Europese zonnetelescoop krijgt corrigerende TNO-bril

De bouw van een adaptieve secundaire spiegel voor een optische telescoop is sowieso een ingewikkelde klus, maar het bouwen van zo’n ASM voor de European Solar Telescope is pas écht een uitdaging. Toen TNO werd gevraagd om het voorlopige ontwerp en het prototype te maken, heeft het zijn complete adaptieve-optiekexpertise in de strijd gegooid. Inmiddels is het druk bezig met de ontwikkeling van een ASM die uiterste precisie levert onder de uitdagende omstandigheden die inherent zijn aan een zonnetelescoop.

Matthew Maniscalco is senior businessdeveloper bij TNO en leidt TNO’s roadmaps voor de ontwikkeling van optomechatronische technologie voor astronomie en kernfusiediagnostiek.

14 juli

Iedereen die ooit in de woestijn is geweest, weet hoe de warmte daar het zicht vertroebelt. Kijk in de verte en je ziet de horizon als golvende lijnen, vervormd door de wervelingen in de lucht. Stel je dan eens voor dat je met een telescoop hónderden kilometers ver kijkt, door de dampkring van de aarde heen, rechtstreeks naar de zon. Het effect dat deze atmosferische vervormingen hebben op het beeld van de telescoop moet tot op enkele nanometers nauwkeurig worden gecorrigeerd.

Dus toen het European Solar Telescope-consortium (EST) overwoog de Europese zonnetelescoop op de Canarische Eilanden uit te rusten met een adaptieve secundaire spiegel (ASM), zocht het een partner die kon helpen ultranauwkeurige waarnemingen van de zon mogelijk te maken. Nu het contract voor het voorlopige ontwerp aan TNO is toegekend, zijn we druk bezig om te bewijzen dat onze technologie dé oplossing is voor de unieke uitdaging die de observatie van de zon ons stelt.

Bril op sterkte

In tegenstelling tot een telescoop die in een baan om de aarde draait zoals de Hubble heeft een telescoop op aarde te maken met de optische verstoringen door de dampkring. Daardoor ontstaat er in principe een slecht beeld. De enige manier om iets scherp in beeld te krijgen, is het gebruik van correctieoptiek, wat enigszins te vergelijken is met een bril op sterkte. Bij telescopen gebeurt dit niet met behulp van een lens, maar met een spiegel.

Dat is niet eenvoudig, omdat als gevolg van turbulentie in de luchtlagen direct boven de telescoop de mate van correctie voortdurend moet worden bijgesteld. In de astronomie wordt (de vorm van) het licht dat bij de telescoop aankomt, het ‘golffront’ genoemd. Om het beeld van de telescoop scherp te houden (met andere woorden: het golffront ‘vlak’ te houden), moet de corrigerende spiegel dus snel van vorm kunnen veranderen. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een vervormbare spiegel, bestaande uit een dunne en flexibele spiegel met daarachter actuatoren die door duwen en trekken de spiegel voortdurend in de gewenste vormen buigen. Hiermee kunnen golffrontfouten worden gecorrigeerd, waardoor de prestaties van de telescoop enorm verbeteren. Hoe meer actuatoren de spiegel heeft, hoe nauwkeuriger de correcties die deze kan uitvoeren, en hoe scherper het beeld wordt.

 advertorial 

Online sessie: 21 december

Tijdens de volgende online sessie van de Bits&Chips System Architecting Conference geven Robin Rieken en Felix Patschkowski (Nexperia) een lezing over enkele belangrijke uitdagingen met betrekking tot prestaties, evolueerbaarheid en fabrieksintegratie. Haal je tickets nu!

Impressie van het optische pad in de Europese zonnetelescoop op de Canarische Eilanden. Beeld: EST/Gabriel Pérez

Aan de hand van de specificaties van het EST-consortium hebben we een oplossing voorgesteld met een ASM met een diameter van 80 cm, aangedreven door tweeduizend actuatoren. Centraal in onze oplossing staat een uniek en gepatenteerd actuatorontwerp, dat door TNO speciaal voor vervormbare spiegels werd ontwikkeld.

Omgevingstemperatuur

Omdat de ASM wordt blootgesteld aan de buitenlucht, moet in het ontwerp sterk rekening worden gehouden met de veranderingen in omgevingstemperatuur. Met de EST zal de zon overdag worden waargenomen, wanneer de temperaturen veel sterker schommelen dan ’s nachts, en wel kunnen variëren van -2 tot +25 graden Celsius. Dat betekent dat de EST-ASM zijn optische kwaliteit (van 12 nm rms golffrontfout) moet kunnen halen over een aanzienlijk temperatuurbereik. Verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënten van de verschillende materialen van de ASM én de rest van de telescoop leiden tot mechanische vervormingen.

