Het helpen beantwoorden van onze onderzoeksvragen voor astrofysica en aardobservatie, kan niet zonder cryogene technologie. De cryogenica experts en cryogene faciliteiten bij SRON spelen een enorm belangrijke rol in de hele ‘in-house’ cyclus van technologie- tot instrumentontwikkeling voor de ruimtewetenschap.
Veel wetenschappelijke ontdekkingen worden gedaan door te kijken naar lichtgolven in golflengtes die onze ogen niet kunnen zien, met speciaal voor die golflengte ontwikkelde wetenschappelijke instrumenten. Extreem hete gasvormige atomen bij het zwarte gat en de neutronenster zien we bijvoorbeeld in röntgen en UV. Moleculen in de atmosfeer van de aarde of andere planeten in het infrarood. Nog koelere gassen en stoffen in het stadium kort voordat een ster ontbrandt, willen we beter zien in het mid- tot ver-infrarood zoals TeraHertz en submillimeter. Nieuwe generaties steeds gevoeligere instrumenten voor deze specifieke golflengtes, werken vaak bij extreem lage temperaturen: cryogene temperaturen.
Ruimteonderzoek vraagt om cryogene instrumenten
Voor astrofysisch onderzoek en aardgericht onderzoek in de ruimte is het dus vaak nodig om een instrument erg koud te maken en te houden. Want als een meetinstrument zelf warmer is dan het zwakke signaal dat je probeert te meten, is de meting verpest.
Ook is het nodig voor meetmethodes die voor hun signaaldetectie handig gebruik maken van supergeleiding, wanneer een supergeleidend materiaal bij het bereiken van een heel specifieke koude temperatuur opeens zonder een greintje weerstand stroom doorlaat.
Voor onze instrumentontwikkeling doen we veel cryogene tests op temperaturen tot 50 milliKelvin. Dat is nog niet eens één graad warmer dan –273 graden Celsius. SRON heeft cleanrooms met hightech faciliteiten waar op deze temperaturen instrumenten kunnen testen voor een heel scala aan golflengtes van optisch tot sub-millimeter.
SRON: de hele cyclus van cryogene instrumentontwikkeling in huis
Bij SRON doen we alle stappen van cryogene instrumentontwikkeling voor de ruimte in huis. We vertalen wetenschappelijke vragen naar een behoefte aan specifieke waarneem-mogelijkheden. We onderzoeken prille veelbelovende technologie en brengen die vooruit. We formuleren instrument-concepten, tonen hun haalbaarheid aan, en vertalen die naar compact en robuust instrument-ontwerp, voorbereid op heftige lanceringen, hoge temperaturen, vacuüm en magnetische velden. We maken de componenten en bouwen die samen tot vluchtwaardig cryogeen instrument voor de wetenschap. We testen het en bewijzen de correcte prestaties van het instrument (validatie). We nemen waar met het instrument en verwerken de verkregen data tot een format dat wetenschappers voor analyse kunnen gebruiken.
Cryogenica in ruimtemissies en ruimtetechnologie
Veel belangrijke ruimtemissies met cryogene instrumenten werden en worden ontworpen, ontwikkeld en getest in de cryogene faciliteiten van SRON.
De NewAthena telescoop meet röntgenstraling uit het extreem hete heelal met hulp van een diepgekoeld detectorsysteem, dat gebruik maakt van supergeleiding in Transition Edge Sensors (TES).
Supergeleiding, en dus ook cryogene technologie, speelt ook een rol bij Kinetic Inductance Detectoren, KIDs, die nu met het oog op meerdere toekomstige ruimtemissies worden doorontwikkeld voor toekomstige toepassing.
Het HIFI-instrument op de Herschel Space Telescope, gericht op het zwakke signaal van het koude en donkere gas en stof tussen sterren en sterrenstelsels, opereerde steeds tussen de 2 en 10 Kelvin. (kouder dan -260 graden Celsius). Alle cryogene tests zijn bij SRON binnenhuis uitgevoerd.
HIFI was heterodyne: het mengde een lastig uitleesbaar signaal met een referentiesignaal op een frequentie die zich makkelijker laat verwerken. Ook andere heterodyne instrumenten om onze planeet en het universum te kunnen observeren zijn cryogeen, zoals de 66 ontvangers voor het ALMA telescooppark in Chili.
