Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrastabile Materialien genau untersucht

23.11.2015

PTB hat die thermische Ausdehnung bei tiefen Temperaturen für zukünftige Weltraummissionen gemessen

Der Weltraum birgt eine Vielzahl faszinierender Objekte, die wir nur erforschen können, indem wir ihre Strahlung auch jenseits des sichtbaren Bereichs beobachten. Für Weltraumteleskope wie das Infrarot-Observatorium Herschel der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA, die Strahlung im fernen Infrarot beobachten sollen, ist die Kühlung der Instrumente unerlässlich.


Das Weltraumteleskop Herschel (2009-2013) ermöglichte faszinierende Einblicke in die Entstehung von Sternen.

(Abb.: ESA)

Denn die Instrumente selbst dürfen keine störende Infrarotstrahlung emittieren. Die Spiegel dieser Teleskope, die bei Temperaturen unterhalb von 190°C zum Einsatz kommen, werden aus speziellen ultrastabilen Keramiken wie etwa Siliziumkarbid hergestellt. Um die exakten Abmessungen auch bei diesen niedrigen Einsatztemperaturen richtig zu planen, ist es erforderlich, die thermische Ausdehnung der verwendeten Materialien sehr genau zu kennen.

In einem kürzlich abgeschlossenen ESA-Projekt hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig die thermische Ausdehnung dieser Keramiken sowie von einkristallinem Silizium im Temperaturbereich von 266°C bis 20°C mit hoher Genauigkeit gemessen.

In weiten Teilen des untersuchten Temperaturbereichs entspricht die erreichte Genauigkeit einer relativen Längenänderung von etwa einem Milliardstel pro Grad Celsius. Die Untersuchungen zeigen auch, dass die bisher verwendeten Werte für das Referenzmaterial einkristallines Silizium korrigiert werden müssen. Über Letzteres wird in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review B berichtet.

Weltraumteleskope wie Herschel erforschen Spektralbereiche, die von der Erde aus nicht zugänglich sind. Als Einsatzort bleibt damit nur der Weltraum. Wie entscheidend es für den Bau solcher Teleskope ist, das thermische Ausdehnungsverhalten der verwendeten Materialien genau zu kennen, wurde bei einer der jüngeren ESA-Missionen deutlich, als die vorab durchgeführten Simulationen letztlich nicht mit den gefertigten Spiegeln übereinstimmten.

Zwar wurden die Unstimmigkeiten nicht erst im Weltraum entdeckt, aber sie führten doch zu unnötigen Verzögerungen. Um derartige Überraschungen zukünftig vermeiden zu können, waren genauere Untersuchungen der verwendeten Materialien erforderlich. Für ihre Untersuchungen im Rahmen des ESA-Projektes setzte die Gruppe von René Schödel das Ultrapräzisionsinterferometer der PTB ein. Damit maßen sie die Länge der Proben im gesamten Temperaturbereich mit Nanometer-Genauigkeit.

Dieses Interferometer ist weltweit einzigartig. Um Messungen mit ähnlicher Genauigkeit auch in anderen Instituten und mit weniger Aufwand durchführen zu können, werden üblicherweise Referenzmaterialien mit genau bekannter thermischer Ausdehnung als Vergleich herangezogen. Ein solches Referenzmaterial, einkristallines Silizium, das sich durch eine durchgehende Gitterstruktur mit sehr wenigen Störstellen auszeichnet, haben die Wissenschaftler in dem Projekt ebenfalls untersucht.

Wie einige der ultrastabilen Keramikmaterialien auch, hat Silizium die kuriose Eigenschaft, dass es sich hin zu tiefen Temperaturen ab einer gewissen Temperatur wieder auszudehnen beginnt. Auch diese – im Alltag unerwartete – Dynamik haben die PTB-Wissenschaftler genau vermessen. Ein wichtiges Ergebnis ihrer Messungen: Sie fanden in einem weiten Temperaturbereich signifikante Abweichungen von den bisher für einkristallines Silizium verwendeten Referenzwerten. Dies deutet darauf hin, dass die Referenzwerte korrigiert werden müssen.

Die Ergebnisse des Projekts sind von Bedeutung für weitere, bereits geplante Weltraummissionen wie das James Webb Weltraumteleskop (JWST), für das Einsatztemperaturen unterhalb von 220°C geplant sind, oder das Infrarot-Weltraumteleskop für Kosmologie und Astrophysik (SPICA), bei dem sogar noch niedrigere Einsatztemperaturen angedacht sind.
es/ptb

Ansprechpartner:
René Schödel, PTB-Fachbereich 5.4 Interferometrie an Maßverkörperungen, Tel. (0531) 592-5400, E-Mail: rene.schoedel@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
Thomas Middelmann, Alexander Walkov, Guido Bartl, René Schödel: Thermal expansion coefficient of single-crystal silicon from 7 K to 293 K. Phys. Rev. B 92, 174113 (2015)

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/presseinformationen/presseinf...
http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.92.174113

Erika Schow | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zukunft wird gedruckt

19.02.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer HHI präsentiert neueste VR- und 5G-Technologien auf dem Mobile World Congress

19.02.2018 | Messenachrichten

Stabile Gashydrate lösen Hangrutschung aus

19.02.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics