Specchi in alluminio

[skround]

Non so se ne avete gia’ parlato in questo forum – materiali alternativi al vetro sono studiati da tempo. L’ottica di I.Newton non era di bronzo? O ottone?

Comunque, anche l’alluminio non e’ nuovo – se non erro a Merate c’era un 1.5m che poi e’ stato sostituito tipo negli anni ’60.

Ora, c’e un interessante lavoro da parte di un gruppo di brasiliani -i quali evidentemente scarseggiano di vetro di qualita’- stanno riproponendo questo materiale.

Il thread e’ su CN e sembra siano stati in grado di superare molti dei problemi tecnici nell’interpretare la lavorazione dell’ottica.

Tanto per considerare una comparazione tra Alluminio e vetro (Ca-Na) riporto il set di caratteristiche fisiche salienti (adimensionali xe’ e’ il confronto che conta) anche per scansare da equivoci sull’aspetto termico:

capacita’ termica 0.21 Al vs 0.19 vetro
coefficiente di espansione termica 21 Al vs 9 vetro
conducibilita’ termica 200 Al vs 1 vetro
densita’ e modulo di Young sono piuttosto simili

Certo e’ ancora parecchio da sondare e validare a livello pratico ma i risultati preliminari sono incoraggianti e ad oggi altri ATM al di fuori del gruppo originale si stanno cimentando per comprovare la nuova tecnica.

A livello di benefici pratici – l’alluminio ha un costo relativamente contenuto ed e’ piu’ facile da reperire del vetro.

Inoltre per una soluzione lightweight non e’improponibile metterlo su CNC per scavarlo appropriatamante e ricavare un efficiente reticolo di supporto.

[Massimo Marconi]

C’è un interessante articolo di Mirco a riguardo, dove vengono descritte e comparate le proprietà di vari materiali oltre l’alluminio per gli specchi.

Gli specchi dei telescopi sono fatti tutti in vetro ?

[Giulio Tiberini]

L’alluminio sarebbe facile da lavorare, e condivide il suo peso specifico 2,6 col vetro. Ma il problema dell’alluminio è la dilatazione termica molto elevata rispetto a quella del vetro, anche se nel contempo sarebbe rafereddabile con maggiore efficienza del vetro.

Inoltre, Sull’argomento qualità degli specchi metallici in genere, mi viene in mente qualche lettura qua e là su libri e resoconti di fabbricazione per uso astronomico, dove vengono sottolineati due problemi che concorrono a limitare risultati qualitativi ottimali, che invece sono prerogativa degli specchi in vetro.

Un problema è dato dal fatto che gli specchi metallici, anche qualora potessero essere costituiti da un solo metallo purissimo, fisicamente possiedono comunque tutti una struttura cristallina che il vetro non presenta.
E quindi il reticolo cristallino forma degli irrigidimenti molecolari che rendono variabile incostante e imprevedibile la risposta agli abrsivi finissimo della lucidatura estrema che si deve raggiungere per arrivare ai famosi non più di 68,75 nanometri di errore picco/valle, che caratterizzano la superficie di uno specchio lambda/4 per la luce visibile, che è praticamente il livello minimo di ingresso nella definizione di “limitato dalla sola diffrazione” di uno specchio astronomico.

Un ulteriore problema che riguarda anch’esso, ed ancor più la limitazione della qualità ottica ottenibile su una superficie metallica lavorata, è che solo nel vetro avviene un processo elettrochimico (oltre che meramente meccanico di lucidatura) chiamato di “trasporto molecolare” di vetro.

In pratica, piano piano, quel processo trasforma visivamente al microscopio i bordi scheggiati dei crateri lasciati dagli abrasivi fino alla grana 800 oppure 1000, che nel corso della lucidatura si vedono divenire dapprima con bordi arrotondati, e poi diminuire di dimensione via via “tappandosi” scomparendo completamente.

Il lavoro del processo di trasporto molecolare del vetro è dovuta alla elettrochimica che agisce in contemporanea sulla pece, che blocca le particelle di ossido di Cerio (elemento chimico delle terre rare assai attivo), con la presenza dell’acqua e dei silicati che compongono il vetro, che il Cerio fa interagire attivamente fra loro.

Tant’è vero che non bisogna mai lasciare la lucidatura abbandonando l’utensile per il week end sopra lo specchio, pena la comparsa sulla superficie di vetro di iridescenze, che sono l’effetto ottico visibile di difetti di superficie che per interferenza ondulatoria cancellano o intensificano alcuni colori / lunghezze d’onda, e vanno tolti con la ripresa della lavorazione, ma che obbligano ad un aumento del carico di lavoro.

Se non sbaglio alcuni antichi resoconti costruttivi sui volumi Amateur telescope making, davano come qualità otteuta su alcuni specchi metallici come un milionesimo di pollice … (magari oggi si potrebbe tecnolgicamente fare di meglio) però quella differenza era di migliaia di nanometri rispetto ai necessari soli 68,75.

Lavorando il vetro in pratica si ha la certezza che la scomparsa di tutte le asperità possibili, è sono una questione di prolungamento nel tempo del lavoro.

