Direct exoplaneten observeren en terugkijken naar de begindagen van het universum. Dat zijn de beloftes van de E-ELT, de reuzetelescoop die Europa bouwt in Chili. De enorme spiegel streeft al zijn concurrenten voorbij. Maar zo’n monsterapparaat realiseren is niet eenvoudig.
De berg is al platgemaakt voor de gelegenheid. Een berg op de helderste plek op aarde. Slechts een paar dagen per jaar is het hier bewolkt. Het Noordelijke Andesgebergte in Chili heeft, dankzij het samenspel van kustklimaat en hoge bergen, een perfect klimaat voor sterrenkijkers. Als je bovenop de Cerreo Armazones staat, kun je makkelijk 100 km ver kijken. Geen mist, geen smog, alleen maar kraakheldere lucht. Begrijpelijk dat dit gebied favoriet is onder telescoopbouwers.
Komend jaar zullen de eerste trucks met bouwmateriaal arriveren, om te beginnen met de constructie van de European Extremely Large Telescope (E-ELT). Een praktische naam voor een monsterproject, zowel op bureaucratisch, financieel als technologisch vlak. De Very Large Telescope (VLT), de voorloper van de E-ELT, staat zo’n 30 km verderop op een bergtop. Die maakt al een paar jaar opnames vol wetenschappelijke rijkdom. Gemiddeld wordt er meer dan een paper per dag gepubliceerd aan de hand van data
van deze telescoop.
De VLT is inmiddels echter alweer op leeftijd, dus het is tijd voor iets nieuws, iets beters. Het was tijd, zo besloot de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), voor de E-ELT. Aanvankelijk dachten de betrokken partijen trouwens nog veel groter. Eerder wilden ze een Overwhelmingly Large Telescope, of overweldigend grote telescoop, met een spiegel van 100 m doorsnede. Helaas bleek dat idee al snel onbetaalbaar. Wat gematigder plannen leidden uiteindelijk tot het idee voor de E-ELT. Nog steeds indrukwekkend, met een spiegeldoorsnede van 39 m, maar aanzienlijker kleiner en dus betaalbaarder.
Die hoofdspiegel van bijna 40 m is niet de enige. Er zijn in totaal vijf spiegels, die het licht weerkaatsen voordat het uiteindelijk bij de astronomen terechtkomt. Deze spiegels zijn nodig om alle ‘verontreiniging’ uit de binnengevallen lichtbundels te verwijderen. Want als het gaat om licht dat van miljarden jaren ver komt, kan er nogal wat mis gaan. Het grootste probleem is de aardatmosfeer. Hoewel die het leven op aarde überhaupt mogelijk maakt, wordt het leven van astronomen er veel ingewikkelder van.
De atmosfeer zorgt er namelijk voor dat lichtstralen gaan ‘wiebelen’. Het is hetzelfde fenomeen dat ervoor zorgt dat sterren, als je ze met het blote oog ziet, lijken te twinkelen. Voor een telescoop, die veel grotere opnames kan maken van een ster, levert het wazige beelden op die ook nog eens dansen op het scherm. En daar kunnen astronomen niets mee.
Steunpilaar
Daarom zorgen vervormbare spiegels en geavanceerde regeltechniek voor een correctie van de verstoring. Het huzarenstuk is de eerste reuzenspiegel, simpelweg een monsterproject. Het is een samengestelde spiegel, bestaande uit 798 losse segmenten met een diameter van 1,4 m en een dikte van 50 mm. En stuk voor stuk moeten die spiegelsegmenten perfect glad zijn; de totale foutmarge voor de schotelvormige spiegel bedraagt 25 nanometer, nog geen miljoenste van de spiegeldikte.
De fout zo klein maken, vereist een heel speciale manier van produceren en opbouwen. Simpelweg neerleggen op een steunpilaar werkt niet, omdat de spiegel op dat ene steunpunt te
ver doorbuigt.
