TNO ontwikkelt een spiegel die afrekent met storende luchttrillingen voor de grootste sterrenkijker ter wereld. Daardoor kan de Keck-telescoop op Hawaii straks ‘misschien wel twee keer zo veel’ waarnemingen doen.
is wetenschapsjournalist. Hij schrijft voor de Volkskrant over sterrenkunde.
Miljarden jaren is het licht van verre sterrenstelsels onderweg naar de aarde. Onverstoord en onvervormd reist het door het vacuüm van de ruimte. Maar een fractie van een seconde voordat het hier in een telescoop wordt opgevangen, gooit de aardse dampkring roet in het eten. Luchttrillingen verstoren de lichtgolven, met als resultaat een enigszins wazig beeld, waarop minder details te zien zijn.
Onderzoeksinstituut TNO heeft dit probleem nu efficiënter aangepakt dan ooit tevoren. Binnen een paar jaar wordt de nieuwe technologie toegepast op de Keck-telescoop op Hawaii, die met een hoofdspiegel van 10 meter de grootste sterrenkijker ter wereld is. ‘Keck gaat daardoor misschien wel twee keer zoveel wetenschappelijke waarnemingen per nacht opleveren’, zegt technisch coördinator Stefan Kuiper.
In een kleine laboratoriumruimte in Delft toont technicus Max Baeten een kleine versie van de vervormbare spiegel waar het allemaal om draait: een heel licht gebogen reflecterende glasschijf van ruim 60 centimeter in diameter maar niet meer dan een paar millimeter dik. Aan de achterzijde zijn ruim tweehonderd ‘actuatoren’ bevestigd, die de dunne spiegel voortdurend een klein beetje kunnen vervormen. Zo worden atmosferische trillingen gecompenseerd en ontstaat er weer een scherp beeld.
‘Deze wordt later dit jaar verscheept naar Hawaii’, zegt Baeten. ‘Hij komt dan op een oude telescoop met een hoofdspiegel van 2,2 meter.’ De TNO-spiegel voor de Keck-telescoop wordt straks ruim twee keer zo groot en krijgt meer dan drieduizend actuatoren. Een paar maanden geleden werd het contract getekend; volgens Kuiper moet de Keck-spiegel rond 2030 al klaar kunnen zijn.
‘Adaptieve optiek’ wordt het genoemd – de techniek om kosmische beelden te ‘onttrillen’. Het principe is simpel: je meet continu de atmosferische verstoringen en een paar duizend keer per seconde laat je een spiegel exact in de tegenovergestelde richting trillen – een beetje zoals een koptelefoon met noisecancelling storend omgevingsgeluid wegfiltert.
Aanvankelijk lukte dat alleen met kleine hulpspiegels; vrijwel elke grote telescoop op aarde maakt gebruik van die technologie. Maar, legt Kuiper uit, dat vergt veel extra lenzen en spiegels, waardoor flink wat lichtverlies optreedt. Bovendien werkt adaptieve optiek met zo’n kleine vervormbare spiegel alleen voor een relatief klein beeldveld.
Veel slimmer is het om de secundaire spiegel van een telescoop vervormbaar te maken. Een grote telescoop heeft altijd een hoofdspiegel die het sterlicht opvangt en bundelt. De kleinere secundaire spiegel (meestal ruim een meter groot) weerkaatst het licht vervolgens naar de camera’s en meetinstrumenten. Als je die secundaire spiegel ‘adaptief’ kunt maken, heb je verder geen extra optiek nodig.
Het Italiaanse bedrijf AdOptica heeft de afgelopen jaren voor veel grote telescopen zulke adaptieve secundaire spiegels geleverd: zeer dunne spiegels van nog geen 2 millimeter dik. Die worden continu vervormd door duizenden actuatoren die op dezelfde manier werken als luidsprekerspoelen. In zo’n voice-coilactuator heeft de wisselwerking tussen een elektrische stroom en een magnetisch veld een fysieke beweging tot gevolg.
