A ótica é o que faz um telescópio funcionar, mas criar o espelho perfeito é um processo intrincado e artesanal.

Se você já participou de uma festa de clube de estrelas ou de uma convenção de astronomia amadora, sem dúvida já caminhou por um campo de observação. Espalhadas por toda parte estão silhuetas de telescópios e participantes, todos falando sobre o mesmo assunto. Alguns telescópios são cercados por pequenos grupos, enquanto outros são cercados por pessoas em fila, esperando por uma chance de ver o alvo atual.

Crédito da imagem: Optiques Fullum

Frequentemente, os refletores newtonianos de grande abertura são os mais procurados, pois suas oculares revelam detalhes que não são vistos em instrumentos menores. Seja avistando os labirintos intrincados de uma nebulosa brilhante, o espetáculo cintilante de um aglomerado de estrelas ou o brilho fraco de uma galáxia deste lado do infinito, esses magníficos telescópios acumulam mais "oohs" e "ahs" por polegada de abertura do que sobre qualquer outro.

No coração desses instrumentos extraordinários e feitos à mão estão suas óticas. Os espelhos dentro desses telescópios são cuidadosa e individualmente feitos por artesãos óticos. Eles combinam técnicas de fabricação de última geração com testes individualizados para garantir que cada espelho seja quase perfeito.

Para descobrir como eles fazem isso, entrevistei recentemente os proprietários de vários fabricantes de ópticas premium, incluindo Lightholder Optics, Optiques Fullum, Ostahowski Optics, Waite Research e Zambuto Optical. Cada proprietário me ensinou seus pensamentos sobre tópicos que vão desde como começaram suas carreiras até as técnicas específicas que seguem para criar suas obras-primas.

A pedido de um proprietário privado, Optiques Fullum criou este espelho Techno Fusion de 61,25 polegadas f/3.5. Crédito da imagem: Optiques Fullum

Começos simples

Esses espelhos mágicos são criados em pequenas oficinas óticas por pessoas que normalmente entram no negócio por acaso.

Alguns tiveram mentores desde o início que foram fundamentais para ajudá-los a aprimorar suas habilidades. Carl Zambuto, da Zambuto Optical, credita a um fabricante local de telescópios amadores, Earl Watts, por convencê-lo a fazer seu primeiro espelho, um de 6 polegadas. “Não tive nenhum interesse, mas ele persistiu. Então, eu [fiz] o primeiro e me atingiu como uma doença”, diz ele. “No fim de semana seguinte, eu estava [criando] outro ao ar livre em um dia de neve na casa dos meus pais nas montanhas.”

Normand Fullum de Optiques Fullum, no entanto, fez seu primeiro espelho por necessidade. “Eu não tinha dinheiro para comprar meu primeiro telescópio, então decidi fazer eu mesmo”, diz ele. Ainda assim, o resultado foi igual ao de Zambuto: “Os resultados foram tão gratificantes que decidi fazer um segundo e depois outro.”

Enquanto esses fabricantes de telescópios amadores compartilhavam as observações por meio de seus telescópios com amigos e outros amadores, outros entusiastas pediam seus próprios espelhos. As coisas começaram devagar. Mas, à medida que sua reputação crescia, seus negócios também cresciam.

As ferramentas de esmerilhamento podem ser feitas de uma variedade de materiais, mas o mais comum é vidro, gesso ou cerâmica. Crédito da imagem: Waite Research

Fazendo espelho para um telescópico

Para começar, uma nova placa de espelho é “lixada” para criar uma curva parabólica precisa em um processo chamado retificação. Para fazer isso, a peça em branco é combinada com um dispositivo chamado ferramenta de retificação, geralmente feita de vidro, gesso ou cerâmica. Ao contrário das tiras de lixa típicas, a chamada lixa usada na moagem é, na verdade, uma mistura de areia e água. Uma camada de areia é polvilhada no espaço em branco. Em seguida, a água é borrifada na areia e a máquina é ligada para girar a ferramenta de moagem. Mais areia e água são adicionados conforme necessário. Quanto mais grosso for o grão, mais rápida será a lixagem - mas também mais áspera será a superfície. É por isso que é importante medir frequentemente a profundidade da curva ao longo de todo o processo.

Após o desbaste vem o polimento. Neste ponto, cada espelho é testado para verificar a curva côncava inicial. Uma curva côncava esférica é geralmente aceitável para espelhos de alta proporção focal (geralmente f/10 e acima). Mas os ângulos íngremes em espelhos de relação focal inferior, especialmente nos sistemas sub-f/4 Newtonianos rápidos de hoje, requerem curvas parabólicas ultra-suaves e elaboradas com precisão para focar corretamente a luz que entra. Portanto, a superfície do espelho deve primeiro passar por um processo chamado figuração.

A figuração é feita passando-se uma segunda ferramenta, conhecida como lapidação de passo, sobre o espelho com a mão enquanto o espelho gira na retificadora. A granalha utilizada nesta etapa de produção, tecnicamente chamada de pasta de polimento, permite ajustes muito precisos na curva. É aqui que a arte realmente entra. Testes e inspeções meticulosas, seguidos pela correção lenta de colinas, vales e outras zonas irregulares na curva parabólica - primeiro com máquinas e depois à mão - são essenciais para resultados excepcionais.

