T - Optica - SRON Netherlands Institute for Space Research

Optica en optomechanica: Formidabele prestaties tussen spiegel en detector

Uitdaging

Wetenschappers hebben grootse plannen wanneer ze worden betrokken bij een toekomstige wetenschappelijke ruimtemissie. Er worden hoofddoelen geformuleerd. Bijvoorbeeld: ‘we willen onderzoeken hoe de laatste stadia van stervorming zich voltrekken’. Deze doelen worden nader gedetailleerd om aan te geven wat de toekomstige satelliet moet gaan doen. Bijvoorbeeld: ‘Een van die stadia bestaat uit een schijf van stof en gas die om de ster in wording draait. We willen weten waaruit die schijf bestaat en welke bewegingen erin plaatsvinden, zodat we inzicht krijgen in hoe planeten ontstaan.’ Zulke onderzoeksdoelen worden vertaald naar de specificaties van wetenschappelijke instrumenten. Bijvoorbeeld: ‘We moeten een spectrometer bouwen die gevoelig is voor infraroodstraling in het golflengtebereik van 2 tot 45 micron.’ Er volgen dan nog specificaties voor het oplossend vermogen binnen de spectra: hoe dicht mogen twee spectraallijnen nog bij elkaar liggen om ze van elkaar te onderscheiden? Of: welke kleine details in spectraallijnen moeten nog kunnen worden waargenomen. Uiteindelijk ontstaat een omvangrijk programma van eisen/specificaties waaraan het te bouwen instrument moet voldoen.

En dan … moet het nog worden ontworpen én gebouwd. Behalve wetenschappelijke randvoorwaarden komen ook de beperkingen van de satelliet in beeld. Het instrument moet binnen grenzen blijven van gewicht en omvang, van energievoorziening en temperatuurgrenzen voor een goede werking, en datacommunicatie. Hoe klein en delicaat de onderdelen van het instrument ook zijn, ze moeten de trillingen van de lancering overleven, evenals de omstandigheden in de ruimte. En wellicht moeten bepaalde onderdelen kunnen worden bijgesteld, of bevat het geheel beweegbare onderdelen die het voor lange tijd feilloos moeten doen. Een niet onbelangrijk detail is dat vervolgens het geheel binnen vooraf vastgestelde budgetgrenzen moet blijven en binnen een bepaalde periode moet worden ontworpen, gebouwd, getest en geijkt; op tijd klaar voor de inbouw in de satelliet en de daarop volgende lancering.

Geen gemakkelijke opgave en eigenlijk een uiterst ingewikkelde puzzel. Het hart van het instrument wordt gevormd door een stelsel van spiegels, soms lenzen, en roosters om het licht dat met de telescoopspiegel is opgevangen naar het instrument te leiden, uiteen te rafelen en naar één of meer detectoren te leiden. Het ‘manipuleren’ van de fotonen tussen telescoopspiegel en detector is het werkterrein van de optische, en optisch-mechanische experts. Tussen SRON en TNO bestaat een langdurig samenwerkingsverband om optische en optisch-mechanische oplossingen te ontwerpen en te bouwen voor instrumenten in het wetenschappelijk ruimteonderzoek.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: TNO en ruimtetechnologie{end-link}TNO neemt op dat vlak een vooraanstaande positie in de wereld in en is betrokken bij (ook andere) nationale en internationale ruimteprojecten. Beeldbepalende projecten uit het verleden zijn bijvoorbeeld de Short Wave Spectrometer van ESA’s Infrared Space Observatory, en de GOME-instrumenten voor onderzoek aan de aardse atmosfeer. TNO is ook betrokken bij ESA’s submillimetertelescoop Herschel, met het onder SRON-leiding gebouwde HIFI-instrument. TNO en SRON werken ook aan toekomstige projecten als TROPOMI voor voortgezet onderzoek aan de aardse atmosfeer, en aan het instrument SAFARI dat zal worden geplaatst aan boord van de Japans-Europese satelliet SPICA voor infrarood- en submillimeteronderzoek. Daarnaast is TNO betrokken bij de voorbereiding van ESA-projecten als GAIA – de opvolger van Hipparcos voor het meten van sterposities en -bewegingen – en LISA, waarmee zwaartekrachtsgolven moeten worden gemeten. Bij sommige instrumenten moeten in de optica nauwkeurigheden worden bereikt in de orde van picometers (10^-12 meter), fracties van de diameter van een atoom.{end-tooltip}