Daarom ontwierpen TNO en het de Nederlandse bedrijf VDL een steunsysteem met 27 drukpunten. Dat is opgebouwd uit drie driepoten waarop weer negen driepoten staan. In totaal levert dat drie maal negen, oftewel 27 drukpunten op.
Dit steunsysteem is de belangrijke Nederlandse bijdrage aan de E-ELT, samen met die van de Universiteit Leiden, die onder de naam METIS een deel van de imaging-techniek voor de E-ELT levert.
System engineer dr.ir. Jan Nijenhuis, de ontwerper van de spiegeltafel van TNO en VDL, staat trots bij een proefopstelling in de kelder van de Space-afdeling van TNO, vlak naast de campus van de TU Delft. Er ligt een nepspiegel op het systeem, waar onderzoekers koortsachtig aan meten. Sensoren op de spiegel kijken naar de druk die de poten uitoefenen. Aan de hand van die gegevens is de maximale afwijking in de spiegel te berekenen. Die mag nooit meer zijn dan een paar nanometer.
Het lijkt een raar idee, om zoveel driepoten te gebruiken om een simpele spiegel te ondersteunen. ‘Maar het ontwerp kwam min of meer vanzelf uit de natuurkundige regels rollen’, vertelt Nijenhuis. ‘Daarna waren er ontzettend veel details die moesten worden aangepakt voordat het eindelijk naar behoren in elkaar stak.’ De verbindingen tussen de driepoten bijvoorbeeld. Daar zitten nu kleine, flexibele scharniertjes in. Die geven nét de bewegingsvrijheid die nodig is om schommelingen in druk, veroorzaakt door kleine afwijkingen in het mechaniek, op te vangen.
Dat is nodig omdat de spiegel kan draaien. Zo kan hij een enorm deel van de hemel bekijken. ‘Maar dat levert ook problemen op. Als de spiegel bijna verticaal staat, werkt de zwaartekracht anders dan als hij op zijn rug ligt. In alle standen moet de maximale afwijking onder de grens blijven.’
Bijkomende uitdaging voor de ophanging: hij moet het onderhoud makkelijk maken. Elke dag worden er namelijk twee spiegels vervangen, omdat de spiegels elke anderhalf jaar vernieuwd moeten worden. Met het TNO-systeem is dat relatief makkelijk: de monteurs kunnen vanaf de achterkant van de spiegel een buis door een gat duwen zodat de spiegel omhoog komt. Vervolgens grijpt een speciale tang zich vast in de speciaal daarvoor gemaakte aanhechtingen. Daarna tilt hij de spiegel eruit zonder dat de rest van de constructie in de problemen komt. En dan moet de telescoop ook nog bestand zijn tegen aardbevingen van maximaal 8,5 op de schaal van Richter. ‘Dat bleek eigenlijk een van de makkelijkst oplosbare problemen. Het ontwerp is bijna van nature bestand tegen dergelijke schokken.’
De telescoop bestaat zoals gezegd uit bijna achthonderd spiegelsegmenten. En die zijn stuk voor stuk uniek; ze passen als puzzelstukjes in elkaar en vormen zo een schotelvormige spiegel. De fabrikant moet dagelijks zo’n twee spiegels maken en zal dus circa twee jaar bezig zijn met de productie. Als de spiegels, gemaakt van het speciale spiegelmateriaal zerodur, eenmaal klaar zijn, worden ze nog een laatste keer gepolijst. Dit zal ook het grootste deel van de bobbels doen verdwijnen die door het tafelsysteem van TNO zijn veroorzaakt.