Para testar quaisquer imperfeições ópticas na fase final, o espelho passa por várias avaliações ópticas usando interferômetros em condições ambientais controladas. O teste de interferometria compara um espelho de referência com uma precisão conhecida com o espelho recém-fabricado. Um feixe de laser é disparado entre os dois espelhos, criando uma série de linhas, chamadas franjas, na superfície do espelho. Um computador então lê essas linhas e calcula a média dos resultados de uma série de testes para determinar a precisão do espelho. Para fabricantes como Terry Ostahowski da Ostahowski Optics, este relatório gerado por computador é normalmente entregue ao comprador para provar objetivamente a qualidade do espelho.

Uma vez que um espelho é fabricado, tudo o que resta é que ele seja revestido. Alguns fabricantes de espelhos premium enviam seus produtos para empresas de revestimento de renome, enquanto outros fazem isso internamente. Independentemente disso, a maioria dos espelhos premium apresentam revestimento de alumínio aprimorado para refletir 96 por cento da luz que atinge sua superfície. Em comparação, a aluminização padrão reflete cerca de 90 por cento. A camada reflexiva é depositada em uma câmara de vácuo, onde o alumínio é evaporado para criar um vapor, que reveste uniformemente o espelho. Para criar um revestimento aprimorado, várias camadas de filme dielétrico são adicionadas sobre o alumínio. Finalmente, para evitar arranhões, uma cobertura de dióxido de silício (SiO2), que é dura e transparente, é depositada para proteger a superfície delicada.

Um molde de espelho está pronto para ser triturado nesta imagem. Uma camada de areia e água será adicionada ao topo da placa antes que a máquina seja ligada. Crédito da imagem: Waite Research

A arte 

Embora o processo geral de criação de um espelho seja o mesmo, cada fabricante tem suas próprias peculiaridades e truques quando se trata de produzir os melhores espelhos.

“Os espaços em branco do espelho geralmente começam como espaços em branco moldados ou vidro que é cortado por jato de água de uma folha de vidro plana”, explica Gordon Waite, da Waite Research. “Nós desenvolvemos uma máquina de polimento bruto computadorizada de alta velocidade programada com uma série de movimento para mover o espelho suavemente em direção ao formato de superfície desejado.” Este ajuste fino continua até os momentos finais do acabamento de um espelho. Para Zambuto, o processo é todo sobre controle: “Esta é uma loja para duas pessoas. Usamos ferramentas e máquinas simples que construímos.” Dessa forma, eles podem controlar todos os aspectos da fabricação do espelho, desde a moldagem do espelho até o endurecimento do vidro, por meio do aquecimento e resfriamento lento, até o esmerilhamento, o polimento, a modelagem, o teste e o revestimento. As máquinas da Zambuto também oferecem um bônus: “Cada máquina tem apenas uma tarefa no processo,

Alternativamente, você pode iniciar o processo com um blank pré-gerado, economizando tempo e aumentando a eficiência das operações. Esse é o caminho que John Lightholder, da Lightholder Optics, segue. Ele então corta e lustra as bordas do espelho em um processo chamado biselamento, que garante que as bordas do espelho não espalhem a luz de maneira inadequada. “Em seguida”, diz ele, “é moer com granalha de óxido de alumínio de 40 mícrons” até que o espelho esteja próximo da distância focal desejada. Em seguida, ele segue com uma moagem fina, usando “pós de 30, 20, 9 e 3 mícrons, verificando constantemente ao longo do caminho para manter a distância focal desejada”.

Daqueles com quem falei, a Optiques Fullum produziu o maior espelho: uma ótica monstruosa de 61,25 polegadas f/3.5. Para espelhos maiores que 24 polegadas, Fullum faz seus próprios blanks “Techno-Fusion” que usam um processo de fusão exclusivo, permitindo que ele construa espelhos rígidos muito grandes que são surpreendentemente leves para seu tamanho. Em vez de vidro sólido, os espelhos Techno-Fusion apresentam uma estrutura central aberta que consiste em dois discos de vidro finos imprensando colunas verticais de vidro borossilicato que suportam a superfície do espelho. Este design não apenas reduz o peso, mas também reduz o processo de resfriamento noturno necessário para a estabilidade da imagem.

Não importa a técnica, o resultado final é um espelho que, quando colocado em um telescópio bem-feito, com certeza receberá “oohs” e “ahs” de qualquer pessoa que olhar pela ocular - especialmente o orgulhoso proprietário.

Recursos adicionais:

• Gaia Ciência: Quem inventou o Telescópio?
• NASA: James Webb Space Telescope - Galeria de vídeos e imagens
• NASA: Telescópios espaciais do futuro

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Referência:

HARRINGTON, Phil. Explore how telescope mirrors are made. Astronomy, 27, jul. 2021. Disponível em: <https://astronomy.com/magazine/news/2021/07/explore-how-telescope-mirrors-are-made>. Acesso em: 29, ago. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.