Werkstoffe

In der nächsten Dekade will die ESO mit dem Extremely Large Telesope ein neues Astro-Projekt mit einem 42-Meter-Spiegel realisieren. Foto: ESO
Gerhard Samulat

Der Natur ein Schnippchen geschlagen

Seit vier Jahrzehnten bietet Zerodur® Glaskeramik höchste Präzision.

Vor vierzig Jahren kam ein neuer Stoff auf die Welt: eine Glas­keramik mit dem Markennamen Zerodur®. Der Name ist Programm: Einem SCHOTT Entwicklerteam um den Werkstoffspezialisten und Physiker Dr. Jürgen Petzoldt gelang es durch findige Prozesstechnik, ein Material herzustellen, dessen Ausdehnungskoeffizient nahezu Null ist. Damit überlisteten die Experten des Mainzer Unternehmens gewissermaßen die Natur: denn normalerweise dehnen sich alle Stoffe bei Wärme aus und schrumpfen bei Kälte. Bei Zerodur® Glaskeramik ist das anders: Temperaturschwankungen machen ihr kaum etwas aus; stets bleibt sie in hohem Maße formstabil.

Das Geheimnis liegt in der ausgewogenen Mischung von 30 bis 50 Nanometer großen Kristalliten, die in eine Glasmatrix aus Lithium-, Aluminium- und Siliziumoxiden eingebettet sind. Lange bevor das Modewort ­„Nanotechnologie” also überhaupt in aller Munde war, hat SCHOTT mit dieser Technik bereits gearbeitet.
Zerodur® Glaskeramik lässt sich hochpräzise bearbeiten (rechts). Sie kommt in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz: bei Projekten wie dem ESO Very Large Telescope, für das SCHOTT 8,2-Meter-Spiegelträger fertigte (links). Foto (links): W. Feldmann, Foto (rechts): SCHOTT
Wegen seiner vorzüglichen Material­eigenschaften – er ist isotrop, homogen und zudem hervorragend polierbar – ist der Werkstoff bei vielen Anwendungen begehrt. Seine Stärken spielt er insbesondere dort aus, wo höchste Präzision gefragt ist: In der Optik beispielsweise, wo Licht und Schatten nur eine Wellenlänge auseinander liegen. Da geht es oft um Bruchteile von Tausendstel Millimetern.

Den Anstoß für die Entwicklung dieses einzigartigen Materials gab – wen wunderts? – die Wissenschaft, genauer gesagt: die Astronomie. In den 1960er Jahren drohte Deutschland auf diesem Gebiet den internationalen Anschluss zu verlieren. Deshalb trat das Observatorium der Universität Heidelberg an SCHOTT heran und bat, einen Spiegelträger für ein großes Teleskop zu entwickeln. Nach eingehenden Tests gab die Arbeitsgruppe um Petzoldt grünes Licht, und SCHOTT erhielt im November 1968 vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie, das infolge dieser Diskussionen gegründet wurde, den Auftrag.
Zerodur® Glaskeramik als Rundscheibe für Lithographiegeräte,wo es auf höchste Formgenauigkeit ankommt. Foto: SCHOTT/T. Bauer
Bis zum fertigen Instrument war es aber noch ein weiter Weg: Nahezu 150 Fachkräfte arbeiteten gut neun Jahre lang, bis das Herzstück des ersten großen deutschen Teleskops fertig war: ein rekordverdächtiger Spiegelträger mit einem Durchmesser von über 3,6 Metern und knapp 60 Zentimetern Dicke. „Wir waren alle sehr stolz auf unsere Teamleistung, wie sie damals in den 1960er Jahren durchaus nicht üblich war”, betont Petzoldt, der dem Vorstand von SCHOTT angehörte und dort unter anderem für Forschung und Entwicklung zuständig war.

