Melkweg haarscherp in kaart door stabiele meetsystemen TNO

Sinds enkele maanden draait de Gaia-satelliet van Esi op anderhalf miljoen kilometer van de aarde. Doel is om een zeer nauwkeurige driedimensionale kaart te maken van ongeveer een miljard sterren in ons Melkwegstelsel. Aan boord zijn twee meetsystemen, door TNO ontwikkeld en gebouwd, verantwoordelijk voor de nauwkeurigheid waarmee de exacte positie en beweging van deze sterren worden waargenomen en vastgelegd. Een revolutie in astrometrie.

Op 19 december 2013 vertrok een Soyuz VS06-lanceerraket van Kourou in Frans-Guyana met aan boord de Gaia-satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie Esa. Na een voorspoedige reis van zesentwintig dagen bereikte Gaia zijn eindbestemming, het Lagrangepunt L2, een denkbeeldige positie in de ruimte waar de aarde de satelliet voor een groot deel afschermt van de zon en waar een evenwicht van zwaartekrachtvelden van de aarde en de zon bestaat. Sindsdien is de validatiefase van vier maanden gestart. Deze maand zullen de eerste astrometrische waarnemingen worden verricht. Al moeten we nog even wachten voordat de meetresultaten zijn verwerkt en geanalyseerd; de eerste publicatie zal niet voor 2016 zijn.

In de basis is Gaia een observatorium met twee grote telescopen (primaire spiegels van 1,45 bij 0,5 vierkante meter en een instelbare secundaire spiegel), drie wetenschappelijke instrumenten en een miljard pixel CCD-camera die al draaiend om zijn as én met de aarde meedraaiend om de zon het heelal driedimensionaal in kaart brengt. Tijdens een missieduur van vijf jaar registreert Gaia van een miljard sterren (ongeveer een procent van alle sterren in onze Melkweg) zo’n zeventig keer met ongekende nauwkeurigheid de positie, bewegingsrichting en bewegingssnelheid. Daarnaast bepaalt het instrument ook nog de chemische samenstelling van de atmosfeer van deze sterren en wordt er gezocht naar nieuwe planeetstelsels, met daarbij mogelijk aardse planeten.

We weten nog maar heel weinig over de oorsprong, samenstelling en evolutie van ons Melkwegstelsel. Gaia gaat dit voorgoed veranderen met als bonus dat we ook nog informatie krijgen over de baan en massa van asteroïden die een toekomstige bedreiging voor de aarde kunnen vormen. Dat gebeurt met een belangrijke Nederlandse inbreng.

Gesinterd siliciumcarbide

TNO ontwikkelde en leverde twee uiterst nauwkeurige en stabiele meetsystemen voor het aan boord vaststellen van de optische kwaliteit van de Gaia-telescopen: een basishoekmeetsysteem (basic angle monitor, Bam) en het golffrontsensorsysteem (wave front sensor, WFS). Daarnaast gebruikt het regelsysteem dat de baan- en positiebepaling van de satelliet verzorgt door TNO ontwikkelde hoognauwkeurige analoge standsensoren (fine sun sensor, FSS).

De hoeknauwkeurigheid waarmee Gaia meet, is 24 microboogseconden (0,1 nanoradiaal), een eenheid die alle fantasie te boven gaat. Om een gevoel te krijgen: dit is honderd keer nauwkeuriger dan de positienauwkeurigheid waarmee de huidige generatie lithografiemachines werkt. Anders gezegd: een nauwkeurigheid waarmee je vanaf de aarde een knoop op het pak van een astronaut op de maan zou kunnen onderscheiden.

Om deze nauwkeurigheid mogelijk te maken, is het wetenschappelijke deel van Gaia bijna in zijn geheel vervaardigd van een keramisch materiaal: gesinterd siliciumcarbide (SSiC). Dit betreft de ringstructuur (torus) met een diameter van drie meter met daarop gemonteerd de twee telescoopspiegels (Astro’s), de CCD-detectorbehuizing (focal plane array, FPA) en het hoekmeetsysteem. Eerdere missies hebben al wel spaarzaam gebruikgemaakt van SSiC voor een beperkt aantal onderdelen, maar het is uniek in de geschiedenis van de ruimtevaart dat nu een heel instrument met een omvang van een bestelbus van dit materiaal is vervaardigd, wordt gelanceerd en dan ook nog zijn werk blijft doen.

