Govert Schilling
TNO gaat de flexibele secundaire spiegel ontwerpen voor de toekomstige European Solar Telescope (EST). Met de opdracht is een bedrag van € 495.000 gemoeid. De telescoop moet in 2027 in gebruik genomen worden op Tenerife of La Palma. Het is dan de grootste en krachtigste zonnetelescoop ter wereld: de hoofdspiegel krijgt een diameter van 4,2 m.
Grote telescopen zijn tegenwoordig standaard uitgerust met zogeheten adaptieve optiek. Golffrontsensors meten daarbij vele honderden malen per seconde de verstoringen in het opgevangen sterlicht als gevolg van trillingen in de aardse dampkring. Die worden vervolgens gecompenseerd door razendsnelle kleine vervormingen van een speciale flexibele spiegel die zich in de lichtweg van de telescoop bevindt.
Overdag is de atmosferische turbulentie nog sterker dan ’s nachts, dus een grote zonnetelescoop kan niet zonder adaptieve optiek. Bij de EST worden de belangrijkste golffrontcorrecties echter gerealiseerd door vervormingen van de secundaire telescoopspiegel. Die 86 cm grote, gebogen spiegel bevindt zich bovenin de telescoop; hij weerkaatst het door de hoofdspiegel gereflecteerde en gebundelde zonlicht weer terug, in de richting van de camera’s en spectrografen.
‘Het is pas de tweede keer dat een grote telescoop van meet af aan wordt ontworpen met een adaptieve secundaire spiegel,’ zegt projectmanager Wouter Jonker van TNO. Hierdoor zijn er in het optische hart van de telescoop minder spiegels nodig, wat de lichtopbrengst ten goede komt, aldus Jonker.
Voor de snelle trillingen van de zeer dunne adaptieve spiegels gebruikten astronomen aanvankelijk piëzo-elektrische actuatoren aan de achterzijde van de spiegel. Die veranderen van vorm wanneer er stroom doorheen gaat. Ze zijn echter kwetsbaar, en kunnen de spiegel bovendien maar een klein beetje vervormen. In het geval van de EST zijn uitwijkingen van enkele tientallen micrometers nodig, wat alleen valt te realiseren met elektromagnetische actuatoren.
Voor het voorlopig ontwerp van de adaptieve secundaire spiegel van de nieuwe Europese zonnetelescoop was TNO in competitie met het Italiaanse AdOptica-consortium – volgens Jonker ‘de gevestigde partij’ op het gebied van elektromagnetische actuatoren. ‘We zijn er heel trots op dat we zijn geselecteerd voor deze voorlopige ontwerpstudie,’ aldus Kees Buijsrogge (directeur Space & Scientific Instrumentation bij TNO) in een persverklaring.
AdOptica maakt gebruik van een soort luidsprekerspoelen, waarbij een stroom door de spoel een axiale verplaatsing van een centrale magneet tot gevolg heeft. Op die manier wordt een duw- of trekkracht op de achterzijde van de adaptieve spiegel uitgeoefend. Het stabielere en efficiëntere TNO-ontwerp gebruikt in plaats daarvan actuatoren die gebaseerd zijn op het principe van variabele magnetische weerstand – ‘regelbare koelkastmagneten’, zoals Jonker het noemt. Een elektrische stroom verstoort daarbij de symmetrie van een permanent magnetisch circuit in een weekijzeren ring, wat tot de gewenste verplaatsing van de feitelijke actuator leidt.
De kleine TNO-actuatoren worden op onderlinge afstanden van 15 mm geplaatst. Ze oefenen druk- en trekkrachten van maximaal 6 newton uit, waardoor plaatselijke spiegelvervormingen van 35 micrometer mogelijk zijn, met een precisie van enkele nanometers. De adaptieve secundaire spiegel van de EST krijgt 2000 van zulke actuatoren. Door de grote krachtdichtheid van het ontwerp kan de vervormbare spiegel ook iets dikker zijn (2 mm), waardoor hij eenvoudiger en goedkoper te produceren is.
In nauwe samenwerking met het Eindhovense bedrijf VDL ETG bouwt TNO al een 63 cm groot exemplaar met 210 actuatoren, voor de vijftig jaar oude 2,2-meter telescoop van de Universiteit van Hawaii op de vulkaantop Mauna Kea. Die moet later dit jaar geïnstalleerd worden. De feitelijke productie van de adaptieve spiegel voor de EST wordt in 2023 opnieuw aanbesteed, maar naar verwachting is TNO tegen die tijd een zeer goede kanshebber.
‘Wij zijn een relatieve nieuwkomer op dit terrein,’ zegt Jonker. ‘Dat we deze voorlopige ontwerpopdracht hebben gekregen is voor ons heel belangrijk.’ In de toekomst hoopt TNO ook in de race te zijn voor de 3 m grote adaptieve secundaire spiegel van de kolossale Amerikaanse Thirty Meter Telescope. Jonker: ‘Dat is onze man op de maan.’
