www.technologieenindustrie.com
11
'19
Written on Modified on
FAULHABER GROUP
GPS VOOR DE MELKWEG
Wat gebeurt er om ons heen? We willen het allemaal weten, of we het toegeven of niet. Al sinds het menselijk bestaan op aarde vragen we ons af: Wat gebeurt er in de Melkweg? We weten er verrassend weinig van, want we hebben er letterlijk moeite mee om door de bomen het bos te zien. Maar het door Britse astronomen geïnitieerde MOONS-project wil daar verandering in brengen. Technologie van FAULHABER zal daarbij een belangrijke rol spelen.
Galactisch gebrek aan kennis
Als het aankomt op het verkennen van ons eigen schijfvormige spiraal-melkwegstelsel, hebben astronomen een fundamenteel probleem: Want hoewel de Aarde zich niet precies in het midden bevindt, bevindt hij zich wel op de centrale schijf van de Melkweg. Dus als astronomen vanuit dit gezichtspunt naar het centrum willen kijken, of naar wat zich daarachter bevindt, wordt het zicht belemmerd door talloze sterren. En vanuit ons aardse perspectief is het heel moeilijk of zelfs onmogelijk om te bepalen waar die zich op onze gezamenlijke schijf bevinden. Een van de regio's waar we weinig over weten is juist het dichte deel in het centrum van het melkwegstelsel,
waar talloze sterren en gaswolken rond een verondersteld zwart gat geclusterd zijn. Maar een groot astronomieproject kan binnenkort veel gaten in onze kennis dichten. Hierbij zijn acht instituten uit verschillende landen betrokken. Het project is geïnitieerd door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). Deze wetenschappelijke organisatie beheert enkele van de krachtigste telescopen ter wereld in de Chileense Atacama-woestijn. Dit omvat de Very Large Telescope (VLT) van het Paranal- observatorium met een spiegeldiameter van 8,2 meter. Het doel van het project is om de VLT uit te rusten met een nieuw instrument om de optische signalen uit de ruimte vast te leggen. Het gaat om een spectograaf die een groot aantal kosmische objecten tegelijkertijd kan waarnemen in het zichtbare en infrarode deel van het spectrum. De naam van het project is een afkorting van de Engelstalige beschrijving: MOONS, van Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph. Coördinator is de United Kingdom Astronomy Technology Centre (UK ATC) in de Schotse hoofdstad Edinburgh.
Spectrum in plaats van foto
"Bij een goede fotocamera kan je de lens vervangen. Bij een telescoop is het precies andersom: de VLT heeft een uitstekende lens, maar we vervangen de huidige 'camera' door onze MOONS," legt William Taylor, onderzoeker van het UK ATC uit. Met zijn nieuwe technologie opent MOONS heel nieuwe mogelijkheden bij het observeren van de ruimte, al produceert het geen grote foto's in de traditionele zin. In plaats daarvan legt het minieme details vast. Het werkt als volgt: de enorme lens en spiegel van de VLT worden op het te observeren deel van de ruimte gericht. Tot zover niets nieuws. Maar nu worden de uiteinden van exact 1001 glasvezels in MOONS gericht op individuele objecten binnen deze kosmische regio. Niet het hele gebied wordt vastgelegd, zoals een camera dat zou doen; het nieuwe instrument focust de vezels op bepaalde punten in het heelal. En zelfs deze punten worden niet gewoon gefotografeerd. Het licht wordt met prisma's uiteengetrokken tot de individuele componenten, de verschillende golflengtes. "Wetenschappelijk gezien levert deze methode veel meer informatie dan een foto," legt Taylor uit. "Zo kunnen we veel leren over de chemische samenstelling van het object. Verder kunnen we de dynamica berekenen, dus de snelheid en de bewegingsrichting. Omdat MOONS is gericht op het bijna-infrarood spectrum, kunnen we nauwkeurig de roodverschuiving analyseren waaraan het licht dat van verre objecten naar ons toekomt onderhevig is." Als een ster van de aarde weg beweegt, wordt de golflengte van zijn licht langer. Op deze manier verschuift een deel van het zichtbare licht naar het onzichtbare infrarood-gebied, dat nog dicht bij het zichtbare spectrum ligt.