Exotische sterren
De grote spiegel is qua afmeting en nauwkeurigheid moeilijk te evenaren. De vierde spiegel is veel bescheidener: hij heeft een oppervlak van 2,4 bij 2,5 m en krijgt een lichtbundel binnen die al verschillende keren is gereflecteerd. Deze bundel is echter verstoord. Zoals eerder vermeld zorgt de atmosfeer voor een onbruikbaar beeld: het is wazig en het danst. Daarop is het moeilijk planeten of exotische sterren spotten. De vierde spiegel lost dit allemaal op dankzij een geavanceerd software- en regelsysteem. Dat systeem meet met een matrix van vierhonderd bij vierhonderd sensoren het binnenvallende licht. De sensoren zien of het licht perfect parallel binnenvalt, zoals voordat het door de atmosfeer komt, of dat het daarvan afwijkt. En als het afwijkt: zit de golf te veel naar links of naar rechts? Ook dat registreren de sensoren. Een computer berekent vervolgens de aanpassingen die nodig zijn om het licht wel goed binnen te laten vallen. Die informatie gaat naar de spiegel, die 5316 actuatoren heeft die de dunne spiegel vervormen. Op die manier corrigeren ze de atmosfeerverstoring, zodat het licht uiteindelijk perfect binnenvalt voor kraakhelder beeld.
Nog niet uitgekristalliseerd
Tijdens een demonstratie bij een KNAW-bijeenkomst vorig jaar liet prof.dr.ir. Michel Verhaegen van het Delft Center for Systems and Control zien hoe het werkt. Een expres wazig gemaakte lichtbundel werd dankzij het systeem binnen een seconde kraakhelder. Verhaegen: ‘Het moet allemaal in real time gebeuren, dus het vereist krachtige computers en goede software. Als het te lang duurt, ben je niet op tijd om het licht te corrigeren. Dan weerkaatst het voor de spiegel goed staat.’
De E-ELT lijkt met al die plannen al goeddeels af. Het tegendeel is echter waar; veel van deze plannen zijn nog niet uitgekristalliseerd. Voor bijna elk onderdeel moet een Europa-brede barter worden uitgeschreven. In totaal heeft ESO voor een miljard euro aan contracten te vergeven. Die variëren van dingen als het aanleggen van het fundament tot de kleinste details. Alle onderdelen toewijzen kost nog veel tijd en geld. Bovendien moet een groot deel rond zijn voor de bouw daadwerkelijk kan beginnen.
Ook TNO en VDL moeten zo’n wedstrijd winnen voordat hun systeem mag worden gebruikt. ‘We hopen natuurlijk dat ons ontwerp wint. En áls we winnen, hoop ik dat VDL het vervolgens ook daadwerkelijk mag uitvoeren; dat is een aparte barter. Het zou vervelend zijn als ons ontwerp wel wint, maar dat de apparatuur vervolgens in Spanje wordt gebouwd, omdat een bedrijf daar het bijvoorbeeld goedkoper doet’, vertelt Nijenhuis. Maar de vooruitzichten zijn goed. Binnenkort zal blijken wie wint.
Naast de grote hoeveelheid contracten zijn er twijfels over de financiering van de telescoop. Een partnerschap met Brazilië zou bijvoorbeeld extra geld moeten opleveren, maar men weet inmiddels niet of dat land het geld wel op kan hoesten.
Al met al denkt ESO in 2024 het eerste licht in de telescoop te kunnen zien. Daarna zal ongetwijfeld nog een en ander moeten worden gekalibreerd voordat de E-ELT daadwerkelijk ongekende resultaten gaat leveren. Maar als het zover is … ‘Dan zullen we soms zelfs direct planeten kunnen zien, draaiend om niet te felle sterren heen’, vertelde astronoom prof. dr. Eline Tolstoy van de Rijksuniversiteit Groningen tijdens dezelfde bijeenkomst waar Verhaegen zijn verhaal deed. ‘Vijf keer scherper dan de beelden van de VLT, dat is de belofte. Bovendien zullen we hiermee licht kunnen opvangen uit de begindagen van het universum. Zo leren we meer over de ontstaansgeschiedenis van het heelal. De hele astronomische wereld kijkt reikhalzend uit naar deze telescoop.’ |
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.