De adaptieve secundaire spiegel voor de EST wordt vervormd met tweeduizend actuatoren. Beeld: TNO/B. Dekker

In het TNO-ontwerp wordt dit opgelost door de materiaalkeuzes en het ontwerp van de individuele componenten zó op elkaar af te stemmen dat de vervorming altijd op een uniforme en voorspelbare manier gebeurt. Op deze manier zijn temperatuursveranderingen in principe alleen van invloed op de brandpuntsafstand van de ASM, iets dat gemakkelijk kan worden gecorrigeerd in andere delen van de telescoop. Met optische en thermomechanische modellen wordt al in de ontwerpfase aangetoond dat het probleem van thermische vervormingen op deze manier betrouwbaar is op te lossen.

Geïntegreerde koeling

Een telescoop die recht naar de zon kijkt, moet uiteraard kunnen omgaan met een groot optisch vermogen. De primaire spiegel van de EST heeft een doorsnede van vier meter en zal daardoor rond de 15 kW aan optische vermogen opvangen. Een aanzienlijk deel van dit vermogen wordt afgestopt door een hitte-stop tussen de primaire spiegel en de ASM die het licht over slechts een kleine beeldhoek doorlaat. Hierdoor is het optische vermogen op de ASM maximaal 250 watt.

Gezien de beperkte reflectiviteit van de optische coating op het spiegeloppervlak zal een deel van dit optische vermogen (maximaal 10 procent) worden geabsorbeerd als warmte. De temperatuur van het optische oppervlak mag echter slechts maximaal 0,5 graad afwijken van de omringende lucht om turbulentie ter plaatse tot een minimum te beperken. Daarom ontwerpen we een geïntegreerd koelsysteem om de temperatuur van het spiegeloppervlak te regelen. Het systeem zorgt ervoor dat er een koelvloeistof in de ASM-constructie circuleert, zonder dat deze in contact komt met de optische componenten. Dankzij het hoge rendement van de TNO-actuatoren en de speciaal daarvoor ontworpen motorversterkers produceert de EST-ASM zelf nauwelijks warmte, in tegenstelling tot meer traditionele systemen.

Hexapod

De secundaire spiegel bevindt zich boven op een grote torenconstructie en is naar beneden gericht zodat hij het licht van de hoofdspiegel opvangt. Naast warmte kunnen ook andere factoren van invloed zijn op de uitlijning met de hoofdspiegel, zoals wind, trillingen van de grond en de wisselende zwaartekrachtvector wanneer de telescoop beweegt. Een aanzienlijk deel van de slag van de actuatoren kan opgaan aan de correctie voor al deze factoren. We lossen dit op door de grove uitlijning over te brengen naar een volledig aparte hexapod achter de ASM, waardoor deze in de juiste oriëntatie en op de juiste afstand ten opzichte van de hoofdspiegel kan worden gehouden. Hierdoor kunnen de ASM-actuatoren doen waarvoor ze zijn ontworpen: het snel adaptief corrigeren van het inkomende golffront (het beeld dat wordt bekeken).

Blootstelling aan stof

In tegenstelling tot nachttelescopen, waaromheen altijd een koepel is gebouwd, is de EST een telescoop met een open constructie. Dat betekent dat hij aan de elementen wordt blootgesteld: wind en zon, maar ook stof met een hoog ijzergehalte. Actuatoren bewegen dankzij krachtige magneten, en de kans bestaat dat deze voortdurend de ijzerrijke stofdeeltjes opvangen. Die kunnen grote schade toebrengen aan het systeem, of de spiegel verontreinigen doordat ze zich ophopen op het spiegeloppervlak.

Ook hier biedt een elegant ontwerp een doeltreffende oplossing. TNO bevestigt zijn magneten niet rechtstreeks op de achterkant van de spiegels, zoals in meer traditionele systemen, maar heeft ze op enkele centimeters afstand van de spiegel geplaatst en via actuatorstangen verbonden. Hierdoor kunnen we de magneten volledig afdekken en beschermen tegen omgevingsstof (en andere potentiële gevaren zoals insecten en puin), waardoor het systeem wordt beschermd tegen mogelijk schadelijke elementen.

Betrouwbaarheid op lange termijn

Blootstelling aan de elementen speelt ook een rol wanneer je bedenkt dat we ernaar moeten streven dat de ASM – net als de telescoop zelf – ongeveer vijftig jaar operationeel blijft. Hij zal ongeveer twaalf uur per dag actief zijn in de hierboven beschreven veranderlijke en soms stoffige en hete omgeving. We moeten er dus voor zorgen dat de ASM niet alleen nauwkeurig is, maar ook robuust en corrosiebestendig. Bewegende delen moeten worden beschermd tegen langdurige belasting en zijn daarom dusdanig ontworpen dat het materiaal ruim onder de vermoeiingsgrens blijft.