[BARTolomei Mirco]

Ciao Michele,
Poter utilizzare l’alluminio come blank è una cosa che farebbe piacere a chiunque. Relativo basso prezzo, possibilità di asportare meccanicamente materiale del retro dello specchio per alleggerirlo, basso peso ecc ecc. Purtroppo però ci sono dei fattori limitanti così importanti che praticamente di specchi in alluminio ce ne sono davvero pochissimi. Gli unici di cui sono a conoscenza (nelle frequenze dell’ottico) sono gli specchi di alcune camere di satelliti per l’osservazione terrestre, che però hanno dei controlli in temperatura pazzeschi, i quali mantegono tutto il banco ottico entro un range di un decimo di grado centigrado oppure di qualche sperimentazione dell’ESO e simili, i quali sono riusiti a raggiungere dei risultati soddisfacenti ma con tecniche di lavorazione che vanno ben oltre la portata di un amatore.
Ci sono problemi dovuti sia all’eccessivo coefficente di espanzione termica, sia al fatto che come dice Giulio, non sia per nulla semplice ottenere una grado di lucidatura adatto a un telescopio ottico e altri mille problemi ancora, al creep a bassa temperatura ecc ecc…
Forse per degli specchi piccolini potrebbe anche andar bene, ma ho comunque delle perplessità a riguardo. Ad ogni modo seguirò con interesse la discussione di CN.
Ciao e grazie
Mirco

[skround]

Mirco, Giulio, Marco, grazie per le risposte – al fine il motivo del post era per sondare quando fosse plausibilie l’utilizzo dell’alluminio.

Per quanto riguarda la questione termica (uno dei due ostacoli fondamentali) credo sia una questione piu’ accademica che altro. Anzi e’ possibile che l’enorme conducibilita’ termica offra vantaggi che superano il non favorevole coeff di dilatazione termica

Ho trovato questo filmato eloquente, anche se empirico:

E questo a riguardo della questione finitura:
https://partnerships.gsfc.nasa.gov/downloads/featured_technologies/optics_photonics/gsc_14147_1_mirrors.pdf

Se i brasiliani riescono ad ottenre qualcosa di simile allora diventa interessante. Dopo tutto la magia che avviene a livello chimico tra abrasivo e vetro non e’ detto che si possa replicare per l’alliminio.

Rimango anch’io osservatore di come procede questo filone finche’ la qualita’ degli specchi non verra’ comprovata sul campo e replicata da qualche altro gruppo.

[Giulio Tiberini]

Interessante esperimento quello del filmato che hai postato:
Direi che è un esempio di riscaldamento localizzato dall’esito abbastanza intuitivo, dato che col cannello viene scaldato un punto sul bordo del disco di alluminio sotto test di Ronchi, per mostrare come il Ronchi venga immediatamente stravolto dalla dilatazione locale, ma ritorni a ricomporsi in breve tempo estinguendo il fenomeno.

Il fatto è che in quel caso, la massa del disco di alluminio buon conduttore, ha una inerzia termica tale da dissipare velocemente per convezione al suo interno, quel forte calore localizzato.

Il che farebbe pensare però che: se il vetro è troppo lento nell’acclimatarsi a causa della sua cattiva conduzione del calore, ma acompagnata da un basso coefficiente di dilatazione molto favorevole; l’alluminio viceversa potrebbe essere troppo velocemente reattivo, facendo al limite variare la sua forma superficiale per dilatazione molto elevata, troppo velocemente, continuamente e in modo localmente sensibile.

Cosa che potrebbe probabilmente (visto lo zampino della NASA e del Goddard) rendere preferibile l’alluminio in alcuni strumenti ottici di satelliti artificiali destinati a viaggiare lontani o schermati, dalle fonti di calore radiativo astronomico.

Direi che una finitura come quella annunciata dal sistema Goddard di tornitura e successiva lucidatura (“diavoleria” che arriva ad una rugosità di 10 angstrom, cioè di un solo nanometro) è il risultato di un brevetto tecnologico esclusivo d’avanguardia, che immagino anche al top dei costi applicativi.

Processo però decisivamente migliorativo, perchè in grado di fare entrare la lavorazione ottica dell’alluminio in concorrenza con quella del finora insuperato vetro.

Escludendo questo innovativo processo, rimarrebbe la troppo elevata rugosità ottenibile sui metalli con il processo di lucidatura più fine di tutti, noto come lappatura.
La quale però non scende come rugosità sotto i 100 nanometri, che quindi sono insufficienti per ottenere il minimo di lambda/4 di errore, che di nanometri ne deve contare non più di 68,75.

Sui metalli non credo sia possibile alcuna trasformazione elettrochimica (al di fuori della ossidabilità) con spostamento di molecole del metallo a tappare le asperità superficiali, come avviene nel trasporto molecolare del vetro come silicato, provocato dalla contemporanea presenza di acqua, pece, ossido di cerio (e aiutato dal calore da attrito di lavorazione).

[BARTolomei Mirco]

Ciao Michele,
io resto comunque scettico sulla possibilità di costruirsi uno specchio in alluminio. Sono a conoscenza di diversi specchi fatti in alluminio, molti dei quali montati su satelliti, ma su telescopi ottici terrestri, credo ne esistano davvero pochi, e quelli che ci sono o sono per applicazioni particolari o sono sperimentali.
In quasi tutti i siti che ho visitato, coloro che producono e vendono specchi in alluminio, li propongono per X-ray telescopes, per applicazioni criogeniche, di interferometria, per medical imaging, per laser, IR e altro, ma per ottiche di telescopi nel visibile, non trovo praticamente nulla (questo anche nelle pagine che hai linkato tu).
Detto ciò, sono sempre pronto a ricredermi, e come te, seguo con interesse le prove che stanno portando aventi i brasiliani, stiamo a vedere
ciaoo

[Autore]

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