Specchi Ottici per Osservazioni Astronomiche: Materiali e Tecniche di Produzione

L’Universo, da sempre oggetto di studio, è ancora oggi un mistero che attira l’attenzione degli scienziati con le osservazioni astronomiche, che, per decifrare i segreti di stelle, galassie e di altri corpi celesti, si avvalgono di potenti strumenti: i telescopi.

L’osservazione dell’Universo si basa sull’analisi della radiazione elettromagnetica dei corpi celesti, ma la nostra atmosfera terrestre rappresenta un ostacolo non indifferente per le osservazioni astronomiche. Tra gli strati atmosferici la luce subisce, infatti, distorsioni e aberrazioni che riducono la nitidezza delle immagini catturate dai telescopi, fenomeno noto come “seeing”.

Per superare questo limite gli Osservatori Astronomici erano inizialmente posizionati in luoghi elevati e aridi, dove l’atmosfera è più sottile e il seeing risulta meno accentuato, ma grazie ai grandi passi nella produzione di componenti ottici per telescopi, oggi possiamo scrutare l’Universo visibile con una risoluzione e una sensibilità impareggiabili anche dalla terra.

In questo articolo esploreremo le tipologie di telescopi per le osservazioni astronomiche, i loro componenti essenziali, i materiali e i componenti più utilizzati, in particolare gli Specchi, e le tecniche di produzione impiegate dai fabbricanti di ottiche di precisione, impegnati a realizzare strumenti sempre più performanti.

I Telescopi per le Osservazioni Astronomiche

I telescopi per le osservazioni astronomiche dalla superficie della terra sono Telescopi Ottici e si dividono in due macro categorie:

• i Rifrattori, o telescopi a lente, che, grazie a un insieme di lenti, sfruttano la rifrazione della luce per mettere a fuoco l’immagine;
• i Riflettori, o telescopi a specchio, che, sfruttando la riflessione della luce, la raccolgono tramite l’uso di uno specchio e la concentrano su un punto detto fuoco.

I Telescopi Rifrattori sono composti da un oculare e un obiettivo, ossia un sistema di lenti in grado di raccogliere la luce e focalizzarla in un punto, per riprodurre l’immagine dell’oggetto inquadrato. Le lenti per svolgere questo compito sono fissate al telescopio attraverso ghiere che le sorreggono sui bordi, pertanto le lenti devono avere dimensioni ridotte, per evitare che si deformino o si rompano per effetto del loro eccessivo peso. Per questo motivo i Telescopi Ottici Rifrattori hanno dimensioni ridotte e tutti i grandi telescopi per osservazioni astronomiche sono Riflettori.

I Telescopi Riflettori utilizzano uno specchio primario concavo, come obiettivo, e uno o più specchi secondari di dimensioni minori e di varie forme, a seconda del modello di telescopio. Le maggiori dimensione degli specchi e, di conseguenza, dei telescopi che li contengono, sono garantiti dal fatto che, avendo una superficie non necessaria alla riflessione, gli specchi possono essere supportati anche sulla parte posteriore, oltre che sui bordi.

A seconda del numero di specchi e della loro forma (parabolica, sferica, iperboloide), troviamo diverse tipologie di costruzioni di Telescopi Riflettori, ideate per scopi differenti. Avremo quindi, per citarne alcune, il Riflettore Newton, il primo e più classico telescopio basato sullo schema ideato da Isaac Newton, la costruzione Cassegrain, Cloudè, Schmidt o Ritchey-Chrétien.

Per convenzione sono inclusi in questa categoria anche i Telescopi Catadiottrici, sistemi misti composti da lenti e specchi, come i Maksutov e gli Schmidt-Cassegrain.

Per osservare buchi neri, ammassi di galassie e i fenomeni ad alta energia dallo spazio non visibile, i Telescopi Ottici non sono sufficienti, è necessario effettuare le osservazioni astronomiche direttamente dallo spazio. Per questo tipo di studi astronomici sono necessari i Telescopi a raggi X, che vengono montati su palloni aerostatici o su satelliti in orbita attorno alla Terra.

