Het is een winderige en natte dag in december als ik naar de campus in Delft reis. Niet alleen de Technische Universiteit huist daar, maar ook TNO, oftewel de Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek. Er is mij vertelt dat daar momenteel nogal wat bijzondere ruimtevaartinstrumenten in het lab staan. Een kans die Kennislink niet kan laten liggen.
Zelf sterren maken
De Very Large Telescope in Chili.
ESA
Meteen na binnenkomst gaan we rond de tafel met Fred Kamphues. Hij is projectmanager bij de afdeling Ruimtevaart van TNO. Er zijn daar in totaal zo’n 150 mensen actief, legt hij uit. En één daarvan is Rens Henselmans, die dan ook aanschuift.
Henselmans vertelt over zijn onderzoeksproject: de Laser Guide Star voor de Very Large Telescope (VLT) in Chili.
Wat is een Laser Guide Star?
De Laser Guide Star op de Very Large Telescope in Chili.
ESO/Y. Beletsky
Het klinkt als een object uit Star Wars, maar in feite is het niets meer dan een sterke laser die vanuit de telescoop omhoog schijnt. Bovenin de atmosfeer, op ongeveer 90 kilometer hoogte, zit een dunne luchtlaag die rijk is aan natrium en oplicht onder invloed van de straal. Vanuit de telescoop gezien is er nu een puntje in de lucht gemaakt: een eigen zogenoemde ‘volgster’!
Maar waarom heb je zoiets nodig? De kunstmatige ster is bijzonder geschikt om te bepalen welke verstoringen er op dat moment optreden in de atmosfeer. En dat is belangrijk, want we bouwen wel telescopen met steeds grotere spiegels, maar groter is op een gegeven moment niet beter. De turbulente luchtschil om onze planeet zorgt ervoor dat sterren gaan fonkelen en dat de potentiële scherpte die we kunnen waarnemen verdwijnt.
Als je precies weet welke verstoringen er in de lucht plaatsvinden, aan de hand van je volgster, kun je die ongedaan maken met het plaatselijk vervormen van de telescoopspiegel. Je hebt dan een zogenoemd adaptief optisch systeem en dit werd in 2006 voor het eerst succesvol getest.
Henselmans is bezig met het onderdeel van Laser Guide Star dat de laserstraal onder elke omstandigheid gefocust houdt op de atmosfeer: de beam-expander. Dit apparaat vergroot de laserstraal uit de laser van 1,5 tot 30 centimeter. Daardoor is de gidsster groot genoeg en duidelijk zichtbaar in de atmosfeer.
De kunst is om de gidsster vervolgens zo scherp mogelijk te projecteren. En daarbij kunnen de kleinste detail voor problemen zorgen. ‘Er zijn erg veel ongewenste effecten die ervoor zorgen dat de laser uit focus raakt. Daardoor krijg je een onscherpe volgster, en dat wil je niet’, zegt Henselmans. Eén belangrijk punt is de temperatuursdaling van de omgeving gedurende de nacht, die zorgt ervoor dat de brekingseigenschappen van de lucht veranderen waardoor de gidsster onscherp kan worden. ‘Het mooie is dat we de buis van de beam-expander nu precies zo hebben ontworpen dat hij krimpt onder invloed van de temperatuurdaling’, zegt Henselmans. ‘Daardoor verandert de focus van de beam-expander en wordt het effect van afkoelende lucht op de laserstraal precies gecompenseerd.’
Een ander knap staaltje techniek in het ontwerp is dat de beam-expander de straal met een precisie van 0,1 boogseconde kan kantelen. Dat betekent op 90 kilometer hoogte een verschuiving van de volgster van slechts 4 centimeter. Uiteindelijk krijgt de VLT vier van deze gidssterren, met beam-expanders uit Nederland.
Buigen van de spiegel
Dan is het tijd om echt het lab in te gaan. Wat is het hier koud! Binnen staat een systeemtafel met daarop een hoop spiegeltjes gemonteerd. Een laserstraal schiet van spiegel tot spiegel door het apparaat heen. Het geheel wordt beschermd door grote plastic flappen die vanaf het plafond naar beneden hangen. Zodra ik dichterbij kom worden mijn begeleiders wat zenuwachtig. ‘Kijk je wel uit?’, wordt mij vriendelijk doch dringend gevraagd. ‘Je moet sowieso niet in de richting van de spiegels praten en die pen heb ik liever ook niet zo dicht bij de opstelling.’ Het is duidelijk dat ze hier zuinig zijn op hun spullen. Dan laten ze me iets zien waar ze trots op zijn. Het is het prototype van het onderdeel dat de positionering gaat regelen van de hoofdspiegel van een nog te bouwen supertelescoop, de Europese Extremely Large Telescoop (E-ELT).
Wat is E-ELT?
Groot, maar dan ook echt groot wordt deze Europese Extremely Large Telescope. De hoofdspiegel krijgt een diameter van 42 meter. Let vooral op de auto die voorin deze artistieke weergave is geparkeerd.
