Thermosfles klaar voor de sterren

Op de Europese lanceerbasis Kourou in Frans-Guiana staat de Arianeraket gereed waarmee vanaf morgen het Infrared Space Observatory (ISO) wordt gelanceerd. ISO is de eerste infraroodsatelliet die is gebouwd onder verantwoordelijkheid van het Europese ruimte-agenschap ESA. Doel van de satelliet is het gedetailleerd bestuderen van de 'koele', onzichtbare straling van hemellichamen: van nabije planeten tot verre sterrenstelsels. De satelliet heeft vier instrumenten aan boord, waarvan één is gebouwd onder supervisie van de Stichting Ruimte-onderzoek Nederland (SRON).

Onderzoek van de infraroodstraling van hemellichamen levert een belangrijke aanvulling op het onderzoek aan bijvoorbeeld het zichtbare licht of de radiostraling van zulke objecten. Maar het waarnemen van die infraroodstraling is niet eenvoudig. In de eerste plaats laat de dampkring deze straling slechts in bepaalde, smalle golflengtegebiedjes door. En in de tweede plaats zijn de dampkring en de telescoop zèlf belangrijke bronnen van infraroodstraling. Een infraroodastronoom op aarde is als iemand die vanuit een gloeiende oven de temperatuur van zijn omgeving probeert te meten.

De natuur heeft hier iets op gevonden. Sommige dieren, zoals insekten en slangen, hebben zintuigen die gevoelig zijn voor warmtestraling: ze kunnen ook in het donker hun prooi vinden. Doordat deze dieren koudbloedig zijn, produceren ze geen warmte die hun waarnemingen kunnen verstoren. Dit principe heeft men ook bij ISO toegepast: doordat de telescoop van de satelliet op een heel lage temperatuur wordt gehouden, kan hij zijn 'prooi' goed zien. En doordat hij om de aarde draait, hoeft hij niet door een warme, absorberende atmosfeer heen te kijken.

ISO is een satelliet van ongeveer 5,3 meter hoog en 3,5 meter diameter. Hij weegt ongeveer 2500 kilogram. Het zwaarste deel is het vier meter hoge koudevat, de cryostaat. De dubbele wand hiervan is gevuld met 2300 liter supervloeibaar helium met een temperatuur van 1,8 graden boven het absolute nulpunt (1,8 K). In dit heliumvat zijn de telescoop en de wetenschappelijke instrumenten gemonteerd. Aan de bovenkant van het heliumvat zit een 'deksel', dat pas enkele dagen na de lancering zal worden afgeworpen.

ISO is in feite een gigantische thermosfles. Het heliumgas dat tijdens de verdamping ontstaat, koelt de drie stralingsschermen rond het heliumvat en gaat langs verschillende delen van de telescoop. De spiegel en enkele detectoren zijn bovendien via koperen strips verbonden met de wand van de heliumtank en worden daardoor extra gekoeld: tot 2 à 3 K. Bovenin de telescoop is het 6 à 7 K. Het gas verdwijnt naar de ruimte via een poreuze plug van gesinterd edelstaalschuim. Dit materiaal wordt op aarde ook als bierfilter gebruikt.

De gehele satelliet is 'verpakt' in een sterk reflecterende, thermische isolatie. Die zorgt er voor dat de straling van de zon (en de aarde) zo veel mogelijk wordt teruggekaatst. Bovendien bevindt het grootste deel van de satelliet zich straks in de schaduw van zijn paneel met zonnecellen. Onder het heliumvat bevindt zich de veel warmere service module, met apparatuur voor het richten van de satelliet, energievoorziening, data-opslag en radio-comminicatie met de aarde.

De telescoop mag onder géén beding naar de zon, de aarde en de maan worden gericht. Daarom is in het standregelingssysteem van de satelliet een veiligheid ingebouwd die dit onmogelijk maakt. Zou vanaf de aarde het commando komen om naar een punt te dicht bij een van genoemde objecten te draaien, dan weigert de satelliet botweg. Hij draait automatisch in een veilige richting en wacht op een ander commando. Dit veiligheidssysteem is ontwikkeld door Fokker Space & Systems in Leiden.

