Het E-TEST-project in Luik heeft laten zien dat een speciale techniek om de apparatuur van de Einstein Telescope te koelen werkt zoals gepland. In een eerste testreeks koelde de radiatieve koeltechniek een testmassa tot bijna het absolute nulpunt, zonder die aan te raken. Dat is essentieel om het toekomstige observatorium voor zwaartekrachtgolven zo ruisvrij mogelijk te maken.
Om de Einstein Telescoop zo gevoelig mogelijk te maken voor zwaartekrachtsgolven, moeten zijn ontwerpers alle andere trillingen uitbannen die de metingen zouden kunnen verstoren. Dat betekent extreem ver afkoelen van de apparatuur om interne warmtetrillingen uit te bannen. Maar: zonder nieuwe ruis te introduceren door het brommen van de koelinstallatie. Het E-TEST project demonstreert nu een trillingsvrije koelmethode die met succes een testmassa van 100 kg naar 22 graden boven het absolute nulpunt heeft gebracht.
E-TEST is een prototype van de Einstein Telescope dat is ontwikkelde in de laboratoria van de Universiteit van Luik door Christophe Collette en zijn team, samen met het thermomechanische team van het Luikse ruimtevaartcentrum CSL. Hun prototype heeft nu zijn eerste reeks tests ondergaan in de Focal 6.5 tank van het CSL. De tests demonstreerden niet alleen de koeltechnologie, maar ook het principe van een trillingsdempende omgekeerde slinger-ophanging en ultragevoelige trillingssensoren. Het zijn bemoedigende resultaten voor E-TEST.
Om optimaal te functioneren moet de toekomstige spiegel van de Einstein-telescoop bestand zijn tegen afkoeling tot extreme temperaturen en bijna trillingsvrij zijn. “Dit was een belangrijke mijlpaal voor dit unieke en ambitieuze vierjarige project, dat in 2020 van start ging,” vertelt Christophe Collette, ingenieur en wetenschappelijk projectcoördinator aan de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de ULiège (Lucht- en Ruimtevaarttechniek & Werktuigkunde). “We hadden te kampen met een aantal vertragingen en tegenslagen door de pandemie, de toegang tot materialen en langere levertijden, maar dankzij de vastberadenheid van het team kwamen we op tijd met een afgewerkt prototype.”
Het E-TEST prototype, dat van augustus tot oktober 2023 werd geassembleerd bij het bedrijf AMOS, werd begin november overgebracht naar CSL voor koeltests in de vacuümtank FOCAL 6.5. Om elk risico op trillingen te vermijden, werd het prototype in een lege kamer met een diameter van 6,5 m geplaatst en radiatief (contactloos) gekoeld.
“Deze koelmethode is over het algemeen minder effectief, maar we konden dat probleem omzeilen door het grensoppervlak tussen het koude paneel en de cryostaat binnenin te vergroten,” aldus commercieel directeur van CSL Christophe Grodent. “De panelen werden gekoeld met behulp van een helium liquefier, die we gebruiken voor al onze cryogene toepassingen.” De tests begonnen op 22 november en het evenwicht werd bereikt op 11 december 2023. In 18 dagen tijd konden de installaties van ongeveer twintig graden Celsius naar ongeveer -250°C (22 Kelvin) gaan.
Christophe Grodent: “Hoewel we hoopten onder de 40 Kelvin te komen, hadden we niet verwacht dat we een evenwichtstemperatuur van 22 Kelvin op de spiegel zouden bereiken. De thermische panelen bereikten een temperatuur tussen 14 en 17 Kelvin. Een game changer!”. De indrukwekkende resultaten tonen de kwaliteit van de cryogene faciliteiten en mogelijkheden van het CSL.
Hoewel het E-TEST prototype zijn definitieve configuratie nog moet krijgen, is het niet ver meer. Het hart van de werking, de spiegel, 45 cm in diameter en 27 cm dik, gemaakt van silicium, zal eind 2024 arriveren. Het is de enige in zijn soort ter wereld en wordt momenteel geproduceerd door een Amerikaans bedrijf dat gespecialiseerd is op dit gebied en de enige leverancier is van dit type product. “We werken met een aluminium spiegel, een zeer vergelijkbaar materiaal, dat we zwart hebben geverfd om de emissiviteit te verhogen,” legt Christophe Collette uit. “Als deze spiegel de trillingstesten doorstaat, zal de siliciumspiegel ze ook glansrijk doorstaan.”
De trillingstesten zijn essentieel omdat ze informatie geven over de interne demping van de spiegel en zijn vermogen om stabiel te blijven. Een van de basisprincipes van de Einstein Telescope is het dempen van trillingen in de aarde om maximale stabiliteit te bereiken voor het detecteren van de golven. “De eerste resultaten zijn bemoedigend, maar er moeten nog een paar verbeteringen worden aangebracht. Dat is het principe van een prototype: testen, leren en verbeteren.” Het ophangsysteem zal de stabiliteit van de spiegel verbeteren, iets wat een bedrijf uit Luik momenteel bestudeert.
Terwijl E-TEST wacht op de komst van de siliciumspiegel, staat het werk aan hun prototype niet stil. “Het project wordt voortgezet en we voeren nieuwe tests uit onder verschillende omstandigheden, waardoor we de prestaties nog verder kunnen verbeteren.” Bovendien kan dit prototype ook efficiënt gebruikt worden door andere onderzoekers die werken aan verschillende projecten op het gebied van detectoren voor zwaartekrachtgolven en andere gerelateerde gebieden.
Nederlands-Belgisch-Duits initiatief
De Einstein Telescope moet onderdeel worden van de grote Europese onderzoeksinfrastructuur. Er zijn nu twee initiatieven voor een ondergrondse locatie. Naast Sardinië is dat het grensgebied van Nederland, België en Duitsland. Dat is geschikt voor een ondergronds observatorium omdat de zachte bovengrond trillingen door menselijke activiteit aan het oppervlak tegenhoudt, zodat de metingen niet worden verstoord. In 2025/2026 wordt besloten waar de Einstein Telescope komt en rond 2030 moet de bouw starten. Een groot aantal universiteiten en wetenschappelijke instellingen uit Nederland, België en Duitsland werkt nu aan een gezamenlijke kandidatuur.
Bron: Einstein Telescope
