Achtergrond

Sleutelen aan telescooponderdelen in Drenthe

Dorine Schenk | donderdag 13 februari 2020
Werktuigbouw, Wiskunde & Fysica

Bij de technische afdeling van NOVA in Drenthe wordt gewerkt aan hoogstaande techniek voor telescopen en satellieten. ‘Wij zijn hofleverancier voor de Very Large Telescope (VLT) in Chili’, vertelt Ramon Navarro, hoofd van van NOVA’s instrumentatieafdeling.


Als je de Oude Hoogeveensedijk in Dwingeloo afrijdt staat je een verrassing te wachten. Midden in het Drents Nationaal Park Dwingelderveld, vind je het moderne gebouw van het Nederlands instituut voor radioastronomie ASTRON en de technische afdeling van de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA). Bij NOVA worden instrumenten gebouwd voor hoogstaande telescopen, zoals de Very Large Telescope (VLT) in Chili en de James Webb-ruimtetelescoop die over ruim een jaar gelanceerd moet worden. Hiervoor werken de onderzoekers samen met internationale onderzoeksinstituten en tech-bedrijven zoals Canon en VDL ETG.

De NOVA-instrumenten gaan onder meer speuren naar exoplaneten die rond andere sterren draaien en zullen de beweging van de sterren en sterrenstelsels minutieus in kaart brengen. Dergelijke waarnemingen helpen astronomen het ontstaan en de levensloop van sterren- en planetenstelsels te begrijpen.

Aluminium spiegels

Tijdens een rondleiding door de verschillende labs waar de geavanceerde instrumenten gemaakt worden, bezoeken we recente apparaten. De technologie die hier ontwikkeld wordt, moet voldoen aan hoge eisen.

Zo zullen de instrumenten voor ruimtetelescopen, zoals de James Webb, blootgesteld worden aan UV- en andere schadelijke straling. Bovendien moeten ze de grote krachten tijdens de lancering aankunnen. Die kunnen, bij sommige frequenties, oplopen tot 100 g: alles moet dus minstens 100 keer zijn gewicht op aarde aan kracht aankunnen. Om  ook de bijbehorend trillingen te overleven en nauwkeurigheid te garanderen, wordt alles zoveel mogelijk uit een onderdeel gemaakt, met weinig trillingsgevoelige schroefjes. Tijdens trillingstesten op aarde wordt van te voren gekeken of alles standhoudt.

Ook voor telescopen op aarde zijn er ontwerpuitdagingen. De meetinstrumenten worden bijvoorbeeld afgekoeld tot -190°C om te voorkomen dat de telescoopmetingen verstoord worden door warmtestraling van de omringende apparatuur. Dat betekent dat alle onderdelen bij die lage temperaturen moeten werken en dat ze netjes in elkaar moet passen nadat het gehele instrument gekrompen is tijdens het koelen.

‘Onderdelen die moeten werken bij die lage temperaturen kun je lijmen noch lassen, want dan zouden ze vervormen door interne spanningen’, vertelt Ramon Navarro, hoofd van een van NOVA’s instrumentatieafdelingen. ‘Verder maken we de spiegels van aluminium dat we in de juiste vorm polijsten. We gebruiken aluminium in plaats van glas omdat de rest van de structuur ook van aluminium gemaakt wordt en we willen dat alles homogeen krimpt zodat het instrument en de ontworpen verhoudingen in tact blijven tijdens het afkoelen.’

Het meeste freeswerk voor de instrumenten is zo specialistisch dat het niet uitbesteed wordt. ‘Onze freesbank is niet geoptimaliseerd om snel zoveel mogelijk spullen te maken, maar om zo nauwkeurig mogelijk te werken. Dan duurt het maar wat langer.’ Na het frezen wordt het oppervlak op soms wel 1.000 punten gemeten; de afwijking mag dan niet meer dan 3 micrometer zijn.

In de hal staat een testdummy van de bij NOVA ontwikkelde MATISSE (Multi-AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment), een instrument dat al een aantal jaren operationeel is op de VLT. MATISSE combineert het licht van de vier VLT telescopen tot één haarscherp beeld. Nu zijn bijvoorbeeld exoplaneten die dicht bij hun moederster staan nauwelijks te onderscheiden van de ster. ‘Elke VLT telescoop apart ziet enkel één blob licht’, vertelt Navarro. ‘Door het licht van verschillende telescopen te combineren kunnen we echt plaatjes gaan maken waarop de exoplaneet te onderscheiden is van de ster, zodat diens eigenschappen onderzocht kunnen worden.’

Glasvezels weven

NOVA beschikt ook over een optisch testlab dat gebouwd is op een fundering die losstaat van de rest van het gebouw, zodat de optische test geen last hebben van bijvoorbeeld trillingen van de freesmachine.