Infraroodbronnen

De eerste en tot nu toe enige infraroodsatelliet die goed functioneerde was IRAS (Infrared Astronomical Satellite), een project van Nederland, Engeland en de Verenigde Staten. IRAS bracht in 1983 in de loop van tien maanden de gehele infraroodhemel in kaart en ontdekte een kwart miljoen infraroodbronnen. Uit dit enorme databestand worden ook nu nog belangrijke gegevens gehaald.

IRAS was een satelliet die al draaiende om zijn lengte-as de hemel punt voor punt aftastte. Met behulp van al die metingen konden dan afbeeldingen van astronomische objecten worden gemaakt. ISO draait ook om de aarde, maar niet om een as. Hij heeft twee camera's waarmee in één keer opnamen van stukjes van de hemel kunnen worden gemaakt. In de camera's zitten array- detectoren van 32 x 32 beeldpunten (pixels), die ISO een tien maal zo scherp zicht geven als IRAS.

ISO komt in een langgerekte 24-uursbaan om de aarde: zijn afstand tot de aarde varieert van 1000 tot 70.000 km. De satelliet doorkruist periodiek de twee stralingsgordels rond de aarde, de Van Allen-gordels, waarvan de elektrisch geladen deeltjes storende signalen in de elektronica veroorzaken. Van de 24 uur blijven daardoor 16 uur voor waarnemingen over. Daar komt echter nog bij dat door de combinatie van de baankeuze en de 'verboden' waarnemingsrichtingen ongeveer een vijfde deel van de hemel, rond Orion, nooit zal worden waargenomen.

De werkingsduur van een gekoelde infraroodsatelliet wordt bepaald door de hoeveelheid helium. IRAS had een hoeveelheid helium aan boord die voldoende was voor tien maanden, maar de heliumvoorraad van ISO moet toereikend zijn voor 18 tot 20 maanden. Doordat de satelliet tot tien uur lang op één bron kan worden gericht, zal hij details kunnen zien die een paar duizend maal lichtzwakker zijn dan wat IRAS kon zien.

De bouw van deze diepgekoelde satelliet mag een technisch hoogstandje worden genoemd. IRAS had geen bewegende onderdelen, maar ISO heeft die wel en alles wat daarin beweegt moet dat ook vlak bij het absolute nulpunt blijven doen. 'De bouw ging daarom niet van een leien dakje', zegt Thijs de Graauw van het Laboratorium voor Ruimte-onderzoek in Groningen. Hij is de principal investigator van de spectrometer die onder verantwoordelijkheid van dit instituut werd gebouwd. 'ESA had niet veel ervaring met cryogene astronomische satellieten en hamerde steeds maar weer op het tijdschema. Je krijgt dan geen enkele kans om iets te optimaliseren'.

De Graauw verhaalt over onbekende storende signalen, die afkomstig bleken te zijn van de radioactieve coating op lenzen, over detectoren die ook zonder infrarode straling signalen bleven geven, over kabels die warmte van de elektronica naar de supergekoelde instrumenten leiden, over groene vlekken, krassen en vingerafdrukken op de lichtgewicht 60-cm spiegel en over de kleppen die na het vullen van het heliumvat maar niet goed wilden sluiten. Dit laatste bracht de ESA en de verantwoordelijke onderaannemer, DASA, in de loop van anderhalf jaar bijna tot wanhoop.

Daarnaast waren de onderzoekers die de wetenschappelijke instrumenten moesten bouwen aanvankelijk niet of nauwelijks betrokken bij de constructie van de satelliet als geheel. De Graauw: 'Zo liep één van de ESA-calibratiemensen héél toevallig aan tegen een tekening die hem enorm deed schrikken. Het instrumenten-compartiment was met een soort deksel afgedekt, om te voorkomen dat er ongewenste straling bij kon komen. Maar die afscherming was om mechanische redenen zo gemaakt dat er ruimte over bleef die toch straling doorliet'.

