Microantenne zoekt ruimtesignalen

Een door SRON en de TU Delft ontwikkelde antenne ter grootte van een vierkante micrometer stelt ruimteonderzoekers in staat chemische stoffen in de diepste uithoeken van het heelal te analyseren. De antennes, gebouwd van supergeleidend materiaal, krijgen een plaats in het ruimte-instrument HIFI dat SRON bouwt voor de Europese satelliet Herschel. Maar de zogenoemde terahertz-technologie, waar de werking van de antenne op gebaseerd is, kent ook andere toepassingen, binnen en buiten de astronomie. SRON-ruimteonderzoeker Brian Jackson verdedigt vandaag aan de Technische Universiteit Delft zijn proefschrift over deze technologieontwikkeling.

Het lijkt soms wel science fiction : ruimte-instrumenten die vandaag op de tekentafels liggen, moeten werken met de technologie van de toekomst. Soms wordt daarbij een gokje gewaagd. Maar één doel staat in het ruimteonderzoek altijd voorop: wat de ruimte in gaat moet de modernste technologie zijn, gekoppeld aan de grootst mogelijke betrouwbaarheid. “De ontwerpers van HIFI confronteerden ons met een geweldige uitdaging”, vertelt Brian Jackson,”De antennes waar het eerste ontwerp ruim tien jaar geleden om vroeg, bestonden op dat moment nog helemaal niet. We zijn erin geslaagd het schijnbaar onmogelijke te realiseren.”

Het hart van zo’n antenne bestaat uit een supergeleidende tunneljunctie: twee stukjes supergeleidend materiaal, gescheiden door een flinterdun isolerend laagje. Elektronen die vrij door de supergeleiders bewegen, kunnen die isolerende laag oversteken. De detectiemethode berust op de interactie van de te meten straling met de overstekende elektronen in de isolerende laag. Brian Jackson: “Er is een door de natuur opgelegde absolute limiet in gevoeligheid van deze detectiemethode, de kwantumlimiet. We hebben deze limiet nog niet bereikt, maar zijn hem al wel heel dicht genaderd.”

Zweeftonen

De straling waar de antennes in het HIFI-instrument naar kijken heet submillimeterstraling. De golflengte van deze straling is iets groter dan van infraroodstraling. De submillimeterstraling wordt in het instrument gemengd met een kunstmatig opgewekte straling waarvan de frequentie vlakbij de frequentie ligt van de te meten straling. Net als bij geluidstonen ontstaat er zo een zweeftoon met een veel lagere frequentie, die goed te detecteren is en toch alle astronomisch interessante informatie bevat.

Submillimeterstraling is interessant voor astronomen omdat het de straling is die moleculen uitzenden of absorberen als ze om hun as draaien. Het geeft astronomen dus informatie over de chemische samenstelling van de verste uithoeken van het heelal. Dat zijn belangrijke puzzelstukken in het vraagstuk van de evolutie van het heelal en het ontstaan van leven op onze planeet. Jackson: ”Nu gebruiken we het op HIFI, maar het is heel goed mogelijk dat deze technologie in de toekomst bijvoorbeeld wordt toegepast op een opvolger van HIFI of in een Mars-orbiter.”

Zoeken naar chemische componenten is ook van belang voor atmosferisch onderzoek. Bij het project TELIS, waar SRON bij betrokken is, worden de supergeleidende antennes getest op een ballongondel. Vermoedelijk eind volgend jaar maakt de ballon zijn eerste proefvlucht in het Noordpoolgebied. Bij bewezen functionaliteit vormt dit mogelijk een opmaat naar een aardobservatiesatelliet met terahertz-technologie.

Een andere toepassing van de supergeleidende antennes is het project ALMA. Op een 5000 meter hoge hoogvlakte in Chili bouwen Europa en Amerika 64 gekoppelde schotelantennes die het heelal moeten gaan observeren bij submillimeter en langere golflengten. De SRON-kennis op het gebied van submillimeterdetectie komt daar goed van pas. Met de Nederlandse Onderzoeksschool voor Astronomie NOVA is afgesproken dat SRON de ontvangers voor submillimeterstraling zal ontwikkelen. ALMA moet in 2009 gereed zijn.

De ontwikkeling van de supergeleidende antennes is een samenwerking tussen het Kavli Instituut van de TU Delft onder leiding van prof. dr. ir. T.M. Klapwijk en SRON Netherlands Institute for Space Research.