I Telescopi X sfruttano dei particolari Specchi Riflettori concentrici, avvolti uno all’esterno dell’altro, e formati da un sottilissimo strato d’oro. La lavorazione di questi specchi è estremamente complessa, poiché anziché sfruttare la parte centrale, come nei Telescopi Ottici, riflettono tramite le pareti, le quali devono avere superfici metalliche estremamente lisce.

Questi specchi, essendo concentrici e confocali, devono avere una copertura superficiale prodotta con la tecnica del Multilayer Coating, in cui sono sovrapposti strati di materiali ad alta densità, alternati a strati di materiali a bassa densità.

Materiali di produzione per i Telescopi Ottici

Le lenti dei Telescopi Rifrattori, per ridurre l’aberrazione cromatica a cui sono soggetti, devono essere realizzate con vetri di altissima qualità, con un alto indice di rifrazione e una bassa dispersione. Un indice di rifrazione alto permette di ridurre lo spessore della lente, diminuendo di conseguenza anche l’effetto di rifrazione, la distorsione dell’immagine e i disturbi cromatici; la bassa dispersione consente di correggere le aberrazioni cromatiche.

Gli Specchi dei Telescopi Riflettori, avendo una singola superficie e non essendo soggetti ad aberrazione cromatica, possono essere realizzati con diversi tipi di vetro, purché abbiano coefficiente di dilatazione termica praticamente nullo, per resistere alle variazioni di temperatura a cui sono sottoposti durante la riflessione.

Tra i materiali più utilizzati per la produzione degli Specchi Ottici per i Telescopi Riflettori ci sono:

• vetro borosilicato (o Pyrex),
• Corning Ule (Ultra low expansion), praticamente a espansione prossima allo zero,
• Zerodur, o altri vetri ceramici,
• Fused Silica (Quarzo).

Tecnottica ha un ampio magazzino di vetri ottici grezzi e Fused Silica, commercializzati dai principali produttori mondiali. La lastra di partenza è meticolosamente selezionata affinché non presenti difetti ottici nella massa vetrosa, come bollicine, graffi, ecc. Per la produzione degli Specchi Ottici, l’Azienda si occupa internamente del taglio dei blocchi e delle lastre.

Tecniche di produzione degli Specchi Ottici

I materiali utilizzati per produrre gli Specchi Ottici per l’Osservazione Astronomica devono essere lavorati con estrema precisione, e richiedono un processo complesso, competenze avanzate e tecnologie all’avanguardia, in Tecnottica, la lastra di vetro tagliata è sottoposta a Sbozzatura, Lucidatura (con eventuale asfericizzazione/parabolizzazione) e Coating. Tutte le fasi sono costantemente monitorate attraverso sistemi di Metrologia avanzati, per consentire la correzione di imperfezioni in ogni fase di lavorazione; e il processo termina con un meticoloso Controllo di Qualità.

Il processo per la produzione delle lenti per i Telescopi Rifrattori è analogo a quello sopra riportato, con l’eventuale aggiunta di un trattamento anti-riflesso superficiale.

La Sbozzatura

La Sbozzatura è la fase in cui si dà forma allo specchio, è la lavorazione che consente di ottenere la curvatura desiderata. Il vetro è trattato in più fasi con appositi abrasivi, (come ad esempio diamanti, quarzo, smeriglio, carburo di silicio o carborundum, ossidi di cromo o di ferro), sostanze di notevole durezza sotto forma di granelli, che a contatto con il vetro trattato asportano del materiale dalle superfici di lavorazione. Gli abrasivi utilizzati hanno grana sempre più fine man mano che si procede con la sbozzatura, affinché tolgano i graffi lasciati dall’abrasivo precedente, praticandone di più sottili e meno evidenti.

Durante le varie fasi di lavorazione, la curvatura dello specchio è accuratamente monitorata e controllata mediante strumenti di misurazione ad alta precisione, garantendo che la forma finale sia conforme alle specifiche richieste.

