Měření gravitačních vln sklem

Výzkumníci z Jeny poprvé kompletně z skla vyrobili vysoce citlivé rezonátory pro vibrace senzory Einsteinova teleskopu. © Fraunhofer IOF / Výzkumníci z Jeny vyrobili vysoce citlivé rezonátory vyrobené výhradně ze skla pro vibrace senzory Einsteinova teleskopu. © Fraunhofer IOF

Vizualizace: Gravitacionální vlny jsou deformace časoprostoru, které jsou například způsobeny srážkou černých děr. © Fraunhofer IOF / Vizualizace: Gravitational waves are distortions of space-time caused, for example, by the collision of black holes. © Fraunhofer IOF

Skleněný senzor jako výkres: modře jsou listové pružiny, zelená je zkušební hmota, šedá je vnější rám, žlutá je zrcadlová vrstva. © Fraunhofer IOF / Skleněný senzor jako výkres: modře jsou listové pružiny, zelená je zkušební hmota, šedá je vnější rám, žlutá je zrcadlová vrstva. © Fraunhofer IOF

Monolitický skleněný rezonátor s tenkými listovými pružinami je vyráběn speciálním spojovacím procesem. © Fraunhofer IOF / The monolithic glass resonator with paper-thin leaf springs is manufactured using a special joining process. © Fraunhofer IOF

Vizualizace plánovaného Einsteinova teleskopu. © Marco Kraan / Nikhef / Vizualizace plánovaného Einsteinova teleskopu. © Marco Kraan / Nikhef

Einsteinův teleskop by měl od roku 2035 zkoumat gravitační vln s dosud nevídanou přesností. Výzkumníci z Jeny poprvé kompletně vyrobili vysoce citlivé senzory zcela ze skla.

Gravitační vlny jsou deformace časoprostoru, které způsobují extrémní astrofyzikální události, například srážky černých děr. Tyto vlny se šíří rychlostí světla a nesou cenné informace o takových událostech napříč vesmírem. Einsteinův teleskop by měl tyto vlny v budoucnu měřit s bezprecedentní přesností a stát se tak předním světovým měřicím přístrojem pro detekci gravitačních vln.

Pro minimalizaci rušení měření má být teleskop postaven až do hloubky 300 metrů pod zemí. I tam však dochází k mechanickým vibracím, například způsobeným vzdálenými zemětřeseními nebo povrchovým dopravou. Vysoce citlivé senzory vibrací mají tyto zbytkové vibrace měřit.

Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro aplikovanou optiku a přesnou mechaniku IOF v Jeně ve spolupráci s Max-Planckovým institutem pro gravitační fyziku (Albert-Einstein-Institut AEI) z Hannoveru vyvinuli a postavili tyto senzory vibrací pro Einsteinův teleskop.

Rezistor pro senzory vibrací poprvé kompletně vyrobený z křišťálového skla

„Takový senzor vibrací se skládá ze dvou klíčových komponent: pohyblivého rezistoru a laseru, který zaznamenává pohyb rezistoru,“ vysvětluje Dr. Pascal Birckigt, vedoucí projektu v Fraunhofer IOF v Jeně. Rezistor byl vyroben v Jeně, laser v Hannoveru. „Mechanický rezistor je část senzoru, která přeměňuje okolní vibrace na měřitelný pohyb, podobně jako ladicí klíč.“

Výzkumníci z Fraunhofer IOF vytvořili něco, co dosud neexistovalo: jemný mechanický rezistor vyrobený výhradně z křišťálového skla (>99,8 % SiO2). Kombinuje nízkou přirozenou frekvenci 15 Hz s vysokým faktorem kvality (>100 000) a kompaktní velikostí pouhých pět centimetrů v průměru.

