Een spiegel voor de verste planeten

Astronomie

In Chili bouwt de Europese Zuidelijke Sterrenwacht een nieuwe optische telescoop. Vanaf 2024 moet hij voorheen onzichtbare exoplaneten ontsluieren. Voor de ingenieuze draagconstructie is een Nederlands consortium in de race.

Tekening van de spiegeltelescoop, zoals hij er in 2024 uitziet. Tekening: TNO

‘Als je in deze spiegel kijkt, denk je dat je je drie dagen niet hebt geschoren. Zo scherp is het beeld”, zegt een gladgeschoren Jan Nijenhuis. Hij is systeem-ingenieur bij TNO en geestelijk vader van de draagconstructie die de in aanbouw zijnde nieuwe Europese spiegeltelescoop E-ELT misschien gaat krijgen.

Misschien. Want de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), die de telescoop in Chili bouwt, beslist maart volgend jaar met welke draagconstructie het uiterst gevoelige instrument wordt uitgerust. Met de Nederlandse variant, die TNO ontwikkelt met de onderzoeksschool voor astronomie NOVA en het Eindhovense bedrijf VDL. Of met de variant van de Spaanse concurrent. Het winnende ontwerp krijgt hoogstwaarschijnlijk de opdracht ter waarde van 25 miljoen euro – maar moet daarvoor eerst nog door een officiële Europese aanbestedingsronde.

De European Extremely Large Telescope, zoals de telescoop voluit heet, zal naar verwachting ruim een miljard euro kosten. Hij komt te staan op de meer dan 3.000 meter hoge Cerro Armazones in Chili. Ver van de bewoonde wereld omdat daar de waarnemingsomstandigheden ideaal zijn. Het is er hoog en droog zodat de verstoring door de atmosfeer minimaal is. De bouw is twee jaar geleden gestart. Naar verwachting ‘ontvangt’ de telescoop in 2024 zijn eerste licht.

Dat de spiegel zo’n scherp beeld geeft, komt door het extreem glad gepolijste, 50 millimeter dikke glas waaruit hij bestaat. En het glas is aan de vóórkant voorzien van een dun laagje zilver. Dus niet aan de achterkant, zoals bij een badkamerspiegel. Daardoor treedt er geen vervorming op van het spiegelbeeld en krijgt zelfs de meest gladgeschoren man een stoppelbaard.

De telescoop is bedoeld voor waarnemingen in het zichtbare en nabij infrarode deel van het elektromagnetisch spectrum. Het scheidend vermogen is ruim tien keer groter dan dat van de huidige generatie telescopen. Daarmee hopen astronomen voorheen onzichtbare zaken in beeld te brengen, zoals planeten in andere zonnestelsels, inclusief aanwijzingen voor buitenaards leven. Momenteel worden die exoplaneten alleen indirect waargenomen door kleine schommelingen en variaties in de helderheid van de sterren waar ze omheen bewegen. Het grote scheidend vermogen maakt het ook mogelijk om veel verder terug te kijken in de tijd en de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels te bestuderen 13 miljard jaar geleden.

798 zeshoekige segmenten

Het principe van de optische spiegeltelescoop dateert uit de 17e eeuw toen Isaac Newton zijn eerste telescoop bouwde met een spiegeltje van drie centimeter doorsnede. Evenwijdig invallende lichtstralen uit het heelal worden via een gekromde spiegel teruggekaatst naar een vangspiegel en gaan van daaruit naar de meetapparatuur. Technisch is het echter ondoenlijk om spiegels van meer dan acht meter doorsnede uit een stuk te gieten, te polijsten en te transporteren.

Voor de E-ELT is daarom gekozen voor een spiegel die bestaat uit 798 zeshoekige segmenten, elk met een diameter van 1,40 meter. De segmenten krijgen allemaal een eigen draagconstructie. De complete constructie is dus opgebouwd uit 798 kleinere.

Tekening van een spiegelsegment met zijn draagconstructie. Tekening: TNO

Als de segmenten in een plat vlak zouden liggen, zouden ze allemaal identiek zijn, maar omdat de spiegel een holle vorm heeft hebben ze allemaal een iets andere geometrie. De draagconstructies zijn wel allemaal identiek, want, aldus Nijenhuis, „dat maakt het een stuk goedkoper om ze in een grote serie te produceren.”

Aan de draagconstructie worden hoge eisen gesteld. Om waarnemingen te kunnen doen in de verste verten van het heelal moet de telescoop zo dicht mogelijk bij zijn ideale schotelvorm blijven. Die vorm moet hij behouden, ook als de schotel wordt gedraaid. De vervorming van de segmenten zelf en van de segmenten ten opzichte van elkaar mag niet meer zijn dan een tienduizendste millimeter.