In het optische lab liggen 609 glasvezels van 33 m lang met een diameter van 200 micrometer. De uiteinden zijn gelabeld en zorgvuldig neergelegd. ‘Samen gaan ze een samengebonden bundel vormen waarmee naar een groot object aan de hemel gekeken kan worden, bijvoorbeeld een sterrenstelsel’, legt postdoc-onderzoeker Ellen Schallig uit. Maar dat gaat niet zomaar. Het is een weloverwogen weefwerkje dat in totaal een paar maanden duurt. De glasvezels moeten één voor één op exact de juiste, vooraf bepaalde plek in de bundel komen te liggen. ‘Zo verstoren de gemeten lichtsignalen die door de glasvezels lopen elkaar zo min mogelijk’, vertelt Schallig. ‘Het is delicaat werk, want als je de vezels iets te ver buigt, raken ze beschadigd en werken ze niet meer.’

Deze glasvezelbundel wordt onderdeel van het instrument WEAVE voor de William Herschel-telescoop op het Canarische eiland La Palma. De bundel is 33 meter omdat hij het licht van de top van de telescoop naar de spectrograaf moet brengen, waar het licht geanalyseerd wordt. Die spectrograaf staat nu nog in een cleanroom verderop in dezelfde gang bij NOVA. We kunnen door een raampje naar binnen kijken en zien daar een indrukwekkend apparaat ter grootte van een kleine auto. ‘Hierin wordt het licht uiteengerafeld in al haar verschillende golflengtes’, vertelt Remko Stuik van de Universiteit Leiden. ‘Zo kunnen we bijvoorbeeld inzoomen op het gedeelte van het sterlichtspectrum waar we mogelijk zogeheten spectraallijnen kunnen zien die duiden op de aanwezigheid van bijvoorbeeld ijzer of zuurstof in een ster.’

De spectrograaf is bijna af, vertelt Stuik. ‘We zijn de laatst draadjes op de juiste plekken aan het plaatsen en voeren de laatste tests uit.’ Daarna zal het zorgvuldig verpakt worden in twee lagen plastic om vervolgens, uiterst voorzichtig, met vrachtwagen en schip vervoerd te worden naar La Palma. Stuik: ‘We rijden mee om in de gaten te houden dat het apparaat onderweg geen zware schokken te verduren krijgt.’ Het plan is dat alle onderdelen van WEAVE komende zomer op La Palma samengevoegd worden en beginnen met sterrenkundige waarnemingen.

Een doel van WEAVE is om onder meer te bepalen met welke snelheid de sterren naar ons toe of van ons af bewegen. Het sterlicht kleurt namelijk roder als de ster van ons vandaan beweegt en blauw als deze naar ons toe komt. Dit komt door het dopplereffect waardoor de golflengte van het licht opgerekt of samengedrukt wordt. Net als bij een ambulance waarvan de sirenetoon hoger klinkt als hij naar je toekomt en lager als hij van je wegrijdt.

Deze informatie zal onder andere gecombineerd worden met de metingen van de ruimtetelescoop Gaia, die heel nauwkeurig posities en horizontale en verticale bewegingen van de sterren aan de hemel meet. Zo zal WEAVE aan Gaia’s tweedimensionale snelheidsmetingen een derde dimensie toevoegen. ‘Met die informatie over de sterbewegingen kunnen we bijvoorbeeld terugrekenen of bepaalde sterren in de Melkweg oorspronkelijk uit een kleiner sterrenstelsel komen dat ooit opgeslokt is door de Melkweg’, zegt Schallig.

De extreem grote telescoop

Een toekomstige telescoop waar NOVA bij betrokken is, is de Extremely Large Telescope (ELT) – niet te verwarren met de al bestaande VLT – die op dit moment op de Cerro Armazones in Chili gebouwd wordt. De naam duidt op de extreem grote hoofdspiegel van de telescoop die een doorsnee krijgt van bijna 40 m. Daarmee wordt de ELT ‘het grootste oog op de hemel’.  ‘Op dit moment zijn ze de fundering aan het storten. Over vijf jaar moet de hele telescoop klaar zijn’, zegt Navarro. 97% van het budget is inmiddels vergeven in contracten en wereldwijd wordt er hard gewerkt om alle deadlines te halen.’ Nederland is betrokken bij de productie van de structuren die achter de spiegel geplaatst worden om hem op enkele nanometers nauwkeurig in de juiste vorm te houden. Er zijn duizend van deze structuren nodig, vertelt Navarro. ‘Op elk moment zitten daarvan 798 in de telescoop, maar er zijn reserveonderdelen nodig omdat er elke dag 3 à 4 uitgehaald moeten worden om ze schoon te maken en te voorzien van een nieuwe coating.’ Deze technologie is ontwikkeld door TNO in samenwerking met NOVA en VDL ETG Eindhoven.

Naast de productie van deze structuren is Nederland ook betrokken bij vier instrumenten voor de ELT. Het ontwerp van het instrument METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph) wordt zelfs geleid door Nederland als hoofdonderzoeker. Dit onderdeel gaat zich richten op (infrarood)straling met een golflengte groter dan 3 micrometer, om onder andere de vorming en de fysische en chemische eigenschappen van exoplaneten te onderzoeken.

Na het instrument MATISSE – dat zijn Drentse geboortegrond al heeft verlaten – en WEAVE die binnenkort vertrekt, zal over een paar jaar ook METIS in een vrachtwagen het nationale park Dwingelderveld verlaten, onderweg naar zijn telescoop.

Ontvang de nieuwsbrief, binnenkort 2 keer per week

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW