Nederland bouwt positioneringsysteem voor supertelescoop

Omstreeks deze tijd vertrekt opnieuw een Nederlands team van Dutch Space uit Leiden en TNO-TPD uit Delft naar het astronomisch onderzoekscomplex van de European Southern Observatory (ESO) op 2600 meter hoogte in de Atacama-woestijn in Chili. Daar zal men drie, door het team in Nederland gebouwde, uiterst nauwkeurige, ‘delay lines’ installeren. Met zulke delay lines is het mogelijk licht, opgevangen door spiegels van twee of meer telescopen (van de zogenaamde Very Large Telescope Interferometer, VLTI) te combineren. Daarbij moet de optische weglengte van de lichtwegen langs de verschillende telescopen gelijk zijn. Deze delay lines doen dat met een nauwkeurigheid van enkele nanometers. De Nederlandse delay lines behoren daarmee tot de absolute wereldtop in hun soort.

Het ESO complex in Chili ligt in een onherbergzaam gebied, een hooggelegen woestijn, ver van de bewoonde wereld. Dat gebied is gekozen vanwege de vele wolkenloze dagen, zeer lage luchtvochtigheid, en de afwezigheid van lichtvervuiling, waardoor bijna het hele jaar waarnemingen kunnen worden gedaan. Het complex – waar ongeveer 100 mensen werken – beschikt over vier grote spiegeltelescopen, met een spiegeldiameter van 8,2 meter. Daarnaast komen er nog een aantal kleinere, met een diameter van 1,8 meter. De kleinere telescopen worden gebruikt om met meer tegelijk naar een object te kijken. Hoe verder de telescopen uit elkaar worden geplaatst, des te hoger is de resolutie van de waarneming. (In feite wordt daarmee een zeer grote telescoop nagebootst; een techniek die interferometrie wordt genoemd.) Probleem daarbij is dat er – juist doordat de telescopen ver uit elkaar staan – verschil in optische weglengte ontstaat tussen de lichtbundels van de verschillende telescopen. Om de informatie van beide telescopen toch met elkaar overeen te laten komen, moet de optische weglengte zo worden gecorrigeerd, dat de beide golffronten met elkaar overeen komen. Die correctie gebeurt met een delay line.

Delay lines
De delay line die Dutch Space met TNO-TPD heeft ontwikkeld, bestaat uit een twee meter lange, over rails beweegbare kar, waarop een optisch instrument is bevestigd: de zogenaamde Cats eye. Deze Cats eye beschikt over een aantal zeer nauwkeurige spiegels, waarvan er één min of meer beweegbaar is. Het complete optische systeem moet aan extreme eisen voldoen. In de eerste plaats moest het spiegeloppervlak – de twee grootste met een doorsnede van 570 mm – extreem nauwkeurig zijn gepolijst. Daarbij heeft TNO-TPD samen gewerkt met het Franse bedrijf Sagem. Maar ook aan de rest van de constructie worden hoge eisen gesteld. Materiaalspanning of temperatuurverschillen zullen immers de nauwkeurigheid negatief beïïnvloeden. Met behulp van speciale constructietechnieken (‘a-thermisch’ ontwerp en isostatische driepuntsophanging) is men er in geslaagd een supernauwkeurig instrument te ontwerpen.

Maar de optica alleen was niet voldoende; de Cats eye moet uiteraard ook zeer precies worden gepositioneerd. Dat gebeurt met een kar, die zich over een rail kan voortbewegen met een geavanceerde, door Dutch Space ontwikkelde lineaire motor. Daarmee kan de kar over een afstand van 60 meter op 1 micrometer precies worden gepositioneerd. De positie wordt voortdurend gemeten met behulp van een laserbundel. Fijnstelling vindt plaats met behulp van een piëzo-elektrische actuator die de beweegbare spiegel in enkele microns kan manipuleren. Op deze manier kan de spiegel worden gepositioneerd met een nauwkeurigheid van rond de 8 nanometer. ESO had 14 nanometer geëëist, ongeveer een twintigste van de golflengte van zichtbaar licht.

Vervolg
Momenteel voert de Europese ruimtevaartorganisatie ESA onderzoek uit naar de mogelijkheden van de ontwikkeling van een zelfde soort interferometer, maar dan buiten de dampkring. Het idee is om meerdere satellieten – ieder uitgerust met een telescoop – in formatie te laten vliegen. Net zoals bij de VLT worden dan de bundels uit de verschillende telescopen gecombineerd in een waarneming. Voorwaarde daarbij is dat ook hierbij de positionering perfect is. De verwachting is dat vanaf 2015 zo’n buiten-atmosferische interferometer telescoop operationeel zal zijn. Het is niet ondenkbeeldig dat dezelfde positioneringtechnologie, in dat project zal worden gebruikt.