Telescopen beter te richten met optische gyroscopen

Het richten van een telescoop en het volgen van een ster (of een ander hemellichaam) is een zaak van steeds grotere precisie aan het worden. Tot nu toe maakte men hierbij gebruik van zogeheten encoders: ringen op de assen van de telescoop die de draaiing van deze assen met behulp van elektrische of optische contacten coderen in series elektrische impulsen. Uit deze pulsen kan men precies afleiden in welke richting de telescoop draait en hoeveel hij in die richting is gedraaid, dus of hij goed is gericht.

Bij de moderne, grote telescopen is het gebruik van deze encoders echter moeilijker geworden, omdat men de assen graag vrij wil houden voor de doorvoor van het licht van de hoofdspiegel naar de verschillende soorten brandpunten. Bovendien wil een goede stand van een rotatie-as niet automatisch zeggen dat ook de telescoopbuis zelf precies in de juiste richting wijst. Daarom gaan er al enkele jaren stemmen op om de telescoopbuis in de toekomst te gaan voorzien van een optische gyroscoop.

De werking van een optische gyroscoop is gebaseerd op een effect dat voor het eerst werd beschreven door de Franse fysicus Georges Marc Marie Sagnac in 1913. Een bundel licht wordt gesplitst in twee delen, die in tegengestelde richting een gesloten circuit doorlopen en dan weer worden samengevoegd. Op dit punt ontstaat dan een patroon van interferentiestrepen. Als de interferometer niet draait, is de reistijd voor de twee lichtbundels gelijk en staat het interferentiepatroon stil. Bij draaiing om een as loodrecht op het vlak van de lichtbundels onstaan er echter weglengteverschillen en verschuiven de interferentiestrepen.

Bij een optische gyroscoop is het aantal interferentiestrepen dat door het beeldveld beweegt een maat voor de hoekverdraaiing. Het hoekoplossend vermogen neemt toe met de weglengte van de lichtbundels. Net als bij hun mechanische tegenhangers geven optische gyroscopen absolute rotaties aan en moeten ze dus voor gebruik eerst worden ingesteld aan de hand van vaste referentiepunten. Het voordeel van een optische gyroscoop is dat hij vrijwel geen bewegende delen bevat, dus minder storingsgevoelig is.

Er bestaan twee soorten optische gyroscopen. In het ene type bewegen de lichtbundels door twee glasvezels van vele honderden meters lengte, opgewonden tot spoelen. In het andere type worden de lichtbundels door drie of meer spiegels vele malen in het rond gekaatst door een stuk glas waarin kanalen zijn uitgespaard: het ringlasertype.

Optische gyroscopen doen in snel tempo hun intrede in vliegtuigen, satellieten, onderzeeboten en dergelijke. De standaardmodellen bieden echter nog niet de hoekresolutie en geringe driftsnelheid (het "wegdrijven' uit zijn vaste nulstand) die bij telescopen worden vereist.

De ESO, de Europese organisatie die een groot telescopenpark op La Silla in Chili heeft, startte vorig jaar een onderzoek naar de mogelijkheden van optische gyroscopen in de sterrenkunde. Het Institut für Physikalische Sensorik van de Fachhochschule Offenburg, in Duitsland, lanceerde daarna het voorstel van een gecombineerde glasvezel-ringlaser-combinatie voor het controleren van de richt- en volgbeweging van een telescoop. Een eerste prototype van het glasvezel-deel is nu aan de ESO gepresenteerd.

Het systeem (INFOG 2000 geheten) bestaat uit een spoel van 26 cm diameter met 1100 meter glasvezel. Het blijkt al te voldoen aan de eisen die aan de richtnauwkeurigheid van de toekomstige Very Large Telescope (VLT) van de ESO worden gesteld: een hoekresolutie van beter dan 0,02 boogseconden en een volgnauwkeurigheid van beter dan 0,1 boogseconde. Aan de bouw van een verbeterde versie, die gecombineerd zal worden met een in de handel verkrijgbare ringlasergyroscoop van Litton Guidance Control, is al begonnen. Deze combinatie zal volgend jaar worden getest op de 3,5 meter New Technology Telescope (NTT) van de ESO.

Doordat een optische gyroscoop direct op de telescoopbuis zit, omzeilt men met dit controlesysteem de afwijkingen die met het systeem van encoders niet kunnen worden voorkomen. Doorbuigingen in de telescoop, spelingen in lagers en tandwielen en andere effecten maken dat er verschillen kunnen optreden tussen de werkelijke richting waarin de telescoop wijst en de richting die door de encoders wordt gedicteerd. Als de gyroscopen eenmaal zijn ingesteld, zouden zij telkens wanneer de telescoop naar een ster van bekende positie wijst kunnen worden "bijgesteld'. Dit proces zou zodanig kunnen worden geautomatiseerd, dat het effect van drift verwaarloosbaar klein blijft.

Optische gyroscopen zullen een gewicht van slechts enkele kilo's hebben en een ruimte van nog geen halve kubieke meter in beslag nemen. Sommige astronomen menen dat het gebruik van optische gyroscopen ook een zekere verlichting kan betekenen van de strenge eisen die er nu aan de mechanische precisie van telescopen worden gesteld. Dit zou tot een "substantiële reductie van de kosten kunnen leiden', aldus H.W. Babcock in de Publications of the Astronomical Society of the Pacific (103, p. 468).

Foto: Het hart van de ringlasergyroscoop bestaat uit een blok Zerodur-glas, dat een uitzettingscoëfficiënt van nul heeft, waarin kanalen zijn uitgeboord. De lichtbundels worden met behulp van drie spiegeltjes door het driehoekige (op zijn kant staande) circuit vele malen "in het rond' geleid. Draaiing resulteert in interferentie in de lichtbundels.