Rowdy Blokland
9 March 2007

In december 2011 moet de Europese kunstmaan Gaia gelanceerd worden om een nauwkeurige sterrenkaart te maken. PrMariëlle van Veggel van de TU Eindhoven onderzocht in samenwerking met TNO hoe Gaia‘s meetinstrumenten tijdens en na de turbulente lancering zo precies mogelijk op hun plaats te houden. Haar onderzoek wierp TNO de lucratieve opdracht in de schoot voor het maken van het instrument.

De Gaia-satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie Esa moet in 2011 de lucht ingaan om een zeer nauwkeurige driedimensionale kaart van honderden miljoenen sterren te maken. De benodigde instrumenten moeten daarvoor aan strenge eisen voldoen. ’Een variatie van 0,17 picometer in de afstanden van de instrumenten is genoeg om de geplande waarnemingen van Gaia op slag waardeloos te maken. Dat is nodig voor de meetnorm van 25 microradialen, de kleinste afstand tussen twee sterren aan de hemelboog die Gaia‘s telescopen moeten kunnen meten‘, zegt Mariëlle van Veggel, promovenda aan de TU Eindhoven. Ter vergelijking: een heliumatoom heeft een doorsnee van 50 picometer.

In samenwerking met TNO deed Van Veggel de afgelopen vier jaar onderzoek naar de mechanische constructie van het instrumentarium. Zij stond voor de uitdaging om de meetinstrumenten voor de Gaia-satelliet bestand te maken tegen de extreme omstandigheden in de ruimte en tegen de lancering. Dat is namelijk een nachtmerrie voor instrumentenmakers. Satellietonderdelen schudden wild heen en weer en g-krachten geselen de instrumenten. Het duurt weliswaar maar enkele minuten voordat het ruimtevaartuig de stratosfeer verlaat en de mishandeling voorbij is, maar met schots en scheef staande instrumenten is weinig te verwachten van de meetresultaten waar astronomen reikhalzend naar uitkijken.

Eenmaal in de ruimte moet de satelliet extreme kou overleven, een temperatuurval van 150 kelvin. De elektronica aan boord is hier de grote boosdoener. Warmteafgifte van bijvoorbeeld de CCD-camera kan het instrumentarium met funeste uitslagen laten bewegen.

promo20plaatjes
Een lancering is een ware martelgang voor instrumenten aan boord van een satelliet. Na een simulatie met onderdelen voor Gaia zijn glas en beamsplitter beschadigd.

Welke rekbewegingen het meetinstrumentarium nog kan hebben voordat het niet meer functioneert, hangt mede af van hoe de verschillende instrumenten elkaar beïnvloeden. ’Gaia‘s telescopen staan gemonteerd op een gedeelde ondergrond‘, legt Van Veggel uit. ’Laserstralen tasten continu de stand van de telescoopspiegels af en detecteren de allerkleinste onderlinge afwijking. Maar de spiegels, beamsplitters en lenzen van het systeem dat de telescopen in de gaten houdt – de interferometer, moeten op hun beurt ook weer extreem rigide zijn. De hoofdvraag van mijn onderzoek was om uit te zoeken over welke afstanden de onderdelen van dat lasercontrolesysteem nog mogen variëren ten opzichte van elkaar voordat het systeem zelf zo onzuiver wordt dat het niet langer de bewegingen van de telescoopspiegels kan monitoren.‘

 advertorial 

System engineering @ ASML, practices and challenges

During the first online session of the System Architecting Conference, on 25 January, Frank de Lange and Tom Castenmiller (ASML) will address the role of systems engineering and discuss the essences of the roadmapping process, the holistic system design and the product generation process. Register now for free.

Vanwege de strenge eisen zoeken Gaia‘s instrumentenbouwers hun heil in het voor de ruimtevaart nieuwe materiaal siliciumcarbide (SiC). Dit is een extreem stijf en keihard keramisch materiaal dat nauwelijks vervormt. Het staat ook wel bekend als technisch keramiek. De mechatronische wereld maakt er al veel gebruik van. De stijfheidseisen voor ASML‘s wafersteppers zijn bijvoorbeeld even hoog als die voor Gaia, weet Van Veggel. Het meetinstrumentarium van de satelliet is dan ook volledig opgetrokken uit SiC.

Een werkend instrumentarium voor de Gaia-satelliet bestaat nog niet. De promovenda onderzocht de speling daarom door het skelet ervan na te bootsen in de computer. Optische- en eindige-elementensoftwarepakketten als Unigraphics en Zemax stelden haar in staat virtuele experimenten te doen om de grenzen aan de rek te bepalen.

De resulterende harde getallen geven een pittig beeld van wat de Gaia-bouwers te wachten staat. Van Veggel: ’Tijdens de lancering zijn trillingsuitslagen tot hooguit een micron nog toegestaan. Bij grotere uitslagen vervormt de apparatuur permanent. Bij het controleren van de spiegelvervormingen mag een spiegel, lens of ander onderdeel van de interferometer niet meer dan 0,17 picometer uitslaan. Ten slotte zal de CCD extreem goed geïsoleerd moeten worden. Anders schopt zijn warmteafgifte de positie tussen de twee telescoopspiegels in de war.‘

Vooral Van Veggels constatering dat de temperatuurvariatie aan boord stabieler moet zijn dan 0,1 millikelvin, is een zware ontwerpeis die Esa zal moeten overnemen.

’Extra lastig is dat SiC weerbarstig is in het productieproces‘, zegt Van Veggel. ’Het is niet als staal of aluminium te bewerken. Siliciumcarbide is heel bros en kan alleen gefreesd worden voordat het de oven ingaat. Dat moet zonder koelvloeistof, dus bij lage snelheden.‘

De gelukkige bouwers zijn straks onder meer TNO zelf. De Delftse onderzoekers leerden mede dankzij Van Veggel zo veel over het werken met siliciumcarbide dat Esa heeft besloten hun de constructie van de interferometer te gunnen. Zo wast de ene hand de andere.