Doch die Mühen haben sich gelohnt: Noch heute leistet das Instrument erstklassige Dienste. Mit seiner Hilfe entdeckten die Astronomen der Max-Planck-Gesellschaft beispielsweise das bislang größte schwarze Loch. Dieses alles verschlingende galaktische Ungetüm, dem noch nicht einmal das Licht entfliehen kann, befindet sich in 3,5 Milliarden Lichtjahren Entfernung von der Erde im Sternbild Krebs und ist nach Berechnungen der Astronomen rund 18 Milliarden Mal schwerer als unsere Sonne.
Ein elektronisches Messgerät ertastet die Geometrie der Zerodur® Glaskeramik-Oberfläche. Foto: SCHOTT/S. Oelsner
Kein Wunder also, dass nach dieser Erfolgsgeschichte viele weitere Sternwarten bei SCHOTT anklopften. Heute bestehen die Hauptkomponenten nahezu aller bedeutenden Spiegelteleskope weltweit aus Zerodur® Glaskeramik. Das gilt für das Herzstück des größten Spiegelteleskops der Welt, des Gran Telescopio Grantecan auf der Kanareninsel La Palma, und für die beiden 10-Meter-KECK-Teleskope in Hawaii. Außerdem für das Big-Bear- Sonnenteleskop im US-Bundesstaat Kalifornien und für die fliegende Sternwarte SOFIA, die sich an Bord eines Jumbojets des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und der NASA befindet.

In der Luft- und Raumfahrt zahlt sich aus, dass sich das Material gut per Schleifprozess bearbeiten lässt. Durch Abtragen von Material auf den Rückseiten der Spiegelträger gelingt es den SCHOTT Ingenieuren, superleichte Spiegelsubstrate herzustellen, die dennoch hochgradig stabil sind. Bei ­Bedarf lässt sich Zerodur® sogar zu millimeterdünnen Strukturen ätzen, was filigrane Satellitenoptiken ermöglicht.

Fit für vielfältigen Einsatz

Auch für künftige Großteleskope wird es daher kaum Alternativen geben. So planen die Vereinigten Staaten zusammen mit Kanada ein Teleskop mit 30 Metern Durchmesser, und die europäische Südsternwarte eso sogar ­eines mit 42 Metern. Für beide sind einige hundert segmentierte Spiegel vorgesehen, für die SCHOTT die Massenproduktion übernehmen könnte. Doch eignet sich Zerodur® Glas­keramik nicht nur für den scharfen Blick ins All. Es gibt ebenso überaus bodenständige Anwendungsgebiete. Das verbindende Element ist stets die Optik. Mit einem ringförmigen Laser, der auf einer massiven glaskeramischen Trägerstruktur steht, misst beispielsweise das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie zusammen mit der Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie hochpräzise die Drehbewegung der Erde. Das ist äußerst wichtig für die Navigation von Schiffen, Flugzeugen, Autos oder Satelliten.
Herzstück des präzisesten Ringlaserkreisels der Welt in der Fundamentalstation Wettzell, Deutschland, ist eine 4,25 Meter durchmessende Glaskeramikscheibe. Vier zusätzliche Zerodur® Balken erweitern die von gegenläufigen Laserstrahlen umschlossene Fläche auf 4 x 4 Quadrat­meter. Foto: Fundamentalstation Wettzell
Exaktheit ist auch bei der Herstellung von Halbleiterchips oberste ­Priorität. Die Strukturgrößen auf den Siliciumscheiben schrumpfen zu­nehmend auf wenige Nanometer – Millionstel Millimeter. Zum Belichten der so genannten Wafer wird Licht entsprechend kleiner Wellenlänge ­benötigt. Dafür gibt es aber keine trans­mittierenden Materialien mehr und Linsen fallen somit weg. Deswegen arbeitet die Halbleiterindustrie zunehmend mit Spiegelsystemen – so wie es Astronomen bereits seit Jahren tun. Auch hier ist der Werkstoff von SCHOTT wegen seiner Formstabilität ein Material der Wahl. Denn der kleinste Fehler auf einem Muster vervielfältigt sich millionenfach in der Massenproduktion von Computerbauteilen.

LCD-(Liquid Crystal Display-)Flachbildschirme für Fernseher, Laptops oder Mobiltelefone werden heute auf ähnliche Weise hergestellt wie Computerchips; bestehen sie doch ebenso aus Tausenden oder gar Millionen von Schaltkreisen für die Farb­gestaltung. Aus diesem Grund gehen viele bedeutende Anbieter dazu über, ihre Flüssigkristallbildschirme ebenfalls mit Zerodur® Spiegeloptiken herzustellen.

Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. So visiert SCHOTT Projektmanager Dr. Thorsten Döhring schon weitere Branchen an: „Der zunehmende Druck, immer exakter fertigen zu müssen, lässt den Bedarf an Zerodur® Komponenten in der Feinmechanik und der Messtechnik steigen”, ver­sichert er. Die nächsten Kapitel der ­Erfolgsgeschichte der Glaskeramik scheinen vorprogrammiert.