La Lucidatura

La Lucidatura ha lo scopo di rendere la superficie perfettamente liscia e riflettente, eliminando ogni minima irregolarità e preparandola per il successivo trattamento di rivestimento (alluminatura, argentatura o doratura). Durante la lucidatura viene utilizzata una speciale polvere abrasiva sottilissima a base di ossido di cerio. La lavorazione procede con estrema delicatezza e richiede una notevole esperienza da parte dell’operatore, al fine di ottenere una superficie perfettamente uniforme e priva di difetti. Nelle situazioni laddove è richiesto il raggiungimento di errori di forma molto contenuti, o laddove si renda necessario parabolizzare o asfericizzare le superfici, la lucidatura standard viene completata da un processo di lucidatura aggiuntivo con correzioni “a zona”. In questo caso, con l’ausilio di un profilometro ad alta risoluzione, viene inviato un feedback retroattivo alla macchina, che impartisce correzioni dell’ordine di pochi nanometri su aree ridotte di pochi mm di estensione.

IlCoating 

Il Coating o la copertura della superficie, con il corretto materiale riflettente, è di fondamentale importanza per ottenere la superficie specchiante, i metalli riflettenti solitamente usati per gli Specchi Astronomici sono l’Alluminio, l’Argento e l’Oro, applicati attraverso processi di Alluminatura, Argentatura o Doratura.

L’alluminio, visto il suo costo contenuto, è il materiale più diffuso nella realizzazione degli specchi per le osservazioni astronomiche. L’argento a causa della facilità con cui si ossida in condizioni atmosferiche aggressive è utilizzato solo su specchi astronomici di grandi dimensioni e realizzato esclusivamente tramite l’Atomic Layer Deposition. L’Oro è utilizzato in caso di osservazione nell’infrarosso, in quanto il suo potere di riflessione diminuisce verso la parte Blu dello spettro.

Misurazione, Controllo Qualità e correzione degli errori

La produzione di componenti ottici di precisione richiede un controllo minuzioso e la correzione degli eventuali errori, per questo motivo, al termine della produzione, è necessario un controllo della superficie con strumenti metrologici avanzati, che consenta di identificare eventuali difetti e aberrazioni e definire il processo per correggerli.

Alcuni errori possono essere evitati in fase di progettazione degli specchi, scegliendo opportunamente la forma delle superfici impiegate con l’ausilio di software e di CAD ottici avanzati, come ad esempio il Coma, l’aberrazione più comune nei Telescopi Riflettori con uno specchio parabolico, che distorce le immagini lontane dall’asse ottico.

L’aumento dell’impiego di Specchi nei Telescopi Ottici di dimensioni sempre più grandi, per osservazioni astronomiche sempre più accurate, implica un aumento del loro diametro e di conseguenza del loro spessore. Questa tendenza ha portato la Ricerca a sviluppare nuove tecnologie produttive, strumenti di progettazioni all’avanguardia, test e utilizzo di nuovi materiali di produzione e la realizzazione di nuove strutture optomeccaniche di supporto.

Tecnottica, impiegando tecnologie e macchinari all’avanguardia e tecnici esperti con competenze avanzate, realizza Specchi Ottici per le osservazioni astronomiche con elevata purezza, superficie perfettamente levigata e riflettività ottimale. Il costante impegno a migliorarsi, consente all’Azienda di produrre componenti per telescopi in grado di fornire immagini di una nitidezza eccezionale, spingendo sempre più lontano i confini della nostra conoscenza dell’Universo.

Inoltre, Tecnottica è pronta a cogliere anche le sfide più difficili grazie al suo spirito di innovazione e alla sua dedizione nel soddisfare i clienti. Con una combinazione di esperienza, passione e tecnologia, è in grado di affrontare e superare ogni ostacolo, fornendo Soluzioni Ottiche di precisione che rispondono alle esigenze più complesse della Ricerca Astronomica.