Gesinterd siliciumcarbide heeft voor een toepassing in Gaia als voordeel dat het thermisch uiterst stabiel is (zeer lage uitzettingscoëfficiënt, hoge thermische geleiding en isotroop) en dat het tot vijf keer stijver is dan gebruikelijke materialen zoals aluminium, titanium en staal waardoor het ook mechanisch stabiel is. SSiC heeft uiteraard ook nadelen. Ontwerpen en fabriceren van SSiC is duur en heeft een lange doorlooptijd. De zeer harde SSiC-onderdelen zijn achteraf nog moeilijk te bewerken en erg kwetsbaar in gebruik vanwege de brosheid. Bovendien krimpt SSiC tijdens het sinteren met zestien procent. Dit is op te vangen door een juiste schaling van de producten vooraf, maar het verschil in krimp kan tussen verschillende producten oplopen tot 0,4 procent (variatie van batch tot batch).

Aftappen

Voor de betrekkelijk kleine WFS’en is om praktische redenen geen SSiC gebruikt maar Invar, een materiaal met een uitzettingscoëfficiënt die bijna hetzelfde is als dat van SSiC. Door een juiste toepassing van dit materiaal en gebruikmakend van een slimme optische configuratie is het ontwerp ongevoelig gemaakt voor thermische effecten zodat de precieze uitlijning die bij kamertemperatuur wordt uitgevoerd niet aan de haal gaat zodra het instrument wordt afgekoeld naar zijn operationele temperatuur van -140 graden Celsius.

Twee van deze golffrontsensoren bevinden zich op de uiterste randen van de CCD-camera en tappen een klein deel van het telescoopsignaal af. De vorm van het golffront van dit licht is een maat voor de focusscherptekwaliteit van de telescoop. Een matrix van kleine lensjes beeldt een deel van het licht in een bepaalde richting af op een CCD en geeft daarmee informatie over de mate van scherpstelling van de telescoop. Op basis van dit WFS-signaal kunnen de secundaire spiegels van de Gaia-telescopen worden versteld om het beeld te optimaliseren.

Inmiddels weten we dat de WFS’en hun werk in de ruimte tot nu toe uitstekend hebben gedaan; tijdens de validatiefase heeft Gaia in de periode van februari tot april de telescopen mede op basis van het WFS-signaal in verschillende stappen steeds scherper gesteld en de eerste observaties laten duidelijk verbetering zien.

Interferometrie

Het basishoekmeetsysteem monitort constant de basishoek van 106,5 graden tussen de twee Gaia-telescopen. Om namelijk de nauwkeurigheid van 24 microboogseconden waar te kunnen maken, moeten de geringe variaties van deze basishoek – onder meer als gevolg van minimale temperatuurveranderingen – precies bekend zijn. De Bam heeft daarom een nog hogere nauwkeurigheid van 0,5 microboogseconde, wat neerkomt op een optisch padlengteverschil van slechts 1,5 picometer. En deze op kamertemperatuur ingestelde nauwkeurigheid moet overeind blijven na lancering (vibraties), afstoten van de lanceerraket (schokken) en na afkoeling naar een cryogene werktemperatuur van -173 graden Celsius. Dat is alleen mogelijk door ook dit meetsysteem van hetzelfde SSiC-materiaal te maken als de satelliet zelf.

