Eine der größten technologischen Herausforderungen des Observatoriums
Das Einstein-Teleskop wird unter anderem einen speziellen Niederfrequenz-Interferometer (ET-LF) umfassen, der bei kryogenen Temperaturen von 10 bis 20 Kelvin betrieben werden muss, um thermisches Rauschen zu minimieren. Herzstück dieses Interferometers sind großformatige Spiegel aus hochreinem Silizium – Substrate, die extrem niedrige optische Absorption und exzellente mechanische Eigenschaften mit Abmessungen kombinieren müssen, die weit über das mit etablierten Produktionsverfahren derzeit Machbare hinausgehen. Hinzu kommen anspruchsvolle kryogene Aufhängesysteme sowie stabile Ultrahochvakuum-Bedingungen für den störungsfreien Langzeitbetrieb.
Genau hier setzt das Projekt D an: Die beteiligten Partner – darunter das Deutsche Zentrum für Astrophysik (DZA), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die OTH Regensburg – bündeln ihre Expertise in Kristallzüchtung, Materialwissenschaft und Kryotechnik, um skalierbare Lösungen für die ET-LF-Spiegel zu entwickeln.
Die Rolle des IKZ
Am IKZ laufen die Arbeiten an zwei der insgesamt sieben Teilprojekte des Verbunds zusammen: Unter der Leitung von Dr. Iryna Buchovska untersucht Projekt D3 systematisch den Einfluss von Verunreinigungen und Prozessparametern auf die optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von kristallinem Silizium. Im Fokus stehen dabei sowohl die Anforderungen an Spiegelsubstrate als auch an monokristalline Siliziumfasern für die Aufhängungen.
Projekt D4 erforscht das Magnetische Czochralski-Verfahren (MCz) als vielversprechenden Weg, um Siliziumkristalle mit besonders großem Durchmesser mit der für ET-LF benötigten optischen Reinheit herzustellen – kombiniert mit einer am IKZ patentierten „Self-Crucible"-Technik zur Vermeidung von Tiegelkontamination. Diese Teilprojekt steht unter der Leitung von Priv.-Doz. Dr. habil. Radhakrishnan Sumathi.
Ziel ist es, eine bislang ungelöste Lücke zu schließen: Während das etablierte Float-Zone-Verfahren (FZ) bereits die für ET-LF erforderliche optische Reinheit erreicht, bleibt sein maximal erzielbarer Durchmesser seit Jahrzehnten bei rund 200 mm – deutlich unterhalb der benötigten Spiegelgröße von über 450 mm. Das Czochralski-Verfahren (Cz) wiederum lässt sich zwar bereits auf Durchmesser bis 450 mm skalieren, führt jedoch durch Kontakt der Schmelze mit Quarztiegel und Graphitheizern zu deutlich höheren Verunreinigungswerten und damit zu einer etwa hundertfach höheren optischen Absorption als bei FZ-Silizium. Kein heute verfügbares industrielles Verfahren vereint somit gleichzeitig die geforderte Reinheit und den erforderlichen Durchmesser für ET-taugliche Siliziumspiegel – genau hier setzen die Arbeiten des IKZ an.
Bedeutung über die Grundlagenforschung hinaus
Die im Projekt entwickelten Technologien sind nicht nur für das Einstein-Teleskop relevant: Hochreines Silizium ist auch Schlüsselmaterial für leistungselektronische Bauelemente in der Energiewende sowie für siliziumbasierte Quantentechnologien. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur High-Tech Agenda Deutschland, insbesondere in den Bereichen Mikroelektronik und Quantentechnologien, und stärkt die Zusammenarbeit mit der deutschen Halbleiterindustrie, etwa mit der Siltronic AG und PVA TePla.
Das Gesamtbudget des Joint Project D beläuft sich auf rund 3,7 Millionen Euro, davon entfallen etwa 1,5 Millionen Euro auf das IKZ. Die Ergebnisse fließen direkt in die internationale Design-Arbeit der Einstein-Teleskop-Kollaboration ein und sollen die deutsche Position bei der Realisierung dieses europäischen Leuchtturmprojekts stärken.
Kontakt:
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
PD Dr. habil. Radhakrishnan Sumathi
Sektion Halbleiter / Cz
Telefon: +49 (0) 30 / 246 499 401
Email
Dr. Iryna Buchovska
Sektion Halbleiter / FZ
Telefon: +49 (0) 30 / 246 499 406
Email
Weitere Informationen:
Preparatory Program for the Einstein Telescope - Joint Project D: Mirror Technologies for ET-LF
