Gebroeders Dalton in de watten; Eerste spiegel van Europese reuzentelescoop gereed

Bij het Franse bedrijf REOSC wordt koortsachtig gewerkt aan het slijpen en polijsten van de spiegeldragers van Europa's toekomstige reuzentelescoop. Vorige maand kwam de eerste acht meter kolos gereed, die op 21 november officieel werd overgedragen aan de opdrachtgever: de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). Twee jaar is het Franse bedrijf in touw geweest om te bereiken dat geen enkel punt van de vijftig vierkante meter keramisch glas meer dan 50 nanometer afwijkt van de contractueel vastgelegd specificatie. Nu zijn er nog drie spiegels te gaan.

REOSC (voluit: Recherches et études d'optique et de sciences connexes) kreeg in juli 1989 het contract voor het slijpen en polijsten van de spiegels van de Very Large Telescope van de ESO. De VLT zal bestaan uit vier telescopen, elk met een diameter van 8,2 meter, die eerst alleen afzonderlijk en later ook in interferometer-combinaties kunnen worden gebruikt. Het viertal komt te staan op de 2640 meter hoge berg Cerro Paranal in het noorden van Chili. De eerste telescoop moet in 1998 gereed zijn en de laatste vier jaar later.

De vier glasschijven zijn bij Schott in Mainz gemaakt met behulp van de techniek van het rotatiegieten. Het glas wordt daarbij gegoten in een roterende vorm, zodat het oppervlak na het stollen al bijna de gewenste kromming heeft. Later hoeft dan nog maar relatief weinig glas te worden weggeslepen, wat zowel tijd als geld bespaart. De glasschijven zijn bij Schott gekeramiseerd, waardoor het glas vrijwel ongevoelig is geworden voor veranderingen in temperatuur, en ruw sferisch geslepen.

Glasspiegels voor telescopen worden al sinds tientallen jaren gemaakt, maar het kwartet van de VLT is van een geheel nieuwe soort. De 23,5 ton zware spiegels hebben een diameter van 8,2 meter, maar zijn slechts 17,5 cm dik. Het zijn de grootste, dunste en - mede door het keramiseren - meest broze telescoopspiegels die ooit zijn gemaakt. Het tillen en verplaatsen is daardoor niet minder gecompliceerd en gevaarlijk dan het slijpen en polijsten. Iedere kant en klare glasschijf vertegenwoordigt een waarde van 23 miljoen gulden.

De vier glasschijven zijn door een ludieke ESO-astronoom vernoemd naar de vier Dalton-broers in de stripverhalen van Lucky Luck: Joe, Jack, William en Averell. De eerste drie hebben inmiddels per boot de lange weg afgelegd van Schott naar de haven van Evry (via de Rijn, de Noordzee, Het Kanaal en de Seine), ongeveer 45 km ten zuiden van Parijs. De laatste paar kilometers naar REOSC vond - 's nachts - plaats met een truck met een speciaal hiervoor omgebouwde en hydraulisch tegen omkiepen beveiligde oplegger.

Voor het bewerken van de reuzen-glasschijven heeft REOSC in het landelijke Saint Pierre du Perray een hypermodern atelier optique laten bouwen. Dit werd op 24 april 1992 officieel geopend door de Franse wetenschapsminister Hubert Curien. De nieuwe optische werkplaats valt niet alleen op door zijn architectuur, maar ook door de 32 meter hoge toren: daarin zit de apparatuur voor het testen van het oppervlak van de glasschijven.

Corinne Dijonneau, Ingénieur Direction Commerciale van REOSC,wijst naar het witte sterrenwacht-achtige koepeltje op de toren. 'Dat heeft geen enkele functie', zegt ze, 'maar is alleen bedoeld om de toren wat onschuldiger te doen lijken'. Dit optisch bedrog moet enigszins verdoezelen dat in een andere, nog strenger bewaakte hal van REOSC aan militaire opdrachten wordt gewerkt. Meer dan de helft van de opdrachten voor REOSC zijn van militaire aard.