De werking van de Bam berust op interferometrie bij een golflengte van 850 nm. Uit een enkele laserbron worden door middel van splitsing (optische bundelsplitsers) meerdere lichtstralen gevormd. In totaal zijn daar twee paraboolspiegels, drie bundelsplitsers en tweeëntwintig vlakke spiegels voor nodig die allemaal ten opzichte van elkaar moeten worden uitgelijnd én stabiel moeten blijven staan op 50 nm. Twee stralen worden naar de Astro 1-telescoopspiegel gestuurd en twee stralen naar de Astro 2-telescoopspiegel. De twee Astro 1-stralen worden via de telescoop als een interferentiepatroon afgebeeld op een van de CCD’s van de FPA. De stralen van Astro 2 worden als een apart tweede interferentiepatroon afgebeeld op dezelfde CCD. Een variatie in de hoek tussen Astro 1 en Astro 2 wordt waargenomen door het verloop van de interferentiepatronen op de CCD. Dit systeem geeft een waarneming op picometerniveau.

Hobbels

De degradatie- en stralingsgevoelige delen van de Bam zoals de laserbron met fibers en de CCD zijn, zoals gebruikelijk in ruimtevaartinstrumenten, dubbel uitgevoerd ter verhoging van de betrouwbaarheid van het systeem. De redundante lichtbundels gaan over dezelfde spiegels en bundelsplitsers als de nominale bundel, wat een nog hogere eis stelt aan de uitlijnvoorzieningen van het systeem. Daar komt nog bij dat het eerder genoemde potentiële krimpverschil van 0,4 procent tussen uitwisselbare onderdelen van SSiC moet kunnen worden opgevangen. Op een typische afstand van 600 mm tussen twee bundels van de Bam kan dit oplopen tot een verschil van 2,4 mm voor een systeem dat op nanometers moet worden afgeregeld.

Een andere uitdaging was de realisatie van de sterk gekromde paraboolspiegeltjes die nodig zijn om het laserlicht dat divergent uit de fiber komt om te zetten in een evenwijdige bundel. Vanwege de benodigde stabiliteit moest deze ook worden uitgevoerd in het moeilijk te bewerken en poreuze materiaal SSiC. Dat was echter wereldwijd nooit eerder gedaan en dus is in samenwerking met het Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) een proces ontwikkeld van iteratief robotpolijsten en plasma-etsen. De paraboolspiegels die uiteindelijke zijn ingebouwd in de gelanceerde Bam-constructie hebben een oppervlaktefout van minder dan 7 nm RMS en een oppervlakteruwheid van 6 nm RMS, ruim binnen de vereiste specificatie.

Aan de uiteindelijke realisatie van de Bam, die ruim zes jaar heeft geduurd, is ook nog zo’n tien jaar van technologieontwikkeling voorafgegaan. En zelfs tijdens de integratie en uitlijning van het vluchtinstrument moesten nog de nodige hobbels worden genomen zoals het op micrometer en microradialen polijsten van uitlijnringen, het zonder verplaatsing en vervormingsvrij bevestigen van de spiegels met een montageveerkracht van 450 N en het op picometerniveau meten van optische bundels over afstanden van meters. Maar uiteindelijk is de Bam gebouwd en is met kwalificatietests, waaronder vibratietests en thermisch vacuümtests zowel op systeemniveau als op satellietniveau, aangetoond dat hij aan alle eisen voldoet.

Ook van het basishoekmeetsysteem zijn inmiddels de eerste goede berichten uit de ruimte gekomen. De interferentiepatronen zijn scherp en staan netjes uitgelijnd op de CCD’s. Voor het bepalen van de basishoekvariaties is de validatie op het moment van schrijven nog in volle gang, maar de verwachtingen zijn hooggespannen, net als die van alle astronomen in Europa die in afwachting zijn van de revolutie die op stapel staat.

Wim Gielesen is projectmanager bij de afdeling Space Systems Engineering van TNO. Hij heeft ruim twintig jaar ervaring in de ruimtevaartinstrumentenbouw voor aardobservatie en wetenschappelijke toepassingen. Voor de Gaia-missie was Gielesen als projectleider verantwoordelijk voor het ontwerp, de realisatie en het testen van twee van de meetsystemen aan boord van de satelliet: het basishoekmeetsysteem en de golffrontsensor.