Doorbraak

Om in een beperkt volume de stralengang te leiden naar bijvoorbeeld reflectieroosters, en daarna voldoende lengte te geven om een bruikbare dispersie (verspreiding) ter hoogte van de detectoren te krijgen, is het vaak nodig om de totale lichtweg op allerlei manieren op te vouwen. In bijvoorbeeld het ontwerp van het ISO/SWS-instrument bevinden zich dan ook spiegeltjes van verschillende soorten: vlak, parabolisch-cilindrisch, concaaf-cilindrisch, convex, torusvormig, hyperbolisch, en nog andere. Al die elementen, aangevuld met stralingssplitters en reflectietralies moeten precies op elkaar staan uitgelijnd in een zeer stijve constructie zodat trillingen van de lancering het geheel niet ‘blind’ maken. Stabiliteit van het geheel is uiterst belangrijk. Daarna worden hoge eisen gesteld aan het materiaal waarvan de optische elementen zijn gemaakt en de coating die er op is aangebracht. Zo bestaan er speciale spiegeltjes die heel goed infraroodstraling kunnen weerkaatsen. Ze zijn niet gemaakt van gewoon glas, maar van keukenzout. Er mogen in het optische systeem geen vervormingen optreden gedurende het soms jarenlange gebruik van het instrument. Mechanische onderdelen, soms nodig om de stralengang bij bepaald meetgebruik anders in te stellen, moeten absoluut betrouwbaar werken en binnen de bewegingstoleranties blijven. Om vervormingen tegen te gaan, wordt meestal materiaal gekozen met heel weinig krimp of uitzetting als de temperatuur over een groot bereik verandert. Zo is de behuizing van het HIFI-instrument in ESA’s Herschel-satelliet uit één blok aluminium gemaakt.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: innovatie in optische ruimtesystemen{end-link}Innovatie is te vinden in de manier waarop de ‘puzzels’ worden opgelost, zodanig dat het ontwerp voldoet aan de specificaties of deze zelfs overtreft, en waarbij de risico’s op een storing worden geminimaliseerd. Bijvoorbeeld door zoveel mogelijk af te zien van bewegende delen. Immers, bewegende delen kunnen slijten en door slijpsel en andere verontreinigingen, of de lage temperaturen, blokkeren. Voor het bewegen zijn kleine motoren nodig en die kunnen ook weer stuk gaan. Hoe minder bewegende delen, hoe minder kans op storing. Daarnaast worden nieuwe materialen en technieken toegepast om optische elementen te maken. Zo heeft siliciumcarbide (SiC) – ook wel bekend als carborundum – heel speciale eigenschappen die het erg geschikt maken om te verwerken in de optica van een satellietinstrument. Het is buitengewoon hard en stijf, een uitstekende warmtegeleider, reageert vrijwel niet met krimp of uitzetten op temperatuursveranderingen, en is zeer regelmatig van samenstelling en structuur. TNO ontwikkelt speciale slijptechnieken om het materiaal supernauwkeurig in de juiste vorm te brengen. Deze innovatie wordt onder andere toegepast in een instrument voor ESA’s GAIA-satelliet. Nog een voorbeeld van innovatie in het optische ontwerp van satellietinstrumenten is het toepassen van ‘verzonken tralies’ (immersed gratings). SRON en TNO werken aan deze ruimtebesparende manier om tralies in het instrument in te bouwen. Een toekomstige ESA-aardobservatiesatelliet (Sentinel-5) wordt uitgerust met een grensverleggend instrument voor onderzoek aan de atmosfeer van de aarde. Dit TROPOMI-instrument is voorzien van de verzonken tralietechniek. Over verzonken tralies is een apart venster opgenomen in de categorie Technologieën.{end-tooltip}
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: TNO en een Mars-robotwagentje{end-link}Voor de toekomstige ESA-missie naar de planeet Mars wordt onder leiding van TNO een bijzonder instrument ontwikkeld. De missie voorziet in de zachte landing van een robotwagentje. Aan een robotarm is een zogeheten optische kop gemonteerd die via een optische vezel verbonden is met een spectrometer. Met het instrument kan de samenstelling van grondmonsters en rotsen worden gemeten. De beperkingen zijn tegelijkertijd enorme uitdagingen. Het instrument moet minder dan 1 kilogram wegen en in het golflengtebereik van 240 tot 840 nanometer (nm) spectra produceren met een nauwkeurigheid van 0,1 tot 0,2 nm. Uiteraard moet het instrument de lancering, de vlucht naar Mars en de landing ongeschonden doorstaan en op het Marsoppervlak in barre omstandigheden zo mogelijk jarenlang feilloos functioneren.{end-tooltip}