De 70 meter lange telescoop-hal van REOSC is zodanig ingericht dat er met de glasschijven zo weinig mogelijk behoeft te worden gemanipuleerd. Iedere spiegel wordt - in een speciaal hiervoor door REOSC geconstrueerde transportcontainer - via de tien meter brede toegangsdeur naar binnen gereden. Eveneens door REOSC gemaakt is een speciale 'grijper', die de glasschijf op vijftien punten vastpakt. De vijftien met rubber beklede klampen zijn zodanig met elkaar verbonden dat de krachten gelijkmatig worden verdeeld. Alle handelingen en bewerkingen die de broze schijven ondergaan zijn overigens eerst uitvoerig 'geoefend' met een even grote dummy van gewapend beton.

Via de grijper, die aan een transportkraan hangt, wordt de spiegel uit zijn transportcontainer getild en op de slijpmachine gelegd die zich wat verder in de hal bevindt. De draaitafel waarop de glasschijf ligt is verzonken in de vloer. Hij wordt hydraulisch aangedreven, is computergestuurd en kan 0,01 tot 4 omwentelingen per minuut maken. Naast de draaitafel staat een grote robot-arm, die de slijpschijf over de glasschijf beweegt.

De bewegingen van de 'schouder', 'elleboog' en 'hand' van de robot zijn volledig computergestuurd en ook de kracht die de 'hand' op het glas uitoefent wordt middels een computer gevarieerd. Uitgangspunt is de informatie van de 'hoogtekaarten' die tijdens testmetingen van het glasoppervlak worden gemaakt. Die geven aan waar en hoeveel glas er moet worden verwijderd. Omdat ook de stand van de draaitafel c.q. glasschijf op ieder moment nauwkeurig bekend is, kan zo op ieder punt van de 8,2 meter grote glasschijf de gewenste hoeveelheid materiaal worden verwijderd.

'In principe zouden er bij het slijpproces geen mensen aanwezig behoeven te zijn', zegt Dijonneau. 'Toch kan de mens niet helemáál worden gemist, want de slijpers kunnen aan het geluid van het proces horen of dat goed verloopt. Dat heeft de ervaring hen geleerd'.

Die luister-ervaring kwam goed van pas toen er begin vorig jaar na 320 uur slijpen een stuk van een slijpschijf afbrak. Dank zij snel ingrijpen bleef de schade beperkt tot een 0,2 millimeter diepe kras. Dat betekende weliswaar nog eens 240 uur extra slijpwerk, maar als het euvel later was opgemerkt zou de schade veel groter zijn geweest.

Tijdens het slijpen rust de spiegel op 150 pneumatisch instelbare steunpunten, op precies dezelfde plaatsen als waarop de spiegel later in de telescoop wordt ondersteund. De uit te oefenen kracht kan tot op 200 gram nauwkeurig worden ingesteld: straks in de telescoop is dat zelfs tot op een paar gram nauwkeurig. Elk steunpunt bestaat in feite uit drie 'kussens' van invar, die op het glas worden gelijmd en zo de steunkracht nog eens extra over het oppervlak verdelen.

Het ruwslijpen gebeurt met slijpschijven met keramische tegels. Tijdens dit proces wordt de vorm van de spiegel telkens gemeten met behulp van een speciaal voor de VLT-spiegels ontwikkelde en gepatenteerde sferometer. Die rust op drie punten op het glasoppervlak en meet op vijf andere punten tot op 1 micron nauwkeurig de afstand tot dit oppervlak. Het instrument wordt via een meetbrug in verschillende richtingen over de spiegel verplaatst en levert zo, na verwerking van alle waarnemingen, een soort hoogtekaart van dit oppervlak. Het instrument wordt geijkt aan een 1,7 meter grote referentiespiegel die dezelfde kromtestraal heeft als de uiteindelijke VLT-spiegel.

Na het ruwslijpen, als de gewenste vorm van de glasschijf tot een paar micron nauwkeurig is benaderd, wordt de schijf verplaatst naar een tweede machine, die zich aan het einde van de hal bevindt. Deze machine is geheel identiek aan de slijpmachine en heeft ook precies dezelfde robot naast zich staan. Op deze draaitafel wordt de glasschijf eerst fijngeslepen en vervolgens gepolijst. Dit laatste gebeurt met polijstschijven met 'tegels' van polyurethaan en (tijdens de laatste ronden) pek. In deze ruimte heerst een geringe overdruk, zodat er geen deeltjes uit de slijpruimte in kunnen doordringen.

