• Con il programma Zenith, la DARPA intende progettare e realizzare specchi liquidi per sostituire quelli di vetro o di ottica al berillio nella prossima generazione di telescopi.
• I vantaggi dei telescopi a specchio liquido (LMT) sono molti, tuttavia la loro realizzazione costituisce comunque una sfida.
• Il team di Zenith ha come obiettivo quello di superare i pochi svantaggi presentati dai LMT e di permettere telescopi più grandi, funzionali e meno costosi per il prossimo futuro.

L’agenzia americana DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ha ideato il progetto Zenith, un programma quadriennale di progettazione e sviluppo di specchi liquidi per i telescopi del futuro. L’obiettivo è quello di sfruttare la tecnologia a specchio liquido come alternativa al vetro o all’ottica al berillio, di cui sono costituiti gli specchi degli odierni telescopi terrestri e spaziali.

I telescopi a specchio liquido (LMT, Liquid-Mirror Telescope) funzionano in base al principio fisico secondo cui la superficie di un fluido può formare un paraboloide, ideale per focalizzare la luce. Esistono da molti anni, ma limitazioni tecniche significative ne hanno ostacolato l’utilità. Tuttavia, poiché i costi per costruire e mantenere ottiche “tradizionali” sempre più complesse si stanno facendo sempre più proibitivi, l’idea d’implementare gli LMT è decisamente sensata.

“Gli LMT affrontano tutte le carenze dell’ottica del vetro” ha affermato il maggiore dell’aeronautica militare Michael “Orbit” Nayak, responsabile del programma Zenith, “ma presentano sfide uniche, che miriamo a superare in questo programma.”

Come funzionano i telescopi a specchio liquido?

Il principio di funzionamento di un LMT è sostanzialmente lo stesso di quello di un telescopio riflettore, con l’unica differenza che lo specchio, in questo caso, è costituito da una sostanza allo stato liquido. Il vantaggio principale sta nel fatto che modellare il vetro per ottenere uno specchio parabolico richiede una lavorazione lunga e costosa. Un liquido posto in rotazione, invece, assume naturalmente la forma di una parabola, per la combinazione tra forza di gravità e forza centrifuga.

Il materiale liquido usato è il mercurio, la sostanza più riflettente che esiste. Il Large Zenith Telescope, in Canada, ha uno specchio liquido che contiene 28 litri di mercurio in un contenitore che ruota ogni otto secondi e mezzo. Nell’aprile scorso, invece, è stato riempito di 50 litri di mercurio lo specchio per l’International Liquid Mirror Telescope, a 2540 metri di altitudine sull’Himalaya, che è spesso tre millimetri e mezzo ed è il più grande specchio liquido attualmente esistente.

Il più grande svantaggio per gli LMT è a Terra, dove essi sono limitati allo zenit: possono guardare solo verso l’alto. Inclinando il telescopio ad angolo, il paraboloide perde forma e il liquido fuoriesce dalla piastra di base. Il delicato equilibrio di forza necessario per garantire matematicamente una forma che focalizzi la luce, richiede che l’asse di rotazione sia esattamente verticale.

Per gli LMT nello spazio, invece, lo svantaggio risiede nel fatto che la spinta del veicolo spaziale necessaria per indurre la gravità richiede l’uso di propellente, una risorsa tipicamente limitata. La rotazione per formare la superficie di imaging parabolico crea inoltre una maggiore complessità di progettazione.

Le potenzialità e il programma Zenith di DARPA

Al di là di questi problemi tecnici, che saranno ovviamente da valutare e superare, i vantaggi degli specchi liquidi rispetto al vetro sono molti. Includono costi di fabbricazione più bassi, risoluzione massima (e limitata dalla diffrazione della luce nel liquido), resistenza ai danni, possibilità di scalare a dimensioni ottiche molto grandi.

Da ricordare anche una potenziale capacità di autoriparazione, poiché non c’è un elemento solido in grado di rompersi, e l’eliminazione del regolare e costoso rivestimento dello specchio e delle cupole di protezione contro gli agenti atmosferici. Nayak ha spiegato:

Vogliamo rompere il paradigma che richiede rotazione e gravità per creare la superficie ottica focalizzante la luce. Abbiamo in programma di sfruttare i recenti progressi nella tecnologia dei materiali, nel controllo della forza elettromagnetica e potenzialmente in altri metodi per risolvere le restrizioni imposte agli attuali LMT.

Il programma Zenith mira a creare una nuova generazione di LMT che possono essere puntati in qualsiasi direzione, per consentire un’ampia varietà di applicazioni astronomiche. Se la ricerca DARPA si rivelerà un successo, in futuro potremo disporre di telescopi molto grandi e dalle prestazioni sempre migliori, oltre che dai prezzi più accessibili.

Zenith comprende tre fasi: una fase di progettazione preliminare, una fase dimostrativa in laboratorio e una fase dimostrativa in cielo. Le prime due fasi si concentreranno sulle aperture. La terza fase del programma prevede la modifica dei precedenti progetti per includerne uno segmentato. Nella terza fase è inclusa l’espansione di uno specchio liquido primario in una dimostrazione del telescopio ottico completamente funzionante, per testare anche le capacità di imaging.

Un video di presentazione del Proposers Day del programma Zenith, tenutosi il 10 gennaio 2023, è disponibile qui.