ESO
De Europese Extremely Large Telescoop (E-ELT) is een enorme optische telescoop die (net als de VLT) in het Chileense hooggebergte moet verrijzen. Hij krijgt een spiegel met een doorsnede van 42 meter, een record. Momenteel zit het project nog in de ontwerpfase, en het zou in ongeveer 10 jaar tijd voltooid kunnen worden. De telescoop wordt volledig adaptief. Dat wil zeggen dat de enorme spiegel zo van vorm kan veranderen dat atmosferische verstoren gecorrigeerd kunnen worden. ‘Als je die spiegel niet adaptief maakt, bouwen we de ELT voor niks. Hij zou namelijk geen scherpere beelden opleveren dan de huidige telescopen zoals de VLT’, zegt Kamphues.
De enorme spiegel van de ELT bestaat eigenlijk uit 798 zeshoekige spiegels met een diameter van bijna 1,5 meter. Tussen die spiegels zal minder dan een millimeter speling zitten. Voor een scherp beeld moeten de segmenten met een precisie van enkele nanometers gepositioneerd kunnen worden. Een erg gecompliceerde klus, gezien de te verwachten mechanische trillingen in het systeem en de harde wind in het Chileense hooggebergte.
‘Of neem bijvoorbeeld de doorbuiging van die spiegels onder invloed van de zwaartekracht. Die verandert al als het gehele systeem onder een andere hoek op de hemel wordt gericht’, zegt Kamphues. ‘Daarom zitten er motors onder de spiegels, die de extra buiging compenseren.’
Elke spiegel staat op drie beweegbare poten, zogenoemde actuatoren, waarvan er hier een in het lab staat. De kanteling van elk van de spiegels kan daarmee nauwkeurig ingesteld worden. De uitdaging van het maken van zo’n actuator is dat een paar honderd kilo zware spiegel op twee nanometer nauwkeurig ingesteld moeten kunnen worden. ‘En dat kan met deze actuator’, zegt Kamphues, terwijl hij naar de stalen buis voor ons wijst.
‘Wij zijn dus al klaar met het ontwikkelen van deze essentiële onderdelen. Nu de ELT nog… De komende tien jaar moet alle onderdelen van zo veel verschillende bedrijven samen komen. Het wordt een spannende tijd!’
Een kaart van de Melkweg
Ik moest flink ingepakt worden voor de cleanroom.
Fred Kamphues
We gaan door met de tour. Op naar het laatste onderdeel van deze middag. En nu komt het echt werk, zo lijkt het. Mijn schrijfblok en pen moeten achterblijven in een kluisje. We gaan een deur door en komen in een kleedruimte terecht. Ik moet plastic zakjes om mijn schoenen doen, een haarnetje op, onderoveral aan, overal aan, nog meer plastic zakjes om de schoenen, een mondkapje om en als laatste handschoenen aan.
Dan zijn we er klaar voor. We gaan door een serie deuren heen (die nooit tegelijk open kunnen) voordat we oog in oog staan met een onderdeel van het ambitieuze GAIA-project.
Wat is GAIA?
De GAIA-satelliet.
ESA
GAIA is een project van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA. Het bestaat uit een satelliet die ongeveer één procent van alle sterren in onze Melkweg in kaart moet gaan brengen. Dat lijkt misschien weinig maar dat zijn zo’n één miljard sterren!
De telescoop gaat een hoop informatie verzamelen over al deze sterren, door ze in een periode van vijf jaar bijna honderd keer te observeren. Straks weten we van al deze sterren een aantal dingen: de afstand tot de aarde, de helderheid, temperatuur, zwaartekracht en hebben we bovendien zicht op hun samenstelling. Verder is de verwachting dat GAIA zo’n 15.000 nieuwe exoplaneten zal ontdekken. En een belangrijke taak van de satelliet wordt het opsporen van gevaarlijke planetoïden, die op aarde zouden kunnen inslaan. In 2013 wordt GAIA gelanceerd.
Wat ik voor me zie is het basishoek-meetsysteem dat cruciaal is voor de afstandsbepalingen die GAIA doet. Omdat je met één telescoop geen diepte ziet heeft de satelliet er twee. Vergelijk het met een verrekijker, waarmee het mogelijk is diepte te zien, in tegenstelling tot een (enkele) telescoop. Uit het verschil van deze twee beelden kan de satelliet, met een methode die astrometrie heet, de afstand bepalen tot het object dat hij in zijn twee vizieren heeft.
Het meetsysteem dat hier staat houdt de hoek tussen de twee telescopen nauwlettend in de gaten. Die is vastgezet op 106,5 graden en moet daar ook op blijven, anders lopen de afstandsberekeningen in de soep. Om te controleren wat de exacte hoek tussen de twee telescopen is lopen er twee laserstralen tussen de twee telescopen. Die via spiegeltjes bij elkaar komen en zo een exacte bepaling van de hoek leveren.
‘Als het hele systeem straks werkt kan GAIA hoeken bepalen die vergelijkbaar zijn met een haardikte op 1000 kilometer afstand,’ laat Kamphues trots weten. En waarom moet er eigenlijk zoveel moeite gedaan worden met de beschermende kleding? ‘We willen absoluut zeker weten dat er geen vervuiling op de spiegeltjes komt. Stel je voor dat dit apparaat straks niet goed werkt omdat jij een stofje hebt achtergelaten op één van de spiegeltjes. Daarom werken we in deze cleanroom en minimaliseren we bovendien het aantal bezoeken. We hebben hier nog geen handjevol journalisten naar binnen gelaten!’