‘Maar zulke extreem dunne spiegels zijn enorm kwetsbaar’, zegt Kuiper. ‘Voice-coilactuatoren leveren bovendien een vrij geringe kracht op, terwijl ze wel veel warmte genereren. De spiegels van AdOptica moeten dan ook doorlopend gekoeld worden, wat weer allerlei complicaties met zich meebrengt. Onze techniek is veel simpeler en eleganter.’
Nadelen zijn er ook. Zo zijn de actuatoren van AdOptica uitgerust met sensoren die de uiteindelijke spiegelvorm continu monitoren. De TNO-actuatoren hebben die mogelijkheid nog niet. ‘Ook de regeltechniek achter het complete systeem is best wel een kluif’, zegt Kuiper. ‘Wij zijn nu de uitdagers en we moeten het allemaal nog wel waarmaken.’
Het nieuwe principe is gebaseerd op de werking van een elektromagneet, waarbij een magneetveld wordt opgewekt door een elektrische stroom. Kleine elektromagneetjes kunnen wel flink wat kracht uitoefenen, legt Kuiper uit, maar die is meestal niet heel precies te regelen. Dat probleem is nu door TNO opgelost door ze te combineren met permanente magneetjes, waardoor de actuatoren zowel krachtig als bijzonder nauwkeurig zijn.
Met behulp van zo’n HVR-actuator (hybride variabele reluctantie) kun je een metalen staafje aan de achterzijde van de spiegel heel nauwkeurig op en neer laten bewegen, waardoor de spiegel ter plaatse een klein beetje vervormt. En omdat de resulterende kracht veel groter is dan bij de oude methode, kan de spiegel twee keer zo dik zijn, waardoor hij minder kwetsbaar is.
Het HVR-concept werd begin deze eeuw al uitgewerkt door de Eindhovense promovendus Roger Hamelinck. Maar pas tien jaar geleden kwam het project echt op stoom, vertelt Kuiper. ‘Toen we de werking hadden aangetoond, zijn we gaan shoppen en zo kwamen we uiteindelijk bij het Keck-observatorium op Hawaii terecht.’
De productie van de kleinere adaptieve secundaire spiegel voor de 2,2-metertelescoop liep nog wel de nodige vertraging op, vooral bij de fabricage van de dunne, lichtgekromde spiegel. Die wordt gemaakt door glas te verwarmen, zodat het in enigszins stroperige vorm over een voorgevormde mal zakt. Maar twee jaar geleden is wel al een TNO-spiegel geplaatst in een infraroodtelescoop van de Nasa, eveneens op Hawaii. Die spiegel heeft een diameter van 24 centimeter en telt 36 actuatoren. ‘Een soort tussenproject’, zegt Kuiper. ‘De spiegel was binnen één nacht operationeel – ongekend snel.’
Als over een paar jaar ook de kolossale Keck-telescoop is uitgerust met de nieuwe technologie, zullen andere sterrenwachten vast ook belangstelling tonen, verwachten Kuiper en zijn collega’s. Er zijn al contacten met het Gemini-observatorium – twee grote telescopen op Hawaii en in Noord-Chili.
In principe kan de techniek ook worden toegepast op veel grotere telescoopspiegels. ‘Een adaptieve hoofdspiegel is de logische volgende stap’, zegt Max Baeten. ‘Die kan dan ook veel lichter zijn dan nu het geval is, waardoor de hele telescoopconstructie lichter en goedkoper wordt.’
In het wat rommelige lab legt hij het afdekplastic weer terug over de ruim tweehonderd actuatoren van de secundaire spiegel voor de 2,2-metertelescoop. ‘Dit is echt allemaal nog prototypebouw’, verontschuldigt Kuiper zich. ‘Met de adaptieve spiegel voor Keck zetten we straks een belangrijke stap naar volwassenheid.’
Luister hieronder naar onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos. Kijk voor al onze podcasts op volkskrant.nl/podcasts.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant