In 2028 staat de lancering gepland van de röntgentelescoop Athena. De lens van de telescoop is van Nederlandse makelij. Cosine uit Warmond ontwikkelde een nieuwe techniek voor nog betere en lichtere spiegels. Die blijkt ook toepasbaar op aarde.
In zijn nieuwe pand in Warmond treft Cosine voorbereidingen om drieduizend röntgenspiegels te fabriceren voor de Esa-missie Athena. De lancering hiervan staat gepland voor over dertien jaar. Volgens Cosine-directeur Marco Beijersbergen heeft zijn bedrijf een baanbrekende techniek ontwikkeld waardoor de röntgentelescoop een vijftien keer zo grote lens zal krijgen als zijn voorganger XMM-Newton.
Beijersbergen werkte vanaf 1996 aan de spiegels voor XMM-Newton, een van de eerste grote röntgentelescopen. Dergelijke instrumenten kunnen alleen in de ruimte functioneren omdat röntgenstraling niet door de atmosfeer komt. ‘XMM-Newton werd in 1999 gelanceerd, maar een jaar daarvoor waren we al alternatieven aan het ontwikkelen voor een grotere telescoop voor de toekomst. Al snel dachten we: siliciumwafers uit de halfgeleiderindustrie zouden veel geschikter zijn.’
Op deze siliciumwafers worden normaliter geheugenchips gemaakt. Zand wordt gesmolten en met een piepklein kristalletje silicium wordt een balk gemaakt. Daarvan worden vervolgens plakken gezaagd van 0,8 mm dik. De banen van de chips zijn zo klein dat de oppervlakte extreem, bijna tot op atomair niveau, moet worden gepolijst, anders past de elektronica er niet op.
‘Dat het zo glad is, is voor ons fantastisch; daarom is het zo geschikt voor onze röntgenspiegels’, aldus Beijersbergen, die ook buitengewoon hoogleraar in Leiden is. ‘Het moet glad zijn omdat in röntgen de golflengte heel kort is. Als het oppervlak maar een klein beetje ruw is, reflecteert het al niet meer.’
Bovendien is een groot oppervlak vereist. ‘Je kunt geen lens maken waar röntgen doorheen gaat, omdat dit wordt geabsorbeerd. Ook is het heel moeilijk af te buigen. De truc is scherende inval: als je onder een heel kleine hoek heel schuin inkomt, zoals je een steentje over het water laat ketsen, kan de röntgenstraling reflecteren op een spiegel. Maar om één vierkante meter röntgen te vangen, heb je driehonderd vierkante meter aan spiegeloppervlak nodig.’
Tien miljard jaar terug
Werden de spiegels voor XMM-Newton nog omslachtig gekopieerd van speciaal gepolijste mallen, voor de Athena kan Cosine profiteren van de miljardeninvesteringen die de halfgeleiderindustrie heeft gedaan om de wafers perfect glad te krijgen. ‘We kopen die nu gewoon in en zagen er plaatjes van, spiegels, die we op elkaar leggen tot stapels van 45 stuks’, legt Beijersbergen uit. ‘Vier stacks combineren we met behulp van brackets tot een module. In de Athena komen 750 van deze modules, dus ongeveer drieduizend stacks.’
Gemonteerd in een grote schijf vormen de drieduizend stacks samen een telescoopspiegel met een diameter van drie meter. Dat is vergelijkbaar met de lens van de Hubble, met het verschil dat die uit één geheel bestaat. Beijersbergen: ‘Alle spiegels zullen de straling van een ster reflecteren naar dezelfde pixel op de detector; het licht van één vierkante meter aan verzameloppervlak komt daarbij terecht in één pixel ter grootte van een fractie van een vierkante millimeter.’
Er was één probleem: de originele wafers hebben niet de juiste vorm voor de ruimtevaart. ‘Doordat ze plat zijn, waaiert het opvallende licht enorm uit, net als de zon in een gewone spiegel. Daarom moeten we de spiegels zelf nog een klein beetje krommen, zodat al het licht van een ster precies in één pixel samenkomt.’ Voor het buigen ontwikkelde Cosine een eigen robot die dit met nanometernauwkeurigheid doet.
Vervolgens moeten de dunne spiegels worden vastgezet. ‘Daartoe maken we in de achterkant geulen waardoor de spiegel op die plekken nog maar 0,15 mm dik is en er een geribd oppervlak ontstaat’, verklaart Beijersbergen. ‘Zo kunnen we de ene spiegel tegen de andere aanzetten, en tussen de ribben door kan het licht nog steeds reflecteren.’
Een stapel van 45 gestapelde en gebogen spiegels heeft een afmeting van 70 bij 70 mm en een dikte van 35 mm. ‘Het is eigenlijk een blok silicium geworden met allemaal gaatjes erin, en dat is bijna net zo stevig als een massief blok glas. Het kan heel veel kracht weerstaan waardoor het niet breekt bij de lancering.’
Omdat de spiegels heel dun zijn, wordt de telescoop heel licht, en kan de raket een vijftien keer zo grote lens meenemen als voorheen. De Athena zal voor het eerst röntgenstraling afbeelden van sterrenstelsels die ver weg staan. Dat maakt het mogelijk om hete gassen waar te nemen uit het vroege heelal, waarin de kosmos werd gevormd. ‘We kijken tien miljard jaar terug, en het is voor het eerst dat dit kan met een röntgentelescoop’, vertelt Beijersbergen. ‘Het heelal wordt nu veertien miljard jaar oud geschat, dus we gaan terug naar een paar miljard jaar na de oerknal, toen er uit hete en snel bewegende gassen volop sterren en sterrenstelsels ontstonden.’
Vanaf de achterkant gekoeld
Als het aan het van oorsprong Leidse bedrijf ligt, blijft zijn nieuwe techniek niet voorbehouden aan de ruimtevaart. De halfgeleiderindustrie, waar de wafers vandaan komen, kan nu profiteren van de kennis die Cosine heeft opgedaan. ‘Wij hebben een uniek type lens ontwikkeld’, stelt Beijersbergen. ‘Die is niet alleen te gebruiken voor röntgenstraling, maar ook voor andere toepassingen.’
Daarnaast is de techniek in te zetten voor 3d elektronica. ‘In de halfgeleiderindustrie maken ze al heel complexe structuren op één oppervlak, waarbij ze meerdere oppervlakken met elkaar verbinden. Het probleem van die 3d blokjes is dat ze te heet worden. Onze technologie zou het koelprobleem kunnen oplossen: wij kunnen 3d elektronica maken met veel gaatjes waar koelwater doorheen kan stromen, terwijl het geheel toch een mooi massief blokje is.’
Ook kan Cosine ASML wellicht een handje helpen. De Veldhovense chipmachines ondervinden problemen met spiegels waarvan de bovenkant te heet wordt als er heel veel uv-licht op valt. ‘Die spiegels gaan kapot als je ze niet koelt. Onze technologie kan daar een oplossing voor bieden. Wij kunnen spiegels maken die vanaf de achterkant worden gekoeld. De blokken die wij maken, zijn heel geschikt om de warmte af te voeren.’
Daarnaast heeft ASML vergelijkbaar geavanceerde spiegelcoatings nodig. ‘De spiegels die wij maken, moeten eveneens honderden lagen coating krijgen om de röntgenstraling effectief te kunnen reflecteren. De kennis hierover kan heel relevant worden voor ASML’, denkt Beijersbergen.
De komende jaren brengt Cosine de faciliteiten in Warmond in gereedheid. In 2020 start het met de productie van de telescoopspiegels. Het bedrijf heeft dan vier jaar nodig om de drieduizend stacks te maken.