Supernauwkeurige zweverij

Een gemoedelijke temperatuur, tussen het vries- en kookpunt van water, is naast het water zelf één van de belangrijkste vereisten voor leven. Planeten moeten hiervoor niet te ver maar ook niet te dicht rondom hun ster draaien. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA denkt dat behalve de aarde ook andere planeten voldoen aan die criteria. In 2014 wil het agentschap vier satellieten lanceren, elk voorzien van een telescoop, die op anderhalf miljoen kilometer afstand van de aarde de sterrenhemel afspeuren op zoek naar zulke planeten.

Ir. Bas Swinkels volgt dit project van ESA, dat ‘Darwin’ is gedoopt, op de voet. De onderzoeker van de faculteit Technische Natuurwetenschappen verbeterde in opdracht van TNO een systeem waarmee de afstand tussen twee satellieten met een nauwkeurigheid van een tiental micrometers kan worden gemeten. Het is een uitvinding die de ESA goed van pas zal komen, denken Swinkels en TNO.

“Het exact kunnen meten van de afstand tussen satellieten is van wezenlijk belang”, zegt de onderzoeker, die eind september op dit werk promoveert. “Want alleen als infrarood licht van de planeten de vier telescopen aan boord van de satellieten op exact hetzelfde moment bereikt, kunnen de hemellichamen worden waargenomen. De lichtstralen worden dan samengebracht in een extra satelliet die tussen de vier anderen zweeft. Daar aangekomen versterken ze elkaar, net zoals geluidsgolven elkaar versterken wanneer de pieken en dalen van de golven samenvallen.”

Om de exacte afstand tussen de satellieten te bepalen, gebruikt Swinkels een laserstraal waarvan de golflengte continu veranderd kan worden. Afhankelijk van de afstand tussen de satellieten vangen detectoren hierdoor verschillende lichtsignalen van de laserstraal op. “Aan de hand van die signalen kan de absolute afstand tussen satellieten bepaald worden”, vertelt de fysicus. “Het probleem met een enkele laserstraal die niet van golflengte wisselt, is dat hij werkt als een meetlat met streepjes maar zonder cijfertjes. Een detector kan door het verschuiven van de golven meten hoeveel de afstand tot de andere satelliet toe- of afneemt, maar niet de werkelijke afstand bepalen.”
Oren

Bestaande systemen maken gebruik van twee lasers in plaats van een, om het probleem van de ‘meetlat zonder cijfertjes’ op te lossen. De ESA heeft straks wel oren naar het ontwerp van Swinkels, menen de promovendus en TNO, omdat het eenvoudiger en lichter is. “Lichtgewicht is natuurlijk erg gewild in de ruimtevaart”, zegt Swinkels. “Evenals simpel, want dan kan er minder stuk gaan.”

De satellieten moeten in de toekomst tussen de tien en tweehonderd meter van elkaar af komen te liggen, al naar gelang de planeten die ze proberen te detecteren. Ze mogen dan niet meer dan een haardikte afwijken van de ideale positie. Kleine motortjes, zogenaamde micro-newton thrusters, sturen bij als dat nodig is. “Deze motortjes kunnen minieme krachtstootjes geven”, zegt Swinkels, terwijl hij een papiertje in de lucht houdt. “Ze kunnen net zoveel kracht geven als ik nu nodig heb om dit velletje in de lucht te houden.”

Naast het versterken van de lichtsignalen van planeten, is de precisie vereist om licht van sterren ‘uit te doven’. “Het licht van sterren is meer dan een miljoen maal zo sterk als dat van een planeet”, aldus Swinkels. “Het detecteren van kleine planeten is vergelijkbaar met het bekijken van een vuurvliegje dat om een vuurtoren vliegt. Je wordt verblind.” Om de planeten toch te kunnen waarnemen, wordt de straling afkomstig van de sterren in twee van de vier telescopen een halve golflengte vertraagd. Hierdoor is het golfpatroon van deze lichtstralen precies tegengesteld aan dat van stralen die door de andere twee telescopen is opgevangen. Swinkels: “Deze lichtstralen heffen elkaar hierdoor grotendeels op, terwijl de stralen afkomstig van de planeten juist versterkt worden.”

