Je leest:

De kracht van het kleine

De kracht van het kleine

Auteur: | 24 juli 2007

Grensverleggend ruimteonderzoek vergt het uiterste van technologie. Na de extreme krachten van een lancering te hebben doorstaan, moeten de instrumenten functioneren in een allerminst aangename omgeving.

De laatste jaren is daar steeds nadrukkelijker een nieuwe eis bijgekomen. Ruimte-instrumenten moeten kleiner en daardoor lichter worden. Bovendien moeten ze minder energie verbruiken. “Dat is de reden dat we hier bij SRON veel investeren in het zo compact mogelijk ontwerpen: kleine schakelingen die veel tegelijk kunnen”, aldus Henk van der Linden, hoofd van de Engineering Divisie.

Bron: SRON Netherlands Institute for Space Research

Wie zo’n 20 jaar geleden röntgenstraling vanuit de ruimte wilde meten, had een met gas gevulde buis nodig. Daar doorheen liep een draad onder hoogspanning. Dit alles verbonden aan een flinke elektronicadoos die de hoogspanning leverde, het signaal versterkte en uitlas, en de proportionele telbuis was klaar. Vergeleken met de huidige technologie waren de apparaten groot, wogen vele kilo’s en vraten energie. Dit alles neemt niet weg dat de resultaten voor die tijd baanbrekend waren. De eerste kosmische röntgenvlammen werden ontdekt met proportionele telbuizen.

De detectoren van de eerstvolgende röntgenmissies daarentegen zullen naar verwachting afbeeldende microcalorimeters zijn. Een dergelijke detector bestaat uit 32 × 32 pixels, met een typische afmeting van 200 × 200 μm en wordt gemaakt op een siliciumchip met behulp van micromachining en dunne-filmlithografie. Ze werken bij 0,1 graad boven het absolute nulpunt van -273 oC en zijn in staat met onwaarschijnlijk hoge resolutie de energie van een enkel röntgenfoton te meten.

De divisie Sensor Research & Technology (SR&T) is koploper in de wereld als het gaat om de ontwikkeling van dit soort detectoren. Divisiehoofd SR&T Henk Hoevers: “Wij produceren deze nieuwe array detectoren in onze eigen cleanroom en testen ze in de cryogene meetopstellingen. De ontwikkeling van detectoren met 5 × 5 pixels loopt al meerdere jaren binnen SRON en de productie van het allereerste prototype 32 × 32 array is in gang gezet. We verwachten de eerste exemplaren over enkele maanden.”

Front-end elektronica

De technologie schrijdt voort en nieuwe satellietmissies tekenen zich af. Nationaal werden vorig jaar in het Actieplan Ruimtevaart de mogelijkheden beschreven. Op Europees niveau werden 5 en 6 december tijdens de ESA-ministersconferentie de lijnen uitgezet. Behalve wereldklasse detectoren lijkt de door SRON in te vullen niche in toekomstige ruimtevaartprogramma’s hoe langer hoe meer geminiaturiseerde en geavanceerde elektronica te zijn.

Enerzijds vloeit de noodzaak tot miniaturisatie voort uit de ont wikkeling van steeds kleinere en daardoor gevoeligere detectoren, die veelal bij zeer lage temperaturen werken. Het zijn daarnaast de satellieten zelf die in de toekomst kleiner en compacter zullen worden ontworpen. Dat geldt voor aardobservatiesatellieten en astrofysische missies, maar vooral voor planetaire missies zoals ExoMars.

Daarnaast staat er ook grote druk op het omlaag brengen van het energieverbruik van de elektronica. “De geminiaturiseerde technologieontwikkeling bij SRON is op den duur in principe toepasbaar op verschillende missies”, zegt Henk van der Linden. “In eerste instantie richten we ons echter op de elektronica van de bij SRON ontwikkelde detectoren en op het nauwkeurig meten van zeer langzaam veranderende signalen, zoals dat nodig is bij gravitatieen interferometriemissies.”

Het gaat daarbij vooral om de zogenoemde front-end elektronica, de elektronica die direct het signaal van de detector overneemt. Over het algemeen produceren detectoren een analoog signaal in de vorm van een stroom- of spanningsverandering. Hoe eerder in de keten dat signaal gedigitaliseerd wordt, des te minder informatie gaat er verloren. Voor de ultragevoelige detectoren die SRON op dit moment kan maken, is dit een absolute must.

