Der weltweit größte monokristalline Siliziumspiegel, hergestellt für das Einstein-Teleskop

Mit einem Durchmesser von 45 Zentimetern und einem Gewicht von 80 Kilogramm ist der monokristalline Siliziumspiegel für das ET-CRISTAL-Labor in Lüttich der größte, der jemals weltweit hergestellt wurde. Der Spiegel wurde vom wallonischen Unternehmen AMOS im Rahmen des ERC-SILENT-Projekts von Prof. Christophe Collette (Universität Lüttich) poliert und stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung der Technologie für das zukünftige Einstein-Teleskop dar.

or mehr als fünf Jahren startete Prof. Christophe Collette, Luft- und Raumfahrtingenieur an der Universität Lüttich, ein ehrgeiziges Projekt zur Konstruktion und Herstellung eines außergewöhnlich großen monokristallinen Siliziumspiegels. Ziel war es, die Grenzen der optischen Technologien für die Grundlagenforschung weiter zu verschieben. „Der rohe Kristallstab wurde von einem spezialisierten amerikanischen Unternehmen hergestellt, das Geräte für das Züchten von Siliziumkristallen liefert“, erklärt der Forscher. „Anschließend wurde er AMOS zur mechanischen Bearbeitung und zum Polieren anvertraut.“

Diese Zusammenarbeit hat nun zu einer außergewöhnlichen Leistung geführt: einem Spiegel mit einem Durchmesser von 45 Zentimetern und einem Gewicht von etwa 80 Kilogramm, dessen verbleibende Oberflächenrauheit nach dem Polieren in der Größenordnung von einem Nanometer liegt – mit anderen Worten: Unebenheiten, die eine Million Mal kleiner sind als ein Millimeter.

Der Durchmesser von 45 Zentimetern ist an sich schon bemerkenswert, da die Herstellung eines monokristallinen Siliziumkristalls dieser Größe ohne Defekte oder Korngrenzen an der Grenze dessen liegt, was mit den derzeitigen Techniken möglich ist. Dieses Bauteil ist daher der größte monokristalline Siliziumspiegel, der bisher hergestellt wurde. Obwohl die Leistungsdaten noch nicht vollständig alle Spezifikationen erfüllen, die für das zukünftige Einstein-Teleskop angestrebt werden, repräsentiert dieser Spiegel den derzeit fortschrittlichsten Stand der Technik.

Vom Kristallstab zum Präzisionsspiegel

Alles beginnt mit einem monokristallinen Siliziumstab: einem massiven Zylinder, der aus einem einzigen Kristall besteht und äußerst langsam aus einem Bad aus geschmolzenem Silizium gezogen wird. Diese Kristallzüchtung wurde von einem amerikanischen Unternehmen durchgeführt, das auf die Herstellung von Maschinen für solche Anwendungen spezialisiert ist. Bis heute sind weltweit nur wenige Unternehmen in der Lage, monokristallines Silizium mit einem solchen Durchmesser herzustellen. In dieser Größenordnung würde selbst die kleinste Verunreinigung oder der geringste Kristallfehler die Homogenität des Materials beeinträchtigen, was einen Einkristall mit einem Durchmesser von 45 Zentimetern besonders selten macht.

Nach der Ankunft in Belgien wurde die mechanische Bearbeitung AMOS anvertraut, einem Spin-off der Universität Lüttich. Silizium ist ein hartes, aber zugleich sprödes Material, das keinerlei Fehler verträgt; schon ein kleiner Rechenfehler hätte ausreichen können, um es zum Brechen zu bringen.

„Der Kristallstab wurde zunächst auf Maß gesägt und anschließend mit Diamantwerkzeugen in Form gebracht – den einzigen Werkzeugen, die dieses Material bearbeiten können“, erklärt Philippe Klinkenberg, Leiter der Abteilung Optikfertigung bei AMOS. „Danach folgten langwierige Schleif- und Polierprozesse, bei denen immer feinere Schleifmittel nach und nach die mikroskopischen Beschädigungen beseitigten, die während der vorangegangenen Bearbeitungsschritte unter der Oberfläche entstanden waren. Nach jedem Bearbeitungsschritt wurde das Ergebnis mit hochpräziser optischer Messtechnik überprüft, bis eine verbleibende Oberflächenrauheit von etwa einem Nanometer erreicht war.“

Insgesamt dauerten die mechanische Bearbeitung und das Polieren sechs Monate, um den rohen Kristallstab in einen hochpräzisen Spiegel zu verwandeln.

Centre Spatial de Liège (CSL)

Der Spiegel wird gegen Ende des Jahres imET-CRISTAL-Labor (CRyogenic and Inertial STAbility Lab) installiert, das in Kürze in den neuen Gebäuden des Centre Spatial de Liège (CSL) untergebracht wird. Hier kann das Fachwissen des CSL im Bereich der Kryotechnologie und der Reinraumumgebungen optimal genutzt werden. Darüber hinaus wird das Labor über eine zusätzliche Vakuumkammer mit einem Durchmesser von drei Metern verfügen, in der der E-TEST-Prototyp weiterentwickelt wird.

Der Spiegel wird als experimentelle Plattform für die Entwicklung und Validierung von Technologien für Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation und letztendlich für das Einstein-Teleskop dienen.