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 FH Dortmund entwickelt für das CERN
22.07.2019 | Fachhochschule Dortmund

nachricht MOF@SAW oder: Nanobeben und molekulare Schwämmchen zum Wiegen und Trennen winzigster Massen
22.07.2019 | Universität Augsburg

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: MOF@SAW oder: Nanobeben und molekulare Schwämmchen zum Wiegen und Trennen winzigster Massen

Augsburger Chemiker und Physiker berichten, wie ihnen die extrem schwierige Trennung von Wasserstoff und Deuterium in einem Gasgemisch gelungen ist.

Dank der hier vor Ort entwickelten und bereits vielfach angewendeten Surface Acoustic Waves-Technologie (SAW) ist die Universität Augsburg international als...

Im Focus: MOF@SAW: Nanoquakes and molecular sponges for weighing and separating tiny masses

Augsburg chemists and physicists report how they have succeeded in the extremely difficult separation of hydrogen and deuterium in a gas mixture.

Thanks to the Surface Acoustic Wave (SAW) technology developed here and already widely used, the University of Augsburg is internationally recognized as the...

Im Focus: Bessere Wärmeleitfähigkeit durch geänderte Atomanordnung

Die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien ist eine aktuelle Herausforderung in den Nanowissenschaften. Forschende der Universität Basel haben mit Kolleginnen und Kollegen aus den Niederlanden und Spanien gezeigt, dass sich allein durch die Anordnung von Atomen in Nanodrähten atomare Vibrationen steuern lassen, welche die Wärmeleitfähigkeit bestimmen. Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse kürzlich im Fachblatt «Nano Letters».

In der Elektronik- und Computerindustrie werden die Komponenten immer kleiner und leistungsfähiger. Problematisch ist dabei die Wärmeentwicklung, die durch...

Im Focus: Better thermal conductivity by adjusting the arrangement of atoms

Adjusting the thermal conductivity of materials is one of the challenges nanoscience is currently facing. Together with colleagues from the Netherlands and Spain, researchers from the University of Basel have shown that the atomic vibrations that determine heat generation in nanowires can be controlled through the arrangement of atoms alone. The scientists will publish the results shortly in the journal Nano Letters.

In the electronics and computer industry, components are becoming ever smaller and more powerful. However, there are problems with the heat generation. It is...

Im Focus: Nanopartikel mit neuartigen elektronischen Eigenschaften

Forscher der FAU haben Konzept zur Steuerung von Nanopartikeln entwickelt

Die optischen und elektronischen Eigenschaften von Aluminiumoxid-Nanopartikeln, die eigentlich elektronisch inert und optisch inaktiv sind, können gesteuert...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Ein Schlüsselelement der Umwelt: Phosphor

22.07.2019 | Veranstaltungen

Testzone für die KI-gestützte Produktion

18.07.2019 | Veranstaltungen

„World Brain Day“ zum Thema Migräne: individualisierte Therapie statt Schmerzmittelübergebrauch

18.07.2019 | Veranstaltungen

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

Verdächtige Immunzellen der Multiplen Sklerose entlarvt

22.07.2019 | Biowissenschaften Chemie

Programmierbare Strukturdynamik

22.07.2019 | Biowissenschaften Chemie

MOF@SAW oder: Nanobeben und molekulare Schwämmchen zum Wiegen und Trennen winzigster Massen

22.07.2019 | Physik Astronomie

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