Один из самых необычных проектов будущих телескопов — жидкозеркальные оптические системы, где вместо стекла используется тонкий слой жидкости, формирующий отражающую поверхность под действием гравитации или других полей. В условиях микрогравитации, например на орбите, такая поверхность может быть идеально гладкой при правильной организации её формы. Это делает возможными сверхлёгкие телескопы с очень большим диаметром зеркала, которые невозможно было бы собрать из твёрдых материалов.
Эта идея сталкивается с серьёзным препятствием. При каждом изменении направления телескопа, например, при наведении его на другую область неба, жидкость смещается. Со временем такие деформации накапливаются и могут помешать точности наблюдений. Группа физиков из Техниона (Израиль) и NASA разработала подробную модель поведения жидкой отражающей плёнки при регулярных манёврах в космосе, чтобы определить критичность ситуации.
Ученые изучали систему, аналогичную гипотетической орбитальной обсерватории FLUTE (Fluidic Telescope) с жидким зеркалом диаметром 50 метров. В кольцевой конструкции создается тонкий слой жидкости (например, силиконового масла), формирующий нужную оптическую форму. Для изменения направления обзора перемещается поверхность — именно эти смещения моделировали ученые.
Расчёты демонстрируют, что при регулярных манёврах, например повороте на 45 градусов раз в сутки, форма центральной части зеркала остаётся неизменной в течение десяти лет с точностью, достаточной для высококачественной оптики. Деформации накапливаются у края, где амплитуда колебаний достигает 100 нанометров, но в центре значительно меньше. Это означает, что порядка 80% полезной площади зеркала можно использовать без существенных искажений.
Исследователи обнаружили, что чередование направления вращения способствует уменьшению асимметрии деформаций. Предполагается, что деформации можно периодически «сбрасывать», перезапустив процесс формирования поверхности, например, с помощью электростатических или центробежных методов.
Экспериментальная установка с жидкой плёнкой толщиной 10–100 микрон, подвергаемой деформации электрическим полем, была создана для проверки модели. Оптические методы отслеживали форму поверхности. Результаты подтвердили основные положения модели и продемонстрировали её применимость в оценке и проектировании реальных систем.
Концепция жидких зеркал не нова, подобные системы применялись на Земле, например, в телескопе LZT в Канаде. Там форму зеркала поддерживает вращение, формирующее параболическую поверхность. В космосе возможны альтернативные способы стабилизации, и главное — возможность избавиться от массы и сложности жёстких оптических компонентов.
Работа предоставляет инженерам инструмент для расчета поведения жидкого зеркала в условиях длительной космической миссии и оптимизации параметров. Это важный шаг для концепций сверхлёгких орбитальных телескопов, обеспечивающих огромную светосилу без тяжёлых конструкций.