Mechatronica bedrijven bij 200 graden onder nul

Engineers die opereren aan de grenzen van wat mechatronisch haalbaar is, kunnen er niet omheen: zonder goede thermische huishouding kunnen ze een nauwkeurig systeem wel vergeten. Bij astronomie- en telescoopspecialist Nova zijn de werktemperaturen inmiddels gezakt tot in het cryogene domein, dat weer heel nieuwe uitdagingen met zich meebrengt. De normale materiaalregels bij kamertemperatuur zijn sowieso onbruikbaar.

Alexander Pil

Nova ontwikkelt en bouwt geavanceerde, wetenschappelijke systemen, vooral voor de astronomie. De lat ligt hoog voor wat betreft de nauwkeurigheid van de gebruikte mechatronische systemen. Om het heelal goed in beeld te brengen, is uiterste precisie vereist. Het gaat immers om zeer zwakke lichtbronnen die zo ver weg staan dat de kleinste afwijking al funest is. Om de benodigde nauwkeurigheid te halen, moet Nova overal het onderste uit de kan halen. De optica, de elektronica, de software, de mechanica, de systeemengineering: alles moet perfect op orde zijn om te kunnen blijven voldoen aan de steeds hogere verwachtingen. Niet nieuw, maar steeds belangrijker zijn de thermische aspecten van het ontwerp. Zonder een goed thermisch design kun je ultraprecisie namelijk wel op je buik schrijven.

De uitdagingen op dat vlak worden steeds groter omdat de operationele temperaturen verder en verder omlaag worden geschroefd. ‘Als je bijvoorbeeld naar infraroodstraling wilt kijken, mag er niks in de buurt van de detector op kamertemperatuur zijn’, zegt Ramon Navarro, hoofd van de divisie optische infraroodinstrumentatie bij Nova. ‘De hitte die dergelijke componenten afgeven, is ook infrarood. En die straling zou het signaal van een zwakke bron ver weg in het heelal volledig overstemmen.’

De gevoeligheid van moderne ruimtetelescopen, zoals de James Webb Space Telescope, is zodanig dat de hele telescoop in een cryogene omgeving moet werken. Wanneer je iets cryogeen noemt, hangt af van wie je het vraagt. In de biologie leggen ze de grens vaak bij -80 graden Celsius, wat je met een opgevoerde vriezer nog kunt halen. Gebruikelijker is om het kookpunt van vloeibaar stikstof als referentiepunt te nemen (77 K). Soms moet het nog veel extremer: ‘De detectoren die SRON toepast om terahertz-straling te meten, werken pas beneden een temperatuur van 300 mK’, weet Navarro.

Koelen zonder trillen

In de precisie-instrumenten van Nova zijn trillingen natuurlijk uit den boze. ‘Helaas veroorzaken koelsystemen altijd vibraties’, vertelt Navarro. ‘Of je nou met een pomp koelt of vloeibare stikstof laat rondstromen, er gaat altijd iets trillen. Zelfs met een koelmethode zoals adiabatische expansie van een gas slaan er kleine druppeltjes neer en dat geeft microvibraties.’ Samen met de Universiteit Twente zoekt Nova naar een oplossing voor vibratievrije koeling. ‘Helemaal zonder trillingen zal het nooit worden, maar we zijn al heel blij met de factor duizend verbetering waar we nu naartoe werken.’

Een andere uitdaging is dat de systemen weliswaar op cryogene temperatuur werken, maar dat ze op kamertemperatuur in elkaar worden gezet. Hoe gedraagt zo’n structuur zich als hij wordt afgekoeld? ‘Om te beginnen, krimpen de materialen natuurlijk’, zegt Navarro. Nova-systemen zijn meestal van aluminium. ‘Als je zo’n blok van typisch een meter afkoelt tot het niveau van vloeibaar stikstof, is het vier millimeter kleiner geworden.’ Dat lijkt misschien niet veel, maar de systemen moeten vaak op de micrometer nauwkeurig zijn gepositioneerd en op de nanometer stabiel blijven.

Nova kiest er daarom voor om zo veel mogelijk één materiaal te gebruiken, dus alleen aluminium. ‘En ook nog het liefst van dezelfde leverancier en uit dezelfde productiebatch zodat de materiaaleigenschappen constant zijn’, aldus Navarro. Maar daarmee is het niet opgelost. ‘We maken meestal optische systemen. Dus je ontkomt er niet aan om ergens een keer glas te gebruiken en dan zit je toch met verschillende thermische expansiecoëfficiënten in je systeem. Materiaaleigenschappen bij extreme temperaturen staan niet in de specs van de leveranciers, dus we moeten voortdurend zelf onderzoek doen.’