TNO werkt in dit project nauw samen met VDL ETG, onder meer voor de spiegelondersteuning.

Ook service en onderhoud zijn dankzij het ontwerp relatief eenvoudig. Hierdoor wordt de uitvaltijd als gevolg van periodiek onderhoud tot een minimum beperkt en kunnen kritieke componenten in slechts enkele uren worden vervangen. Om ervoor te zorgen dat het ontwerp zo flexibel is, maken we gebruik van een modulair ontwerp, waarbij onderdelen ontworpen zijn om snel en makkelijk te worden vervangen. Het ontwerp moet het ook mogelijk maken dat het oppervlak regelmatig wordt gereinigd en er regelmatig een nieuwe coating wordt aangebracht. Dankzij het ontwerp kost dit eens in de twee jaar maximaal een paar uur. Daarbij is het ontwerp duurzaam gemaakt, zodat het bestand is tegen reinigingswerkzaamheden.

Daarnaast is het ontwerp bestand tegen vacuüm, zodat het actieve spiegelsysteem in zijn geheel in een vacuümhercoatingsruimte kan worden geplaatst. Gedurende zijn vijftigjarige levensduur zal de ASM regelmatig reiniging, hercoating en onderhoud van onderdelen vergen. Door hiermee reeds in de ontwikkelfase rekening te houden, worden de uitvaltijd van de telescoop en de kans op schade tot een minimum beperkt.

Meer verbeteringen

Behalve voor de specifieke uitdagingen bij het ontwerpen van ASM’s voor het observeren van de zon overdag heeft TNO zijn decennialange ervaring op het gebied van optomechatronisch ontwerp gebruikt om enkele van de algemeen voorkomende uitdagingen op te lossen die de prestaties van een ASM kunnen belemmeren.

Dat begint met de zwaartekracht. Adaptieve spiegels zijn doorgaans ongelooflijk dun, en aangezien ze tijdens een observatieperiode onder verschillende richthoeken (elevaties) staan, ‘trekt’ de zwaartekracht onder verschillende hoeken aan de spiegel (verschillende zwaartekrachtvectoren). Dit veroorzaakt wisselende zwaartekrachtverstoringen in de spiegel die de optica kunnen verstoren. Door de grote kracht van onze unieke actuatoren kunnen bij onze oplossing veel dikkere spiegels worden gebruikt – tot twee keer zo dik als bij traditionelere systemen – waardoor de invloed van de zwaartekracht sterk wordt beperkt wanneer de spiegel door verschillende richthoeken beweegt terwijl hij de zon gedurende de dag volgt.

De meer traditionele technologie maakt gebruik van voice-coil-actuatoren, die een spiegel ondersteunen met magneten die rechtstreeks op de achterkant van een dunne en breekbare spiegel zijn bevestigd. Zo’n systeem is niet alleen energie-inefficiënt maar ook moeilijk te regelen. Het belangrijkste ontwerpkenmerk van de TNO-actuatoren is dat ze nauwkeurig, robuust, voorspelbaar (lineair) en efficiënt zijn. Bij ons systeem hoeft niet elke actuator te zijn voorzien van een sensor die stroom verbruikt, zodat het systeem niet alleen efficiënter werkt maar ook veel minder warmte produceert. Uit tests is gebleken dat onze actuatoren de efficiëntie met een factor van ruim 30 verbeteren, terwijl ze toch op de nanometer nauwkeurig zijn.

Breadboard

Om de haalbaarheid van onze concept-oplossingen te bewijzen, omvat de komende fase van het project ook ‘breadboard’-activiteiten (subsysteemprototypering), waarbij werkingsprincipes in hardware worden aangetoond. Voor de ontwikkeling van de breadboards zullen we samen optrekken met VDL ETG. Ook in de vervolgfase van het project wordt er samenwerkt, net als bij andere projecten in de astronomie en lasercommunicatie, om ervoor te zorgen dat de componenten goed maakbaar zijn en de productie van de actuatoren ook in grotere aantallen kosteneffectief kan worden gedaan.

TNO en VDL ETG werken momenteel al samen aan de bouw van een ASM met een diameter van 63 cm en 210 actuatoren als upgrade voor de 2,2 m telescoop van de University of Hawaii. Nu bundelen we opnieuw onze krachten om die oplossing op te schalen naar de EST-ASM op de Canarische Eilanden, die met zo’n tweeduizend actuatoren op een spiegel van 80 cm een veel grotere actuatordichtheid zal hebben. We hebben er alle vertrouwen in dat we aan de verwachtingen van het EST-consortium zullen kunnen voldoen, of die zelfs kunnen overtreffen.