Een van de vier ruimtevoertuigen waar de missie DARWIN uit zal bestaan. Doel van de missie is de zoektocht naar aardachtige planeten bij andere sterren. _ Bron: ESA_

Geïntegreerde circuits

“Op dit moment zijn we in een vergevorderd stadium in het ontwerp van de mixed-signal integrated circuit-systemen”, legt Van der Linden uit. “Traditioneel gebeurt de uitlezing van detectoren door analoge elektronica, waarna het signaal wordt overgenomen door digitale elektronica, gebruikmakend van een reeks van componenten. Wij zijn er nu in geslaagd een geminiaturiseerde oplossing te realiseren met zowel analoge als digitale circuits in één enkele chip.”

Een dergelijke miniaturisatieslag levert voordelen op die zich onmiddellijk manifesteren in andere lopende projecten van SRON. Het European Calorimeter Array, EURECA, een project dat door SRON is geïnitieerd, zal niet alleen een testopstelling vormen voor SRON’s-microcalorimeter array’s en uitlezing, maar biedt ook de mogelijkheid om de nieuw ontwikkelde mixed-signalchips te testen.

Hoge-resolutiedataverwerking

Een andere belangrijke toepassing voor deze geminiaturiseerde front-end elektronica ligt in toekomstige zwaartekrachtmissies. Satellietprojecten die het aardse gravitatieveld in kaart gaan brengen, zoals GOCE, GRACE of hun opvolgers, of die kosmische zwaartekrachtsgolven gaan meten, zoals LISA, maken gebruik van een zelfde soort technologie. Dit geldt ook voor de uitleestechnologie voor planetaire landers, bijvoorbeeld voor de ExoMars-missie – hierbij is de SRON-bijdrage misschien uitleeselektronica voor een seismometer die trillingen van de Marsbodem kan signaleren.

Onderzoek naar de biologische omgeving van Mars is het doel van de ExoMars-missie, als voorbereiding op bemande vluchten. Bron: ESA

De satellieten bevatten een of meerdere testmassa’s, waarvan de positieverandering als gevolg van variaties in de zwaartekracht nauwkeurig gemeten wordt door een aantal sensoren. Hogeresolutiedataverwerking is bij dit soort metingen noodzakelijk. De mixed-signalsystemen van SRON bieden uitkomst.

Avri Selig, hoofd van de Earth Observation Science divisie van SRON, is optimistisch: “Door onze co-PI-rol in GOCE en onze rol in LISA Pathfinder hebben we een geweldige kennis en ervaring opgebouwd. Dit, gecombineerd met onze geminiaturiseerde frontend elektronica, maakt onze positie voor deelname aan ExoMars, LISA en de toekomstige Amerikaans-Europese zwaartekrachtmissie LDIM gunstig. In de verdere toekomst zie ik in dezelfde lijn zeker ook goede mogelijkheden voor SRON-bijdragen aan de missie DARWIN of zelfs aan een instrument dat het zwaartekrachtsveld van Mars zou kunnen meten.” Veel voorbereidend werk voor deze missies gebeurt binnen het vorig jaar gesloten samenwerkingsverband SRON-TNO-Dutch Space.

Schema en foto van de Quantum Cascade Laser, als referentiebron voor de HEBM.

Intussen doen de detectorontwikkelaars bij SRON belangrijk pionierend werk dat in de toekomst zal leiden tot nog gevoeligere, maar ook meer geminiaturiseerde instrumenten. Zo slaagden SRON-onderzoekers in samenwerking met de TU Delft er onlangs in om een Quantum Cascade Laser te gebruiken als referentiebron voor detectie van submillimeterstraling. De doorbraak leidde tot een wetenschappelijke publicatie in het vakblad Applied Physics Letters. Het doorontwikkelen van dit systeem betekent op den duur dat de conventionele referentiebronnen ter grootte van een melkpak vervangen kunnen worden door bronnen op chipniveau.

Het koppelen van deze technologie aan speciaal ervoor ontwikkelde geminiaturiseerde elektronica lijkt een logisch vervolg, met in het verschiet wellicht een toepassing in een mogelijk vervolg op het HIFI-instrument in Herschel. De eerste plannen daarvoor liggen al op de tekentafels.

Dit artikel is een publicatie van Netherlands Institute for Space Research (SRON).
© Netherlands Institute for Space Research (SRON), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 juli 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.