Uiteindelijk werd er toch naar de instrument-groepen geluisterd en werd er een integratiest voor de gehele satelliet ingelast. 'De ESA-leiding bleek heel gevoelig voor het argument dat men anders een herhaling van de blunder van de Hubble Space Telescope zou kunnen krijgen', zegt De Graauw. De problemen werden opgelost, maar de lanceerdatum is daardoor 2,5 jaar opgeschoven. De Graauw wist deze vertraging nog uit de buiten door in de Verenigde Staten enkele infrarooddetectoren van betere kwaliteit te bemachtigen.

De ISO-telescoop staat nu al ruim anderhalf jaar koud. Af en toe is de thermosfles met wat helium bijgevuld. Enkele dagen vóór de lancering wordt de bovenste koelring van de satelliet leeggehaald. Deze ring is bedoeld om de bovenkant van de telescoopbuis koel te houden gedurende de tijd dat de satelliet op aarde staat. In feite is het koelsysteem van ISO zo ingewikkeld omdat de telescoop ook op aarde al zo koud moet zijn.

Villafranca

Anderhalve week na de lancering wordt het deksel van de ISO-thermosfles afgeworpen en is de satelliet pas echt gebruiksklaar. Nòg een week later beginnen de instrumenten hun eerste metingen te verrichten. Dan volgt een periode van twee maanden waarin alles wordt gecalibreerd en pas daarna kan het officiële waarnemingsprogramma beginnen. De waarnemingen worden direct gezonden naar het vluchtleidingscentrum in Villafranca, nabij Madrid. Na een soort voorbewerking worden ze opgeslagen op CD-ROM en naar de waarnemers gestuurd.

Waarnemingen in het infrarood zijn niet alleen van belang omdat vele 'koele' (15 tot 300 K) objecten in het heelal in dit golflengtegebied het grootste deel van hun straling uitzenden, maar ook omdat vele atomen, ionen en moleculen zich juist in dit golflengtegebied via hun emissie- en absorptielijnen verraden. Door infraroodmetingen kan men zo vele fysische eigenschappen van hemellichamen te weten komen, zoals chemische samenstelling, temperatuur, dichtheid en snelheid.

Met ISO zullen onder andere infraroodspectra worden opgenomen van planeten, satellieten en kometen in het zonnestelsel. Verder zullen met de satelliet jonge sterren worden bestudeerd die nog verstopt zitten in de wolken waaruit ze ontstaan en schijven van stof rond sterren die mogelijk samenhangen met de vorming van een planetenstelsel. Andere waarnemingsdoelen zijn verre sterrenstelsels en vooral die welke in het infrarood veel helderder zijn dan in zichtbaar licht. Ook met ISO hoopt men door te dringen tot de grenzen van het heelal.

Wie bouwde wat

ISO is het tot nu toe grootste wetenschappelijke project van de ESA. De satelliet is gebouwd in het kader van haar 'Horizon 2000'-programma. De kosten van het project (inclusief lancering en operationele kosten) bedragen 1,3 miljard gulden. De bouw vond plaats onder verantwoordelijkheid van het Franse bedrijf Aerospatiale. De vier wetenschappelijke instrumenten zijn gebouwd door vier consortia van industrieën en instituten in de lidstaten van de ESA. Deze instrumenten registreren infraroodstraling in het golflengtegebied tussen 2,5 en 250 micron: het gebied tussen 120 en 250 micron was tot nu toe nog niet verkend. Isophot, gebouwd onder supervisie van het Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, is een fotometer die de intensiteit en polarisatie van infraroodstraling meet. Isocam, gebouwd onder verantwoordelijkheid van het instituut Service d'Astrophysique de Saclay (bij Parijs), is een camera met twee detectoren. SWS (Short Wavelength Spectrometer) is gebouwd onder supervisie van de laboratoria van de Stichting Ruimte-onderzoek Nederland in Groningen en Utrecht, in samenwerking met het Max-Planck-Institut für extraterrestrische physik in München. LWS (Long Wavelength Spectrometer) is gebouwd onder supervisie van het Queen Mary and Westfield College in Londen. Vele instituten hebben bijdragen geleverd aan meerdere instrumenten.