Onverwachte effecten

Navarro noemt het zelf ‘vooral een goede boekhouding’ om alles onder controle te houden, maar het heeft heel wat voeten in aarde. De engineers bij Nova gebruiken Zemax-modelleersoftware voor het optische gedeelte en Siemens NX voor de mechanische modellering. ‘We hebben zelf een interface geschreven tussen die twee tools’, zegt Navarro. ‘Nu kunnen we de vervorming en krimp die optreden in de verschillende materialen meenemen in het fem-model en dat terugkoppelen naar Zemax.’

Onderdeel van de modellering is het niet-lineaire gedrag van materialen in een cryogene omgeving. Navarro: ‘Dan blijkt zoiets simpels als de brekingsindex ineens temperatuurafhankelijk te zijn. Of koelt aluminium niet netjes met een e-macht af, maar zit er een vreemde sprong rond de 100 kelvin omdat de warmtecapaciteit dan veel kleiner wordt. De bekende regels op kamertemperatuur kun je niet toepassen want veel materialen vertonen bij cryogene temperaturen allerlei onverwachte en niet-lineaire effecten.’

Omdat de systemen niet alleen in ultrakoude omgevingen opereren maar ook in vacuüm, liggen de eisen aan de bruikbare materialen nog hoger. ‘Je moet alles extreem goed schoonmaken en coaten. En uitgassing van materialen is een aandachtspunt’, vertelt Navarro. ‘Ook wrijving en smering zijn heel belangrijk omdat je in vacuüm natuurlijk geen olie kunt gebruiken. Er bestaat wel zoiets als dry lubrication met speciale coatings, maar de levensduur is heel lastig te voorspellen. Zo hebben we er vier jaar over gedaan om de levensduur van een systeem op te krikken van elf dagen naar de tien jaar die in de astronomie vereist is. Het mechanisme haalde vanaf dag 1 de nauwkeurigheidsspecificaties, maar het kostte ons heel wat kleine en grote iteraties om het robuust genoeg te maken.’

Alles vast

Een oplossing voor een deel van de uitdagingen is de no-adjustment-aanpak die Nova hanteert. Navarro legt uit: ‘We bouwen alles maatnauwkeurig en zetten het heel stevig vast; niks mag bewegen. We kiezen niet voor een modulaire opzet, maar werken juist zo veel mogelijk monolithisch. Met de gekoppelde designtools kunnen we dan precies simuleren wat er gebeurt als je het systeem afkoelt.’

Een voorbeeld van een product dat Nova volgens deze methode heeft ontwerpen, is een spiegelclip. ‘Zowel bij kamertemperatuur als bij cryogene temperaturen moet die clip de goede kracht leveren om het spiegelframe goed vast te houden’, stelt Navarro. ‘De spiegel zelf is vaak van kwarts, dat een heel lage uitzettingscoëfficiënt heeft. Het aluminium frame en de clip van rvs hebben juist een hoge coëfficiënt. Als de spiegel dus te strak zit, krijg je wellicht niet direct een scheur, maar op nanometerschaal ontstaan er zeker wel allemaal oneffenheden.’

Very Large Telescope

Die no-adjustment-filosofie is heel leuk, maar steeds vaker komen de Nova-ontwikkelaars er niet meer mee weg. Omdat er niets beweegt en er slechts één toestand is, zijn de mogelijkheden van zo’n systeem immers heel beperkt. Om de gewenste nauwkeurigheid te halen, is er vaak een uitlijnmechanisme nodig, en dus een beweging in die cryogene omgeving. Ook bouwt het instituut regelmatig mode-switching componenten die kunnen schakelen tussen twee of meer toestanden.