De polijstmachine staat precies onder de 32 meter hoge testtoren. Boven in de toren, in het krommingsmiddelpunt van de spiegel, bevindt zich apparatuur waarmee een- of tweemaal per dag langs optische weg de vorm van het glasoppervlak wordt bepaald. Deze apparatuur is mechanisch en thermisch geïsoleerd van de torenconstructie, om te voorkomen dat trillingen en temperatuurverschillen tot systematische fouten leiden. 'Het debâcle met de spiegel van de Hubble Space Telescope heeft er toe geleid dat bij het testen de grootste zorgvuldigheid wordt betracht', zegt Dijonneau.

Tijdens het fijnslijpen wordt de vorm van het glasoppervlak tot op 150 nanometer nauwkeurig gemeten met behulp van infrarood-interferometrie en tijdens het polijsten wordt die tot op 5 nanometer nauwkeurig gemeten met behulp van interferometrie in zichtbaar licht. Vorm- of hoogteverschillen aan het glasoppervlak worden met behulp van interferometrie zichtbaar gemaakt in de vorm van verschillen in intensiteit van de door het oppervlak gereflecteerde straling.

De interferogrammen worden vastgelegd met een elektronische hogesnelheidscamera. Die maakt opnamen met belichtingstijden van een duizendste seconde, waardoor de effecten van mogelijk nog aanwezige trilling worden vermeden. De interferogrammen worden gedigitaliseerd en met behulp van speciale software verwerkt tot 'hoogtekaarten' van het glasoppervlak, die precies laten zien waar dit nog van de gewenste vorm afwijkt.

De eerste glasschijf, Joe, werd in juli 1993 de hal binnengereden. Vijf maanden later, toen alle 3 x 150 'steunkussens' aan de onderkant waren vastgelijmd, kon met het slijpen worden begonnen. In augustus vorig jaar was de schijf in zijn juiste vorm geslepen en vorige maand was ook de polijstfase beëindigd. De schijf is uitvoerig getest door ESO-onderzoekers en 'in overeenstemming bevonden met de contractueel vastgelegde specificaties'. Inmiddels is hij teruggeplaatst in zijn transportcontainer, in afwachting van de reis naar Chili. Pas op de berg Paranal krijgt Joe een reflecterend aluminium laagje en is hij een echte 'spiegel' geworden.

Op 21 november is Joe tijdens een petite fête officieel aan de ESOovergedragen. Zijn plaats op de polijstmachine is nu ingenomen door Jack, terwijl op de slijpmachine William is geïnstalleerd. In maart volgend jaar zal de laatste glasschijf, Averell, worden binnengereden en dan wordt het pas goed dringen bij REOSC. Want behalve nog drie VLT-spiegels moet deze onderneming ook de twee glasschijven van de Amerikaanse Gemini-telescoop en de schijf van de Japanse Subaru-telescoop gaan bewerken: allemaal schijven van 8,2 meter diameter. Bij REOSC wordt nu driftig gestudeerd op vraag hoe het dan dreigende fileprobleem in de 12 meter brede hal kan worden opgelost.

Franse optica

REOSC (voluit: Recherches et études d'optique et de sciences connexes) werd in 1937 opgericht door de twee bekende Franse optische fysici Henry Chrétien (1879-1956) en Charles Fabry (1867-1945). Doel was het te gelde maken van de produkten en technieken die werden ontwikkeld op het Optisch Instituut van de Universiteit van Parijs. De onderneming maakt sinds 1978 deel uit van SFIM, een groep industrieën die actief is op het gebied van optische systemen, meet- en regeltechniek en telecommunicatie. Bij de groep werken ruim 2700 mensen. De omzet bedroeg in 1994 (omgerekend) 600 miljoen gulden. De manager, Roland Geyl, doceert aan het Optische Instituut in Parijs. Het 130 man sterke REOSC is gespecialiseerd in het ontwerpen en bouwen van grote en zeer nauwkeurige, geavanceerde optische systemen. De onderneming bouwde aanvankelijk astronomische instrumenten, maar werd later ook actief op het gebied van de lucht- en ruimtevaart. REOSC heeft bijdragen geleverd aan vrijwel alle (militaire) satellieten die in Europees (of Frans) verband zijn ontwikkeld. Zij gaat er prat op holle spiegels te kunnen maken die tot 90 procent lichter zijn dan massieve spiegels, maar toch even star. 'Onze grootste concurrent is de Duitse onderneming Carl Zeiss', aldus verkoop-ingenieur Corinne Dijonneau.