Als oplossing is er een constructie bedacht die ervoor zorgt dat de verdeling van de krachten over de spijkers steeds gelijk blijft. Het idee erachter is gebaseerd op het eeuwenoude mechanisme van de whiffletree – er bestaat geen goed Nederlands woord voor. Het is een losse horizontale balk die er voor zorgt dat de trekkracht van twee paarden of ossen voor een ploeg evenredig wordt verdeeld zodat de boer een rechte voor kan maken. Een vergelijkbaar mechanisme zorgt er bij ruitenwissers voor dat de druk op een punt evenredig wordt verdeeld over de lengte van de wisser.

Vertaald naar de telescoop: elk van de 798 segmenten wordt op negen plaatsen ondersteund door drie ‘spijkers’ op een driepoot. Die negen driepoten worden weer gesteund door drie andere driepoten met elk drie spijkers. De vlakken die worden gevormd door de drie punten zijn als het ware plankjes die kunnen kantelen op de ‘spijkers’ die hen ondersteunen. Een passief systeem dat zich vanzelf instelt, zodat de spiegel op de meest ‘comfortabele’ manier ligt en het gewicht van de spiegel zo gelijkmatig mogelijk verdeeld is.

„Ik vergelijk onze draagconstructie wel eens met een spijkerbed op een waterbed”, zegt Nijenhuis. „Hoe je ook gaat liggen, overal prikken de spijkers precies even hard. Tijdens het draaien van de telescoop verandert wel de som van de krachten op de spijkers, maar niet de verdeling ervan. Als een spijker een procent van de totale kracht draagt dan blijft dat zo, ook al kantelt de telescoop van horizontaal naar bijna verticaal.”

Die constructie – het spijkerbed – is via cilinders verbonden aan de zware stalen draagstructuur van de spiegel. Door de cilinders op en neer te bewegen, kun je de hele spiegel bewegen of kantelen. Die beweging moet wel heel gelijkmatig zijn, want ook in dit geval moeten hoogteverschillen tussen de segmenten voorkomen worden.

Kalibreren met een ster

De aandrijving van de cilinders gebeurt op basis van sensoren op de zijkanten van elk spiegelsegment die afwijkingen van enkele nanometers groot signaleren. Ze worden gecorrigeerd door de cilinder omhoog of omlaag te laten bewegen. Om te voorkomen dat de sensoren samen op drift raken, wordt de geometrie van de spiegel gekalibreerd met behulp van een ster. Nijenhuis: „Als de telescoop zijn ideale vorm heeft wordt een ster als een goed afgebakende punt weergegeven. De afwijking tussen gemeten en verwachtte positie is een maat voor de aan te brengen correctie.”

Bij bewegingen van de telescoop moet ook de zijwaartse verplaatsing van de spiegelsegmenten minimaal zijn. Elk segment heeft daarom een uitsparing aan de onderzijde waar een membraan in past: een ronde stalen plaat, die aan de rand vast zit aan het spiegelsegment en in het midden aan de ondersteunende constructie van de spiegel. „De constructie is zodanig dat zelfs een aardbeving van 8,5 op de schaal van Richter de spiegel niet zijwaarts doet verschuiven”, zegt Nijenhuis. Aardbevingen komen vrij veel voor in het gebied. De Very Large Telescope in het nabijgelegen Cerro Paranal heeft er al eens een ondergaan met een kracht van 7,5 op de schaal van Richter, overigens zonder noemenswaardige gevolgen.

De laatste belangrijke eis is dat de spiegelsegmenten uitneembaar moeten zijn. Want de coating erop degradeert, waardoor de reflectie afneemt. Elke dag worden daarom twee spiegelsegmenten voorzien van een nieuwe coating. Om een segment te verwijderen wordt het samen met een deel van zijn draagstructuur met een uitschuifbare cilinder omhoog geduwd. Op een gegeven moment steekt het segment zover boven de andere spiegels uit dat een volledig computergestuurde kraan met grijper het eruit kan lichten en veilig naar een positie buiten de spiegel kan brengen. Diezelfde kraan plaatst vervolgens een reservesegment op de zojuist vrijgekomen positie. Daarna wordt de cilinder weer ingetrokken en de spiegel weer vastgemaakt.

De draagconstructie van het Nederlandse consortium lijkt in grote lijnen op dat van de Spanjaarden, zegt Nijenhuis. De variatie zit in details, zoals de gebruikte materialen, hoe onderdelen met elkaar verbonden zijn, en hoe alles geassembleerd wordt.

In opdracht van de ESO maken de twee concurrenten elk vijf exemplaren van zo’n draagconstructie voor één spiegelsegment. Het eerste exemplaar van het Nederlandse consortium wordt momenteel uitvoerig getest door TNO zelf. De overige vier zijn zogeheten kwalificatiemodellen die door ESO zullen worden getest. In maart is duidelijk wie de winnaar is.