Inzet

Optische systemen vormen het hart van veel instrumenten voor wetenschappelijk ruimteonderzoek. Met partners, waaronder SRON, worden door TNO tal van uiteenlopende missies met succes uitgevoerd, of wordt onderzoek gedaan naar toepassing op voorgestelde missies.

Onderzoek van de aardse atmosfeer, via instrumenten als OMI, GOME, GOME-2, SCIAMACHY en TROPOMI
Onderzoek van planetaire systemen, zoals via deelname aan de voorgestelde missies EXOMARS en NLMAAN
Infrarood- en submillimeteronderzoek van het heelal, zoals via ISO, Herschel, SAFARI. Bij het Herschel-instrument HIFI tekent TNO voor het optisch ontwerp (meer dan 100 spiegels), de uitlijning van alle spiegels, productie van verschillende spiegels, en een belangrijke bijdrage aan het mechanisch ontwerp
Astrometrisch onderzoek zoals via Hipparcos en in de nabije toekomst GAIA
Metingen aan zwaartekrachtsgolven, zoals via LISA

Een wel heel uitdagend project voor de verdere toekomst is het ESA-project DARWIN. Voorlopig gaat het om een studieproject. Maar als het ooit wordt uitgevoerd is het doel niets minder dan het speuren naar leven bij planeten buiten ons zonnestelsel.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: TNO en nulling-technology voor DARWIN{end-link}Het maken van spectra van deze zogeheten exo-planeten is onvoorstelbaar moeilijk. Ze staan aan de hemel niet alleen heel erg dicht bij hun moederster, maar het helderheidsverschil tussen de (aardachtige) planeet en de ster is vergelijkbaar met een gloeiende naald naast een vuurtorenlicht. Om de planeet te kunnen zien moet je als het ware het sterlicht uitschakelen. Dat kan met een mede door TNO ontwikkelde techniek: nulling interferometrie. Hiertoe worden signalen van apart vliegende satellieten – in het plan zijn er vier voorzien – in de centrale satelliet gecombineerd en bewerkt, zodanig dat het planeetschijnsel overblijft. Hiertoe moeten signalen ‘vertraagd’ worden via spiegels die verschoven kunnen worden met een nauwkeurigheid in afstand van één 100 000ste van de dikte van een haar.{end-tooltip}

Optica en optomechanica ontwikkeld voor ruimtetoepassingen kunnen ook worden gebruikt voor inzet op aarde. TNO is niet alleen betrokken bij optische instrumenten voor aardse observatoria, maar ook voor commerciële organisaties als het bedrijf ASML, onder meer bekend vanwege de productie van machines waarmee elektronische chips worden gemaakt.