Een gemoedelijke temperatuur, tussen het vries- en kookpunt van water, is naast het water zelf één van de belangrijkste vereisten voor leven. Planeten moeten hiervoor niet te ver maar ook niet te dicht rondom hun ster draaien. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA denkt dat behalve de aarde ook andere planeten voldoen aan die criteria. In 2014 wil het agentschap vier satellieten lanceren, elk voorzien van een telescoop, die op anderhalf miljoen kilometer afstand van de aarde de sterrenhemel afspeuren op zoek naar zulke planeten.

Ir. Bas Swinkels volgt dit project van ESA, dat ‘Darwin’ is gedoopt, op de voet. De onderzoeker van de faculteit Technische Natuurwetenschappen verbeterde in opdracht van TNO een systeem waarmee de afstand tussen twee satellieten met een nauwkeurigheid van een tiental micrometers kan worden gemeten. Het is een uitvinding die de ESA goed van pas zal komen, denken Swinkels en TNO.

“Het exact kunnen meten van de afstand tussen satellieten is van wezenlijk belang”, zegt de onderzoeker, die eind september op dit werk promoveert. “Want alleen als infrarood licht van de planeten de vier telescopen aan boord van de satellieten op exact hetzelfde moment bereikt, kunnen de hemellichamen worden waargenomen. De lichtstralen worden dan samengebracht in een extra satelliet die tussen de vier anderen zweeft. Daar aangekomen versterken ze elkaar, net zoals geluidsgolven elkaar versterken wanneer de pieken en dalen van de golven samenvallen.”

Om de exacte afstand tussen de satellieten te bepalen, gebruikt Swinkels een laserstraal waarvan de golflengte continu veranderd kan worden. Afhankelijk van de afstand tussen de satellieten vangen detectoren hierdoor verschillende lichtsignalen van de laserstraal op. “Aan de hand van die signalen kan de absolute afstand tussen satellieten bepaald worden”, vertelt de fysicus. “Het probleem met een enkele laserstraal die niet van golflengte wisselt, is dat hij werkt als een meetlat met streepjes maar zonder cijfertjes. Een detector kan door het verschuiven van de golven meten hoeveel de afstand tot de andere satelliet toe- of afneemt, maar niet de werkelijke afstand bepalen.”
Oren

Bestaande systemen maken gebruik van twee lasers in plaats van een, om het probleem van de ‘meetlat zonder cijfertjes’ op te lossen. De ESA heeft straks wel oren naar het ontwerp van Swinkels, menen de promovendus en TNO, omdat het eenvoudiger en lichter is. “Lichtgewicht is natuurlijk erg gewild in de ruimtevaart”, zegt Swinkels. “Evenals simpel, want dan kan er minder stuk gaan.”

De satellieten moeten in de toekomst tussen de tien en tweehonderd meter van elkaar af komen te liggen, al naar gelang de planeten die ze proberen te detecteren. Ze mogen dan niet meer dan een haardikte afwijken van de ideale positie. Kleine motortjes, zogenaamde micro-newton thrusters, sturen bij als dat nodig is. “Deze motortjes kunnen minieme krachtstootjes geven”, zegt Swinkels, terwijl hij een papiertje in de lucht houdt. “Ze kunnen net zoveel kracht geven als ik nu nodig heb om dit velletje in de lucht te houden.”

Naast het versterken van de lichtsignalen van planeten, is de precisie vereist om licht van sterren ‘uit te doven’. “Het licht van sterren is meer dan een miljoen maal zo sterk als dat van een planeet”, aldus Swinkels. “Het detecteren van kleine planeten is vergelijkbaar met het bekijken van een vuurvliegje dat om een vuurtoren vliegt. Je wordt verblind.” Om de planeten toch te kunnen waarnemen, wordt de straling afkomstig van de sterren in twee van de vier telescopen een halve golflengte vertraagd. Hierdoor is het golfpatroon van deze lichtstralen precies tegengesteld aan dat van stralen die door de andere twee telescopen is opgevangen. Swinkels: “Deze lichtstralen heffen elkaar hierdoor grotendeels op, terwijl de stralen afkomstig van de planeten juist versterkt worden.”