Snel schakelende superspiegel

Een spiegel verplaatsen klinkt nou niet als een technisch hoogstandje. Maar als je die spiegel vijf keer per seconde heen en weer moet schakelen met een nauwkeurigheid van enkele nanometers is dat toch echt een uitdaging. SRON instrument specialist Robert Huisman deed dit voor HIFI, onderdeel van de Herschel Ruimtetelescoop en voor METIS, een instrument voor de Europese Extreem Grote Telescoop.

Met een hoofdspiegel van 39 meter is de Europese Extreem Grote Telescoop (European Extremely Large telescope ( E-ELT ) bij voltooiing rond 2024 de grootste telescoop ter wereld. Maar voor een van de drie instrumenten die het opgevangen licht analyseren is een klein spiegeltje essentieel voor het succes. Robert Huisman ontwierp er een controlesysteem voor, waar hij vrijdag 12 februari op promoveerde aan de RUG.

De spiegel is onderdeel van METIS , een instrument dat infrarood licht zal analyseren. ‘Het probleem is dat alle voorwerpen stralen in infrarood’, legt Huisman uit. ‘Dus als je een zwakke infraroodbron wilt bestuderen kan het licht dat je ontvangt vele ordes van grootte lager zijn dan de ruis die de atmosfeer veroorzaakt.’ Alsof je een vuurvliegje probeert te bestuderen dat net naast een koplamp zit.

Sterrenkundigen hebben echter een manier gevonden om hier mee om te gaan. ‘De standaardoplossing is om afwisselend het object dat je bestudeert en een stuk donkere ruimte er vlak naast waar te nemen. In die donkere plek meet je de ruis die je kunt aftrekken van het object.’ Dat gebeurt doorgaans door vijf keer per seconde te schakelen tussen object en controleplek. ‘Dat moet zo vaak omdat de ruis niet altijd constant is.’

Milliseconden

Nu is het onmogelijk een telescoop zo snel heen en weer te bewegen. En daar komt het kleine spiegeltje in beeld. Het licht dat de telescoop opvangt wordt via spiegels naar de wetenschappelijke instrumenten geleid. Een van die spiegels in METIS is schakelbaar. ‘Door het een beetje te kantelen ontvangen de detectoren licht van net een ander stukje van de hemel.’ Op die manier kunnen sterrenkundigen schakelen tussen het object dat ze bestuderen en een donker stukje, zonder de hele telescoop te bewegen.

Huisman was projectleider voor het schakelmechanisme voor HIFI, een instrument van de Herschel ruimtetelescoop. ‘De positie van de spiegel moet binnen enkele milliseconden veranderen, anders verlies je te veel kostbare waarneemtijd. Maar het schakelen moet ook gebeuren met een precisie van enkele tientallen nanometers.’ Daarbij zal de spiegel eerst versnellen, vervolgens afremmen en dan stilstaan op exact de juiste positie.

De spiegel wordt bewogen door actuatoren, kleine motortjes die door een computersysteem worden bestuurd. Dat systeem, een soort doos vol wiskunde, werd ontworpen door Huisman. Het meest basale principe is een feedback systeem: de actuator verplaatst de spiegel een stukje, sensoren controleren of de beweging klopt met het geplande pad en sturen informatie hierover terug naar de actuator. ‘Maar zo’n feedback systeem is wat traag. Daarom moet je een tweede systeem toevoegen dat meer kracht heeft en de spiegel snel kan laten bewegen.’

Huisman ontwierp een controlesysteem waarbij de feedback pas op gang kwam als de spiegel bijna in de juiste positie stond. Deze strategie werkte goed bij HIFI, maar bleek niet te voldoen voor METIS, waarvoor strengere specificaties gelden. ‘Het systeem liet hysterese zien, een geheugeneffect van het zachte ijzer van de actuatoren dat niet lineair is en daardoor lastig is te modelleren.’ Huisman laat een grafiek zien van de beweging van de spiegel, die oscilleert rond de gewenste positie. ‘De oscillatie betekent dat de spiegel er lang over doet om de gewenste positie te bereiken. Dat heeft te maken met de zeer nauwe marge die er is bij METIS.’ Uiteindelijk is dit opgelost door een controlesysteem toe te passen dat leert van de gevolgde trajecten. Na vier of vijf keer schakelen weet dit systeem hoe de spiegel in korte tijd op de juiste plaats is te krijgen.

‘Uiteindelijk konden we laten zien dat het systeem de specificaties van het constructie team helemaal of zo goed als wist te halen’, zegt Huisman. Dat was niet alleen te danken aan het controlesysteem. ‘We werkten ook nauw samen met het bedrijf dat de spiegelunit heeft gebouwd, Janssen Precision Engineering (JPE). Dus bij iedere ontwerpstap die zij maakten konden wij berekenen wat het betekende voor de prestatie van het systeem.’ Deze geïntegreerde aanpak heeft al in de ontwerpfase tot diverse aanpassingen geleid. ‘Als het bedrijf ons gewoon een kant-en-klaar product had aangeleverd, zouden we nooit de gewenste nauwkeurigheid hebben bereikt.’

Het prototype werkte als gepland. Huisman en zijn collega’s bij SRON en in de Systems Control groep van het ENgineering and TEchnology institute Groningen (ENTEG) van de RUG, onder leiding van Huismans medepromotor prof. Jacquelien Scherpen, hebben aanbevelingen gedaan voor verbeteringen die nog kunnen worden doorgevoerd bij de bouw van de uiteindelijke schakelbare spiegel. Zal Huisman daar ook aan meewerken? ‘Dat staat nog niet vast. Ik werk nu aan andere projecten binnen SRON, maar het is natuurlijk wel zo dat ik precies weet hoe dit systeem werkt.’