Soort project:: Project
Thema:: Grondgebaseerde astronomie

TNO draagt bij aan de grootste vacuüminstallatie ter wereld

Om de Einstein Telescoop – Europa’s meest geavanceerde ondergrondse observatorium voor zwaartekrachtsgolven – te realiseren, is technologie nodig die niet alleen state-of-the-art is, maar zelfs nog ontwikkeld moet worden. TNO levert een essentiële bijdrage aan dit baanbrekende project. Als coördinator van twee consortia en belangrijke partner in een derde, zet TNO zijn volledige kennis en ervaring in om de Einstein Telescoop werkelijkheid te maken.

“Als toegepast onderzoeksinstituut heeft TNO alle technologische disciplines en integratie-expertise onder één dak. We zijn goed uitgerust om een R&D-project van begin tot eind te begeleiden, inclusief het bouwen van complexe hardware.”

Wouter Jonker

Programmamanager Ground-based Astronomy bij TNO

Inzicht in het verleden

Samen met diverse Nederlandse partners helpt TNO wetenschappers om verder terug in de tijd te kijken dan ooit tevoren. De Einstein Telescoop (ET) wordt meer dan tien keer gevoeliger dan bestaande zwaartekrachtsgolfdetectoren en maakt het mogelijk om tot wel 12 à 13 miljard jaar terug te kijken in de geschiedenis van het heelal. Hiervoor zijn meetsystemen nodig die gevoelig zijn tot op 1/10 van de grootte van een atoom. Dat vraagt om technologie die de grenzen van het haalbare opzoekt, met uiterst nauwkeurige ondersteunende systemen en componenten.

Naast de 26 Nederlandse organisaties die bijdragen aan ET, leveren tientallen Europese partijen hun expertise om dit historische observatorium te realiseren.
ET wordt gebouwd op een diepte van 200 tot 300 meter, om trillingen van het aardoppervlak – zoals seismische en Newtoniaanse ruis – te vermijden. Drie detectiearmen van tien kilometer lang zullen ultra-stabiele lasers en trillingsvrije, opgehangen spiegels huisvesten die de minuscule bewegingen door zwaartekrachtsgolven meten. ET zal duizend keer meer zwaartekrachtsgolven detecteren dan voorgangers zoals LIGO, Virgo en KAGRA.

Een blik op de toekomst

De wetenschappelijke impact van de Einstein Telescoop reikt verder dan fundamenteel inzicht in het universum. Elke geïnvesteerde euro levert naar verwachting een economische opbrengst van drie tot vier keer op. ET creëert naar schatting 2.000 banen – niet alleen voor wetenschappers, maar ook voor technici, bouwbedrijven, materiaalspecialisten en meer. De technologieën die voor ET worden ontwikkeld, zullen ook hun weg vinden naar sectoren als astronomie, semiconductor, medische technologie en andere hightech industrieën.

Minister Bruins van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap noemde het “een grote winst” dat 26 Nederlandse bedrijven bijdragen aan de ET. Als brug tussen wetenschap en industrie is TNO bij uitstek geschikt om zijn netwerk en expertise in te zetten voor dit historische project.

MEROPE: Thermische vervorming tegengaan

TNO coördineert het ET-MEROPE-consortium: MEasuring and Rectifying Optical Phase Errors. ET’s optische systeem bevat vervormbare spiegels die de laserbundels in de hoofdresonator optimaal houden, vrij van vervormingen en ruis. Zelfs minimale temperatuurverschillen of laserabsorptie kunnen vervormingen veroorzaken. Een afwijking van een picometer (een miljoenste van een micrometer) kan al invloed hebben op de nauwkeurigheid van ET.

Samen met zes toonaangevende organisaties werkt TNO aan het tegengaan van thermische vervorming en het bereiken van ultieme precisie. De ontwikkelde technologieën zullen ook bijdragen aan optische correctiesystemen die het zicht van telescopen door de turbulente atmosfeer helpen verbeteren, en zelfs aan het verbeteren van veilige, snelle lasercommunicatie tussen aarde en satelliet.

MACBETH: Geavanceerde vacuümtechnologie

TNO is ook geselecteerd om het MACBETH-consortium te coördineren: MAnufacturing and Cleanliness of Beampipe for Einstein Telescoop in High-vacuum. Om omgevingsruis te minimaliseren, bewegen ET’s laserbundels door buizen met ultrahoogvacuüm die lucht, stof en waterdamp uitsluiten. De druk in deze buizen is 5 x 10⁻¹¹ mbar. Met 120 kilometer aan vacuümtunnels wordt ET de grootste vacuüminstallatie ter wereld.

Het MACBETH-consortium, bestaande uit TNO en zes andere partners, ontwikkelt en kwalificeert het productieproces van deze vacuümbuizen. TNO test een plasmatechniek om water van de binnenwand te verwijderen zonder externe verhitting. De resultaten kunnen ook nieuwe inzichten opleveren voor chipproductie.

Foto: ©Marco Kraan/Nikhef

SPACE-ECHO: De optische uitdaging

ET’s spiegels hebben een diameter van circa 45 centimeter, wegen 200 tot 300 kilogram en moeten gepolijst worden tot een vlakheid van ±2 nanometer en een oppervlakte-ruwheid onder 0,1 nanometer. Speciale coatings en precisiepolijsten zorgen voor een reflectiviteit van 99,99995%. Om trillingen bij lage frequenties te voorkomen, worden de spiegels gekoeld tot net boven het absolute nulpunt: -250 tot -260 graden Celsius. Onder deze omstandigheden presteren spiegels van kristallijn silicium beter dan de siliciumdioxide spiegels die gebruikt werden in de voorgangers van ET.

Met decennia aan ervaring in optische technologie werkt TNO samen met coördinator cosine innovations en vier andere partners in het SPACE-ECHO-consortium: Surface Polishing And Characterization, Enabling ET Cryogenic High-power Optics. Het consortium ontwikkelt polijstmethodes, coatings, detectiesystemen voor spiegeldefecten en meer. De inzichten dragen bij aan ruimtetelescopen, semiconductors innovaties, materiaalkunde en medische apparatuur.

“De kennis die we opdoen tijdens ET kan bijdragen aan verscheidene hightech sectoren en defensie.”

Wouter Jonker

Programmamanager Ground-based Astronomy bij TNO

Ondersteuning vanaf het begin

Voor de bouw van ET kan starten, moet een optimale locatie worden gekozen. Hoewel ET bovengronds nauwelijks zichtbaar zal zijn, moeten de ondergrondse omstandigheden voldoen aan strenge eisen voor stilte, stabiliteit en nabijheid van de juiste expertises. Naast Italië en de Duitse deelstaat Saksen wordt het grensgebied tussen Nederland, België en Duitsland als kansrijke locatie gezien. Minister Beljaarts van Economische Zaken noemt het zelfs “de ideale plek voor ET”.

TNO draagt bij aan de locatiekeuze met optische vezelsensoren die het ondergrondse terrein nauwkeurig in kaart brengen – en daarmee de kans vergroten dat ET dichtbij huis komt.

Meer weten?

De reis naar ’s werelds krachtigste zwaartekrachtsgolftelescoop is begonnen. TNO zet zich in om dit te realiseren. Neem contact met ons op voor meer informatie.

Headerafbeelding: ©Marco Kraan/Nikhef