Met glas zwaartekrachtsgolven meten

Onderzoekers uit Jena hebben voor de trillingssensoren van de Einstein-telescoop de uiterst gevoelige resonatoren voor het eerst volledig van glas vervaardigd. © Fraunhofer IOF / Researchers from Jena have manufactured highly sensitive resonators made entirely of glass for the vibration sensors of the Einstein Telescope. © Fraunhofer IOF

Visualisatie: Gravitatiewellen zijn vervormingen van de ruimtetijd die bijvoorbeeld worden veroorzaakt door de botsing van zwarte gaten. © Fraunhofer IOF / Visualisatie: Gravitational waves are distortions of space-time caused, for example, by the collision of black holes. © Fraunhofer IOF

De glazen sensor als tekening: Blauw zijn de bladveren, groen is de testmassa, grijs is het buitenframe, geel is een spiegelcoating. © Fraunhofer IOF / The glass sensor as a drawing: Blue are the leaf springs, green is the test mass, gray is the outer frame, yellow is a mirror coating. © Fraunhofer IOF

De monolithische glazen resonator met dunne bladveren wordt vervaardigd met behulp van een speciaal verbindingsproces. © Fraunhofer IOF / The monolithic glass resonator with paper-thin leaf springs is manufactured using a special joining process. © Fraunhofer IOF

Visualisatie van het geplande Einstein-telescoop. © Marco Kraan / Nikhef / Visualization of the planned Einstein Telescope. © Marco Kraan / Nikhef

Het Einstein-telescoop moet vanaf 2035 zwaartekrachtsgolven onderzoeken met een tot nu toe onbekende precisie. Onderzoekers uit Jena hebben voor de telescoop voor het eerst volledig uit glas vervaardigde zeer gevoelige sensoren ontwikkeld.

Zwaartekrachtsgolven zijn vervormingen van de ruimtetijd die worden veroorzaakt door extreme astrophysische gebeurtenissen, zoals de botsing van zwarte gaten. Deze golven verspreiden zich met de snelheid van het licht en dragen waardevolle informatie over dergelijke gebeurtenissen door het heelal. Het Einstein-telescoop moet deze golven in de toekomst meten met ongeëvenaarde precisie en daarmee een wereldwijd toonaangevend meetinstrument worden voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven.

Om storingen in de metingen te minimaliseren, wordt het telescoop tot wel 300 meter onder de grond gebouwd. Maar zelfs daar zijn er nog mechanische trillingen, veroorzaakt bijvoorbeeld door ver weg gelegen aardbevingen of het verkeer boven de grond. Zeer gevoelige trillingssensoren moeten deze resterende vibraties meten.

Onderzoekers van het Fraunhofer-Instituut voor Toegepaste Optiek en Meettechniek IOF uit Jena hebben in samenwerking met het Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut AEI) uit Hannover deze trillingssensoren ontwikkeld en gebouwd voor het Einstein-telescoop.

Resonator voor trillingssensoren voor het eerst volledig uit kwartsglas

»Een dergelijke trillingssensor bestaat uit twee kernonderdelen: een beweeglijke resonator en een laser die de beweging van de resonator uitleest«, legt Dr. Pascal Birckigt uit, verantwoordelijke projectleider bij Fraunhofer IOF in Jena. De resonator is in Jena gebouwd, de laser in Hannover aangevuld. »De mechanische resonator is het deel van de sensor dat de trillingen uit de omgeving omzet in een meetbare beweging, vergelijkbaar met een stemvork.«

De onderzoekers van het Fraunhofer IOF hebben iets gecreëerd dat nog nooit eerder bestond: een fijn mechanisch resonator, volledig uit kwartsglas (>99,8% SiO2). Het combineert een lage eigenfrequentie van 15 Hertz met een hoge kwaliteit factor (>100.000) en een compacte afmeting van slechts vijf centimeter in diameter.