Duizenden objecten in beeld
Met eerdere technologie konden maximaal zo'n honderd objecten individueel worden geobserveerd, en dat alleen in het bereik van zichtbaar licht. Niet alleen vermenigvuldigt MOONS dat aantal met tien, ook de diepte van de informatie neemt toe. Binnen de Melkweg zal dit ons in staat stellen om veel nauwkeuriger tussen de bomen door te kijken en een veel duidelijker beeld te krijgen van het hele spreekwoordelijke bos. "Een van de doelstellingen van het project is het maken van een 3D-kaart van de Melkweg, die een soort GPS-navigatie door ons hele melkwegstelsel mogelijk maakt. De MOONS-technologie met haar ongekende resolutie stelt ons ook in staat om heel ver te kijken, en dus ook heel ver terug in de tijd. We zullen tot binnen een paar honderd miljoen jaar van de Big Bang kunnen komen." Dit zal wetenschappers inzicht geven in de kindertijd van het heelal. Hoewel dit momenteel al tot op zekere hoogte mogelijk is, geeft MOONS ons een veel duidelijker en gedetailleerder beeld, aldus Taylor. "We zullen het heelal tot een ongekende diepte in kaart kunnen brengen." De astronomen richten zich op enkele miljoenen objecten over een periode van ongeveer vijf jaar. Om dat te bewerkstelligen, moeten de 1001 glasvezels van de spectograaf snel en meestal automatisch op de kosmische doelen worden gericht. Dit wordt bereikt met een evengroot aantal fibre positioning units (FPU's). Elke FPU heeft twee stappenmotor- aandrijfeenheden die gemonteerd zijn op tandwielkasten met gereduceerde speling. De achterste verplaatst de centrale as (Alpha) van de FPU. De voorste motor-tandwielkast-aandrijfeenheid (Beta), die hier excentrisch op gemonteerd is, beweegt tegelijkertijd het vezeluiteinde. Door de combinatie van de twee axiale bewegingen kan elke FPU een cirkelvormig gebied bestrijken, waarbinnen de vezel willekeurig kan worden uitgelijnd. Dit gebied overlapt gedeeltelijk de gebieden van aangrenzende FPU's. Dat betekent dat elk punt binnen de vast te leggen zone gecontroleerd kan worden. Om te voldoen aan de uitdagende eisen op het gebied van positionele herhaalnauwkeurigheid (noodzakelijk om botsingen tussen FPU-uiteinden te voorkomen), moet de oplossing voor het aandrijfsysteem uiterst nauwkeurig zijn. De hoge kwaliteit stappenmotoren komen van FAULHABER PRECISTEP; de tandwielkasten zonder restkoppel van FAULHABER Minimotor dragen bij aan de nauwkeurigheid van de positionering. FAULHABER-dochteronderneming mps verzorgt het mechanische ontwerp van de modules.
Op maat gemaakt richtinstrument
"We hebben zeer waardevolle input ontvangen van alle drie de deelnemende Zwitserse bedrijven van de FAULHABER Group", meldt Steve Watson, die bij UK ATC verantwoordelijk is voor de FPU-ontwikkeling. "Zonder hun unieke knowhow was het voor ons onmogelijk geweest om deze kernmodule in deze vorm, en dan ook nog in de aantallen die we nodig hadden, te ontwikkelen. Naast de uitlijningssnelheid van de optische vezels moeten ze ook zeer nauwkeurig zijn. We bereiken een nauwkeurigheid van 0,2±graden en een reproduceerbaarheid van de positie tot 20 micron. Gezien de lengte van de FPU en het modulaire ontwerp zijn dit prachtige cijfers. En de units blijven goed uitgelijnd op de focale plaat waarop de modules in alle posities staan opgesteld." De hoge precisie en extreme betrouwbaarheid van de componenten maakt het mogelijk om de bediening eenvoudig te houden – nog een eis om de spectograaf feilloos te laten werken. Complexe elektronica en besturingslogica zouden het snel en gelijktijdig bedienen van 1001 units ernstig belemmeren. Dankzij de hoge kwaliteit van de onderdelen kan een nauwkeurige uitlijning worden bereikt met een eenvoudige open-loop besturing. De techniek moet bovendien zeer robuust en nagenoeg onderhoudsvrij zijn om zijn taken gedurende de geplande tienjarige levensduur van het systeem zonder onderbreking uit te voeren. Projectmanager Alasdair Fairley kijkt nu al verder dan deze technische zorgen: "We boeken goede voor uit gang met de MOONS. We verwachten de spectrograaf in de zomer van 2021 te kunnen installeren. De inbedrijfstelling zal ongeveer een half jaar in beslag nemen, zodat we waarschijnlijk begin 2022 kunnen beginnen met het in kaart brengen. We hebben er alle vertrouwen in dat de FPU tien jaar lang volledig operationeel zal blijven zonder onderhoud."
https://www.faulhaber.com/nl/maerkte/optik-photonik/spektrograph/