Een mooi voorbeeld van zo’n uitlijnmechanisme ontwierp Nova samen met Janssen Precision Engineering voor de Very Large Telescope (VLT) in Chili. ‘De bundels van de vier telescopen moeten worden samengevoegd op een fractie van een pixel nauwkeurig. Daarvoor is een superprecieze stuurspiegel nodig die werkt op een temperatuur van 32 K’, legt Navarro uit. ‘We hebben daarvoor een structuur bedacht waarin het bovenste spiegelende gedeelte bijna losstaat van het onderste sturende gedeelte. Zo hebben vervormingen aan de onderkant geen invloed op de vlakheid van de spiegel. We werken vanuit één blok metaal en zorgen dat we die goed bewerken zodat er zelfs na alle benodigde processtappen geen spanningen in het materiaal zitten. Met een piëzomotor kunnen we de stand van de spiegel bepalen. Zo’n motortje zet al minuscule stapjes, maar die waren in dit geval nog steeds te grof. Met een paar mechanische trucs is het ons gelukt om de stapjes met twee keer een factor vijftig te verkleinen. Nu kunnen we de tilt van de spiegel op de picometer nauwkeurig instellen.’

Een typisch mode-switching onderdeel is een shutter, bijvoorbeeld om een laserbundel razendsnel te kunnen afdekken. Navarro laat een shutter zien die binnen vijf milliseconden kan schakelen, tussen twee frames in de opname. ‘En dat zonder noemenswaardige warmte toe te voegen’, benadrukt hij nog maar eens. ‘Het is een bi-stabiel systeem geworden waarbij we magneten gebruiken om de afsluiter in zijn twee standen vast te houden. Schakelen doen we met een voice coil en dat kost slechts 1 mJ. Daarna hebben we nog een fractie van die energie nodig om te checken of hij goed staat.’

Ronddraaiende prisma’s

De volgende stap voor Nova is het ontwerp van continu bewegende mechanismes bij cryogene temperaturen. Echte regeltechniek, inclusief feedforward- en feedbackloops, maar dan in die uitdagende omgeving. ‘Die bewegingen zorgen voor trillingen en genereren warmte. Ook heb je kabels of glasvezels nodig om stroom en signalen in en uit het systeem te krijgen’, schetst Navarro de problemen.

Onmogelijk is het niet, getuige de atmosferische dispersiecompensator (ADC) die Nova bouwde voor de Extremely Large Telescope (ELT). ‘De telescoop tuurt steeds naar een ander deel van het hemel. De aardse atmosfeer werkt echter als een prisma: de kleuren worden uit elkaar getrokken’, legt Navarro uit. Omdat de telescoop voortdurend beweegt, is er een instelbare oplossing nodig die daarvoor compenseert. Uiteraard mag er weer niets in de weg zitten dat warmte afgeeft omdat dat storende infraroodstraling uitzendt. Nova gebruikt daarom een oplossing van vier ronddraaiende prisma’s die elkaar soms versterken en soms opheffen.

‘Het hele systeem moet worden gekoeld tot onder de 100 K’, vertelt Navarro. ‘Voor de vaste wereld lukt dat redelijk eenvoudig. We hebben daar een groot oppervlak in ontworpen waardoor de warmte weg kan. De uitdaging zit ’m in het motortje dat nodig is voor de beweging. Dat genereert natuurlijk warmte die je ook zo snel mogelijk wilt afvoeren. Bijkomend probleem is dat we met een encoder moeten werken die onder de 210 K kapot gaat. Dus we zitten met flinke gradiënten.’ Toch is Nova erin geslaagd om het systeem te kwalificeren dat tien jaar meegaat en binnen de specs blijft.

Einstein-telescoop

Het werkterrein van Navarro en zijn collega’s is natuurlijk een niche. Ziet hij op meer plekken een trend richting lagere, zelfs cryogene temperaturen? ‘Jazeker. In de Einstein-telescoop, die wellicht in Limburg gaat komen, is zo veel precisie nodig dat veel van de instrumenten in het cryogene gebied opereren. Het speelt ook bij bijvoorbeeld Thermo Fisher Scientific. Als je wilt kijken naar eiwitkristallisatie, moet je dat bij cryogene temperaturen doen. Hoe ga je dat proces vormgeven? Hoe maak je het sample? Ze lopen daar met zeer vergelijkbare vragen als wij.’

Navarro ziet nog meer toepassingen. ‘Voorlopig zit het nog voornamelijk op het wetenschappelijke en academische niveau. Voor sommige fysische eigenschappen zijn cryogene temperaturen echter noodzakelijk, zoals supergeleiding en superfluïditeit. En daarmee wordt cryogene mechatronica ook interessant voor bijvoorbeeld de Hyperloop of ASML. Als die systemen nog sneller moeten bewegen, moet je op een gegeven moment naar supergeleiding en dus naar die cryogene omgeving.’