„Senzory vibrací budou v budoucnu umístěny přímo v okolí zrcadel vážících přibližně 200 kilogramů v detektorech gravitačních vln Einsteinova teleskopu,“ vysvětluje Birckigt. Na každý zrcadlo bude umístěno tři senzory. „Citlivost senzorů díky našim rezistorům bude tak vysoká, že budou schopny jasně zobrazit vlny v Atlantiku vzdáleném přibližně 200 kilometrů od místa teleskopu jako špičky v seizmických spektrách.“

Složitá požadavky na senzor: sklo je řešení

Kompletní výroba rezistorů ze skla vyplývá ze složitých požadavků na senzor: „V Einsteinově teleskopu je málo místa pro senzory,“ vysvětluje Birckigt. „Současně musí být senzory zvlášť výkonné.“ Pouze s použitím skla jako materiálu lze splnit požadavky na kompaktnost a nízkou přirozenou frekvenci při současně vysoké citlivosti. Důvodem jsou takzvané listové pružiny uvnitř rezistoru.

Listové pružiny jsou srdcem rezistoru. Umožňují jeho nízkou přirozenou frekvenci, tedy frekvenci, při níž systém začne reagovat na vibrace. To je nutné, protože Einsteinův teleskop chce měřit nízkofrekvenční vlny v rozmezí 3 až 30 Hz. „Aby to bylo možné, existují dvě technické možnosti,“ vysvětluje Birckigt. „Buď je uvnitř rezistoru velká zkušební hmota, která reaguje na vnější vibrace, nebo jsou k zkušební hmotě připojeny dlouhé elasticky deformovatelné ohybové tyče, takzvané listové pružiny.“

Velká zkušební hmota nemůže být kvůli požadované kompaktnosti senzoru. Zůstala tedy pouze možnost s listovými pružinami, které výzkumníci vyrábějí ze skla: „Sklo se vyznačuje zvlášť vysokou tuhostí,“ vysvětluje Birckigt. „Prakticky nevykazuje plastickou deformaci. Proto je možné vyrábět tenké listové pružiny ze skla.“ Tenké znamená v tomto případě: jednotlivá pružina je tlustá 0,1 milimetru, dlouhá sedm centimetrů a váží pouhých 34 miligramů. Celkem šest takových pružin udrží uvnitř rezistoru třígramovou zkušební hmotu stabilní a vyrovnanou.

Speciální výrobní metoda pro výrobu skleněného rezistoru

Výroba tak jemného a zároveň výkonného rezistoru je složitý proces. Zahrnuje frézování, leštění a laserové zpracování. Dále se používá speciální plazmově aktivovaný spojovací proces, který vytváří na atomární úrovni vazbu mezi skleněnými povrchy rezistoru. „Obě části se tak stávají monolitickou, tedy trvalou jednotkou,“ vysvětluje Birckigt, který ve projektu dohlížel na výrobní proces skleněných dílů. „Tím je rezistor extrémně stabilní a přesný.“ Tento speciální způsob spojování skla bez použití mezivrstvy chtějí výzkumníci z Fraunhofer IOF dále rozvíjet. Jejich cílem jsou ještě složitější trojrozměrné struktury.

Potenciál použití ve vesmíru a při výrobě polovodičů

Nové skleněné rezistory mají potenciál být využity všude tam, kde je třeba sledovat zařízení s řadou kompaktních akcelerometrů nebo senzorů polohy. To je vedle výzkumu gravitačních vln například u satelitů – například pro určení jejich drah, měření povrchu Země nebo navigaci podle polohy. Dále mohou být rezistory využity ke zlepšení přesnosti měření atomových interferometrů nebo v EUV-litografii při výrobě polovodičů.

Plánované uvedení Einsteinova teleskopu do provozu od roku 2035

Einsteinův teleskop je ve vývoji od roku 2008. Jedná se o vysoce citlivý detektor gravitačních vln třetí generace s až desetinásobně vyšší citlivostí než současné detektory. Zahájení výstavby je plánováno na rok 2026, a od roku 2035 by měl teleskop začít s pozorováním. Podle současných plánů je místem jeho umístění Euregio Maas-Rhein na hranicích Německa, Belgie a Nizozemska.

Vývoj senzorů byl realizován výzkumníky z Jeny a Hannoveru v rámci projektu „Skleněné technologie pro Einsteinův teleskop“ (GT4ET).