Lo scienziato della NASA William Zhang ha creato e dimostrato una tecnica per la produzione di prodotti leggeri, specchi a raggi X ad alta risoluzione che utilizzano silicio, un materiale comunemente associato ai chip dei computer.

Zhang, un astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, ha dimostrato in ripetuti test che il silicio monocristallino, un materiale duro, elemento fragile non metallico utilizzato nella produzione di chip per computer, funziona eccezionalmente bene come ottica a raggi X.

Dato il costo della costruzione di osservatori spaziali, che aumentano di prezzo solo quando diventano più grandi e più pesanti, l'obiettivo è sviluppare ottiche leggere facilmente riproducibili, senza rinunciare alla qualità. Secondo Zhang, l'uso del silicio darebbe agli astrofisici a raggi X ciò che desideravano da tempo:leggero, specchi supersottili che offrono un'area di raccolta significativamente più ampia e una risoluzione notevolmente migliorata, il tutto a un costo ridotto, ha detto Zhang.

Ad oggi, nessuno ha creato uno specchio a raggi X che affronti tutti questi obiettivi prestazionali. Per di più, nessuno ha silicio lucido e figurato per l'ottica a raggi X, che deve essere curvato e annidato all'interno di un assemblaggio simile a un contenitore per raccogliere fotoni di raggi X altamente energetici. Con questa configurazione speciale, I raggi X sfiorano le superfici degli specchi, come un sassolino lanciato sulla superficie di uno stagno, piuttosto che attraversarli.

Silicio, che non si deforma anche se tagliata o esposta a temperature fluttuanti, offre una valida soluzione, ha detto Zhang. "Abbiamo eseguito le nostre procedure di fabbricazione dello specchio molte volte, " ha aggiunto. "Questi rappresentano i migliori specchi a raggi X leggeri di sempre. Infatti, di tutti gli specchi per raggi X astronomici che sono stati prodotti e fatti volare, solo quelli di Chandra sono migliori, " Egli ha detto, riferendosi a uno dei Grandi Osservatori della NASA, una missione a raggi X che trasporta gli specchi a raggi X a più alta risoluzione mai lanciati. "Ma aspiriamo a eguagliare e quindi superare la qualità dello specchio di Chandra prima del 2020".

Zhang intende raggiungere questo obiettivo, in parte, con il finanziamento della NASA Strategic Astrophysics Technology. Lui e il suo team hanno in programma di far progredire ulteriormente la tecnologia non convenzionale in preparazione di una futura missione a raggi X.

Esperto nella produzione di specchi

Zhang non è un nuovo arrivato nel settore della produzione di specchi.

Quindici anni fa, ha deciso di sviluppare un meno costoso, tecnica più efficiente per creare specchi a raggi X leggeri. Ci è riuscito. Quattro anni fa, ha consegnato 9, 000 supersottili, specchi di vetro curvo per il Nuclear Spectroscopic Telescope Array della NASA, o NuSTAR, missione utilizzando una nuova tecnica di produzione in cui ha posizionato sottili pezzi di vetro disponibile in commercio su un mandrino e ha riscaldato l'intero gruppo all'interno di un forno, un processo chiamato slumping. Mentre il vetro si riscaldava, si è ammorbidito e piegato sul mandrino per produrre uno specchio curvo che l'Università tecnica danese di Copenaghen ha poi rivestito con strati di silicio e tungsteno per massimizzare la sua riflettanza ai raggi X.

Portarlo al limite

Sebbene Zhang abbia dimostrato la tecnica e prodotto migliaia di specchi a modesta risoluzione ideali per NuSTAR, Zhang si rese conto di aver portato l'approccio al limite. "Ho passato un paio d'anni a cercare di migliorare il vetro smosso. Ho ottenuto tutto il chilometraggio possibile".

Si è sbarazzato di otto dei suoi 10 forni utilizzati nel processo di crollo e ha rivolto la sua attenzione, Invece, al silicio monocristallino.

A sua insaputa, un altro tecnologo Goddard, Vince Bly, aveva già studiato l'uso del materiale, alla fine producendo uno spesso, ma leggero specchio di ricambio per il sensore termico a infrarossi costruito da Goddard, uno dei due strumenti sviluppati per la missione di continuità dei dati Landsat della NASA. Sebbene la missione non abbia usato lo specchio perché l'ottica non aveva mai volato nello spazio, Bly ha detto che i test hanno indicato che offriva un'opzione praticabile.

Quando Zhang ha sentito parlare del lavoro di Bly, lui e Bly hanno iniziato a lavorare insieme, trarre vantaggio dalla reciproca esperienza. "Ha usato quello che avevamo fatto per risolvere il suo problema, " ha detto Bly.

Silicio antistress

Il tasto, entrambi hanno detto, sta nel materiale stesso. Materiali tradizionali per la fabbricazione di specchi:vetro, ceramica, e metalli:soffrono di un elevato stress interno, soprattutto se tagliati o esposti a temperature variabili. Queste sollecitazioni diventano sempre più imprevedibili man mano che lo specchio si assottiglia.

"Il silicio monocristallino è un materiale eccellente per realizzare specchi per raggi X per voli spaziali, " Zhang ha detto. "È poco costoso e abbondantemente disponibile a causa dell'industria dei semiconduttori. Per di più, è un materiale perfetto. È immune dalle sollecitazioni interne che possono modificare la forma degli specchi a raggi X in vetro."

Questo perché ogni atomo è disposto in una configurazione reticolare, che impedisce al materiale di deformarsi anche se tagliato o sagomato. In altre parole, se un foglio di compensato fosse fatto di silicio, sarebbe perfettamente piatto e immune da deformazioni, Egli ha detto.

Imparato dal crollo

Il nuovo processo di Zhang nasce da ciò che ha imparato attraverso il crollo del vetro, Egli ha detto. Prende un blocco di silicio e lo riscalda per eliminare qualsiasi stress che possa essere sorto dalla sua manipolazione. Con una sega a nastro, crea la forma approssimativa e utilizza altri strumenti di lavorazione e prodotti chimici per molare e rifinire ulteriormente la superficie del blocco. Come affettare il formaggio, quindi taglia un substrato sottile che misura solo una frazione di pollice di spessore dal blocco e lucida la superficie. L'ultimo passaggio consiste nel rivestire i singoli segmenti con iridio per migliorare la riflettanza.

Con il suo finanziamento della NASA, Zhang e il suo team stanno perfezionando le tecniche per l'allineamento e l'incollaggio 6, 000 segmenti di specchi per formare meta-gusci che sarebbero stati integrati all'interno di un gruppo specchio progettato per pesare circa 200 libbre e essere alto solo 1,6 piedi. In definitiva, vorrebbe creare sei meta-shell e automatizzare il processo di allineamento.

"Rendere leggero, alta risoluzione, specchi a raggi X relativamente economici è diventato il lavoro della mia vita, "Zhang ha detto, riferendosi alla sua ricerca di sviluppare un accendino, specchio a raggi X più capace. "Quando ho iniziato a sviluppare specchi 15 anni fa, Pensavo di farcela in un paio d'anni. Quindici anni dopo, ci sono ancora, " disse Zhang.