»De trillingssensoren zullen in de toekomst direct naast de ongeveer 200 kilogram zware spiegels in de zwaartekrachtsgolvendetectoren van het Einstein-telescoop worden geplaatst«, legt Birckigt verder uit. Per spiegel zullen er drie sensoren komen. »De gevoeligheid van de sensoren wordt dankzij onze resonatoren zo hoog dat ze de watergolven in de Atlantische Oceaan, die op ongeveer 200 kilometer van de locatie van het telescoop liggen, als pieken in de seismische spectra duidelijk zichtbaar kunnen maken.«

Complexe eisen aan de sensor: glas is de oplossing

De volledige productie van de resonatoren uit glas vloeit voort uit de complexe eisen aan de sensor: »Bij het Einstein-telescoop is er weinig ruimte voor de sensoren«, legt Birckigt uit. »Tegelijkertijd moeten de sensoren bijzonder krachtig zijn.« Alleen met glas als materiaal konden de eisen aan compactheid en lage eigenfrequentie gecombineerd worden met een hoge gevoeligheid. De reden hiervoor zijn de zogenaamde bladveren in het binnenste van de resonator.

De bladveren vormen het hart van de resonator. Ze maken de lage eigenfrequentie mogelijk, dat wil zeggen de frequentie waarop het systeem begint te reageren op trillingen. Dit is noodzakelijk omdat het Einstein-telescoop lagefrequente golven wil meten tussen 3 en 30 Hertz. »Om dat te kunnen realiseren, zijn er technisch gezien twee mogelijkheden«, legt Birckigt uit. »Ofwel wordt in het binnenste van de resonator een grote testmassa geplaatst die reageert op externe trillingen, ofwel worden lange, elastisch vervormbare buigbalken, de zogenaamde bladveren, aan de testmassa bevestigd.«

Een grote testmassa is vanwege de vereiste compactheid van de sensor niet mogelijk. Dus bleef alleen de oplossing met de bladveren, die door de onderzoekers uit glas worden vervaardigd: »Glas onderscheidt zich door zijn bijzonder hoge stijfheid«, legt Birckigt uit. »Het vertoont praktisch geen plastische vervorming. Daarom is het mogelijk om dunne bladveren uit glas te maken.« Dun in dit geval betekent: een enkele veer is 0,1 millimeter dik, zeven centimeter lang en weegt slechts 34 milligram. In totaal houden zes van dergelijke veren binnenin de resonator de drie gram zware testmassa stabiel en uitgelijnd.

Speciaal fabricageproces voor de productie van de glasresonator

Het vervaardigen van zo'n fijn en tegelijk krachtig resonator is een complex proces. Het omvat frezen en polijsten, evenals laserbewerkingsmethoden. Daarnaast wordt een speciaal plasma-geactiveerd bevestigingsproces gebruikt om een binding op atomair niveau tussen de glasoppervlakken van de resonator te creëren. »De twee onderdelen vormen daarna een monolithisch, dus duurzaam geheel«, legt Birckigt uit, die in het project specifiek de fabricageprocessen voor het glasonderdeel heeft begeleid. »Hierdoor wordt de resonator extreem stabiel en precies.« Deze speciale methode, glas zonder tussenlaag te verbinden, willen de onderzoekers van het Fraunhofer IOF verder ontwikkelen. Hun doel zijn nog complexere, driedimensionale structuren.

Toepassingsmogelijkheden voor ruimtevaart en halfgeleiderfabricage

De nieuwe glasresonatoren kunnen in de toekomst overal worden toegepast waar systemen met een reeks compacte versnellings- of oriëntatiesensoren moeten worden bewaakt. Dit geldt naast zwaartekrachtsgolfforschung bijvoorbeeld bij satellieten – bijvoorbeeld voor het bepalen van hun banen, het meten van het aardoppervlak of voor inertiële navigatie. Verder kunnen de resonatoren worden gebruikt om de meetnauwkeurigheid van atoominterferometers te verbeteren en in EUV-lithografiesystemen voor de verwerking van halfgeleiders.

Ingebruikname van het Einstein-telescoop gepland vanaf 2035

Het Einstein-telescoop bevindt zich sinds 2008 in voortdurende ontwikkeling. Het is een uiterst gevoelige zwaartekrachtsgolvendetector van de derde generatie met een tot tien keer hogere gevoeligheid dan de huidige detectors. De bouwstart is gepland voor 2026, en de observaties moeten vanaf 2035 beginnen. Volgens de huidige planning wordt de locatie voor het telescoop de Euregio Maas-Rijn, in het grensgebied van Duitsland, België en Nederland.

De ontwikkeling van de sensoren is uitgevoerd door onderzoekers uit Jena en Hannover in het kader van het project »Glass Technologies for the Einstein Telescope« (GT4ET).