiken für die Radioastronomie
Referenzprojekt
Kompakter Satellit zur Erforschung von Radiofrequenzen mit hochauflösenden Freiformen
Zur Erforschung von Himmelsobjekten und kosmischen Phänomenen können neben sichtbarem Licht auch Radiowellen zur Analyse genutzt werden. Die Radioastronomie erlangt Informationen aus Sternen, Gaswolken und anderen Strukturen, die in Radiofrequenzen emittieren. Die CubeSat-Mission ANSER hat das Ziel, hochauflösende Bilder und Daten der Erdoberfläche aus Radiowellen zu sammeln und zu übertragen. asphericon fertigte für die kompakten Satelliten zwei hochauflösende Freiform Optiken aus Zerodur.
Projektdetails
Die CubeSat-Mission ANSER (Advanced Nanosatellite for Space Exploration and Radio Astronomy) des Spanish National Institute of Aerospace Technology (INTA) ist ein wegweisendes Projekt im Bereich Raumfahrt und Radioastronomie. Bei ANSER werden sogenannte “CubeSats” eingesetzt, sehr kompakte Satelliten, die in standardisierten Einheitsgrößen (sog. Cubes) vorliegen. Standardisierung und Größe ermöglichen eine kosteneffiziente Entwicklung und Beförderung ins All. Ausgestattet sind die CubeSats mit hoch-modernen Radioteleskopen und -empfängern, die kosmische Phänomene und Himmelsobjekte in Radiofrequenzen untersuchen sollen. Da die Erdatmosphäre Radiostrahlung aus dem Weltraum teilweise blockiert, eröffnet der Einsatz von ANSER neue Möglichkeiten, erlaubt eine klarere und präzisere Beobachtung. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Erdbeobachtung. Die CubeSats können hochauflösende Bilder und Daten der Erdoberfläche sammeln und übertragen, welche z.B. in Bereichen wie Umweltüberwachung, Katastrophenmanagement und Landwirtschaft von großem Nutzen sein können. Durch die kompakte Größe und Kosteneffizienz von CubeSat eröffnet ANSER neue Möglichkeiten der Weltraumexploration.
Start des Projektes, welches aus einem Cluster von drei Nanosatelliten bestehen wird, ist September 2023. Ziel der Mission ist die Analyse der Wasserqualität in Stauseen und Sümpfen auf der Iberischen Halbinsel. Die Satelliten werden in enger Formation mit einem Abstand von ca. 10 km fliegen und sind so konstruiert, dass sie auch als ein einzelner Satellit zusammenarbeiten können. Der Nutzlasten wird dabei auf die verschiedenen CubeSats verteilt. Gesteuert werden sie durch eine verteilte Lageregelung, um Desorientierung und den Verlust eines der Satelliten zu vermeiden.
Projektrealisierung
Die Kompaktheit der Satelliten stellt auch einen hohen Anspruch an die Größe des optischen Systems. Dieses arbeitet nicht on-axis, sondern an zwei symmetrischen Punkten außerhalb des Sichtfeldes. Da trotz Miniaturisierung aller Komponenten ein großes Sichtfeld (FoV) gefordert war, mussten alternative Lösungen zu Verwendung von rein sphärischen oder asphärischen Optiken gefunden werden. asphericon fertigte zwei hochauflösende Freiform Optiken aus Zerodur, die sowohl den Ansprüchen an die Größe des Systems als auch der Oberflächenqualität gerecht wurden. Beide Optiken wirken im Spektralbereich von 400 bis 750 nm und besitzen einen Durchmesser von 18,4 mm. Herausforderung bei der Herstellung der Freiformen waren die geforderten niedrigen Unregelmäßigkeiten (Ziel IRR: 1,5 fr). Diese wurden durch das Verfahren der MRF-Politur und Dank asphericons mehrjähriger Erfahrung in der Herstellung von Freiformen übererfüllt. Für die Bearbeitung wurde eine spezielle Subapertur-Poliertechnik entwickelt, inklusive einer speziellen Programmierung für die Bahn des Werkzeugs entlang der Freiformfläche. Ermöglicht wurden durch die Kombination mit hochauflösender 2D-Messtechnik und einem automatisierten Korrekturalgorithmus bessere Unregelmäßigkeiten als gefordert (IRR zwischen 0,8 fr - 1,0 Ringe) sowie sehr gute Ergebnisse für Power (0,3 - 0,6 Ringe) und Oberflächenrauheit (Rq 0,7 nm - 1,3 nm).
Geometrische Beschreibung der Freiform und Spezifikationen
- Material: Zerodur
- Fläche mit Basisradius, konischer Konstante und Zernike-Termen bis zur 9. Ordnung
- Durchmesser: 18.4 mm
- Tc: 14 mm mit Randkontur, die zur Justage bei kleinen Cassegrain-Teleskopen verwendet wird
- Messwerte für Power (0,3 - 0,6 fr) und IRR (0,8 fr - 1,0 fr), erzielt und verifiziert durch 2D-Vollflächenmessungen mit optischen Sonden
- Rq: 0,7 nm - 1,3 nm
- Abblidung links zeigt gefertigten Optiken
Optiken für INTA auf einen Blick
- Fertigung von zwei Freiformoptiken für den Einsatz Spektralbereich von 400 bis 750 nm
- Freiformflächen mit Basisradius, konischer Konstante und Zernike-Termen bis zur 9. Ordnung
- Entwicklung einer speziellen Subapertur-Poliertechnik und Kombination hochauflösender 2D-Messtechnik mit automatisiertem Korrekturalgorithmus zur Fertigung und Vermessung der hochauflösenden optischen Flächen
