Eine künstlerische Darstellung des James-Webb-Weltraumteleskops (Bildnachweis: Northrop Grumman)
Die Bilder, die wir heutzutage von fortschrittlichen Teleskopen wie dem James Webb Space Telescope erhalten, lassen uns zweifellos in Ehrfurcht und Staunen über Galaxien, die Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Forscher der Universität Shanghai für Wissenschaft und Technologie und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hoffen, dass sie durch die Entwicklung einer dünnen, ultraschwarzen Beschichtung für Magnesiumlegierungen, die für die Luft- und Raumfahrt geeignet sind, genau das erreichen können.
Stellt euch vor, ihr wollt in einer klaren Nacht die Sterne sehen und nach Planeten Ausschau halten, dann muss es so dunkel wie möglich sein. Um dies zu erreichen, fahren Sie vielleicht weg von den Lichtern der Stadt und in eine ländlichere Gegend, wo Sie sich in völliger Dunkelheit befinden, mit Ausnahme des Mondlichts vielleicht. Dasselbe Konzept gilt für Astronomen, die mit Präzisionsoptiken arbeiten. Allerdings sind sie ein wenig erfinderischer. Um die größte Dunkelheit zu erreichen, suchen sie nicht nur Gebiete ohne Stadtbeleuchtung auf. Sie beschichten ihre Geräte mit schwarzer Farbe, um Streulicht so weit wie möglich zu reduzieren und das bestmögliche Bild und die bestmögliche Leistung zu erzielen. Die gleiche Theorie gilt für den Bau eines Teleskops, das auch im Weltraum funktioniert.
Die neue schwarze Beschichtung des Teams kann selbst unter schwierigsten Bedingungen satte 99,3 % des Lichts absorbieren.
„Bestehende schwarze Beschichtungen wie vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren oder schwarzes Silizium sind durch ihre Zerbrechlichkeit begrenzt“, sagte Yunzhen Cao, Mitautor der Studie und Professor am Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, in einer Erklärung. „Außerdem ist es für viele andere Beschichtungsmethoden schwierig, Beschichtungen im Inneren einer Röhre oder auf anderen komplizierten Strukturen aufzubringen. Dies ist wichtig für die Anwendung in optischen Geräten, da diese oft eine starke Krümmung oder komplizierte Formen aufweisen.
Das Forschungsteam setzte zur Lösung dieser Probleme die Atomlagenabscheidung (ALD) ein, ein Herstellungsverfahren, das in einer Vakuumkammer durchgeführt wird und bei dem ein Zielobjekt bestimmten Gasarten ausgesetzt wird. Die ultraschwarze Beschichtung besteht aus abwechselnden Schichten aus aluminiumdotiertem Titancarbid (TiAlC) und Siliziumnitrid (SiO2), die in Kombination eine Barriere für fast alles Licht darstellen.
Die ultraschwarze Beschichtung des Teams kann auf gekrümmte Oberflächen und Magnesiumlegierungen aufgebracht werden, um nahezu das gesamte Licht einzufangen. (Bildnachweis: Jin et al.)
„Ein großer Vorteil der ALD-Methode liegt in ihrer hervorragenden Fähigkeit zur stufenweisen Beschichtung, was bedeutet, dass wir eine gleichmäßige Beschichtung auf sehr komplexen Oberflächen wie Zylindern, Säulen und Gräben erzielen können“, sagte Cao. „TiAlC diente als absorbierende Schicht, und SiO2 wurde verwendet, um eine Antireflexionsstruktur zu schaffen, so dass fast das gesamte einfallende Licht in der mehrschichtigen Schicht eingefangen wird und eine effiziente Lichtabsorption erreicht wird.“
Aus den Tests schloss das Team, dass im Durchschnitt 99,3 % der Lichtwellenlängen aus einem breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums absorbiert wurden, der von violettem Licht bei 400 Nanometern bis hin zum nahen Infrarotlicht bei 1.000 Nanometern reicht. Die Forscher hoffen, dass diese Beschichtung die nächste Generation von Weltraumteleskopen und optischer Hardware erheblich verbessern und es ihnen ermöglichen wird, selbst unter schwierigsten Bedingungen noch bessere Leistungen als bisher zu erbringen.
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„Darüber hinaus weist die Folie eine hervorragende Stabilität in ungünstigen Umgebungen auf und ist robust genug, um Reibung, Hitze, Feuchtigkeit und extremen Temperaturschwankungen standzuhalten“, so Cao.
Die Studie wurde am 12. März im Journal of Vacuum Science and Technology A veröffentlicht.
