Cryogenic characterisation for the Nulling Interferometry Cryogenic Experiment (NICE)

Diep in de koude stilte van de ruimte, ver buiten het bereik van de warmte van de Aarde, hopen astronomen een telescoop te bouwen die in staat is om de zwakke gloed van werelden zoals de onze te zien. Om deze verre planeten te vinden, die banen hebben rond sterren in de "leefbare zone" waar vloeibaar water zou kunnen bestaan, moeten wetenschappers het verblindende licht van de moederster blokkeren. Ze zijn van plan dit te doen met een techniek genaamd nulling-interferometrie, waarbij licht van verschillende telescopen op een zodanige manier wordt gecombineerd dat het heldere sterlicht zichzelf opheft, waardoor alleen het zwakke signaal van een planeet zichtbaar blijft. Voor deze delicate annulering moet de apparatuur echter extreem koud worden gehouden. Als de apparatuur warm is, straalt deze haar eigen infrarode warmte uit, waardoor het zwakke planetaire signaal wordt overstemd. De uitdaging ligt in het bouwen van een machine die de bevriezende temperaturen van de ruimte kan overleven, terwijl de spiegels en montages perfect stil blijven staan, tot op de schaal van een enkel atoom.

Een team onderzoekers van ETH Zürich en het Franse Aerospace Lab heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem met een nieuwe experimentele opstelling genaamd de "Ice Cube". Dit apparaat is een kleine, gespecialiseerde koelkast die is ontworpen om te testen hoe optische componenten zich gedragen bij extreme temperaturen. Het uiteindelijke doel is om voor te bereiden op de LIFE-missie, een toekomstige ruimteobservatorium die op zoek zal gaan naar aardachtige exoplaneten. Waar eerdere tests werden uitgevoerd bij kamertemperatuur, vereist de nieuwe missie instrumenten die werken bij temperaturen zo laag als 15 Kelvin, wat slechts 15 graden boven het absolute nulpunt is. De onderzoekers hadden een manier nodig om kleine onderdelen van de telescoop snel af te koelen en te testen om te garanderen dat ze niet vervormen of verschuiven wanneer ze worden blootgesteld aan dergelijke ijzige omstandigheden.

De "Ice Cube" is een compacte, modulaire vacuümkamer die een pulse tube-koeler huisvest, een machine die koud gas circuleert om het binnenste te koelen zonder de trilling van bewegende delen. Het ontwerp is slim gerangschikt zodat de koelmachine aan de zijkant zit, waardoor de bovenkant en de zijkanten van de kamer volledig open blijven. Dit stelt wetenschappers in staat om gemakkelijk verschillende spiegels en montages te verwzichten zonder het hele koelsysteem te hoeven demonteren. Binnenin houdt een roestvrijstalen vat twee lagen thermische afscherming vast, die fungeren als barrières om de externe warmte te voorkomen dat de binnenkern bereikt. Het binnenste schild en de optische tafel waar de spiegels op rusten, worden gekoeld tot ongeveer 10 Kelvin. Het team heeft de steunen zo ontworpen dat ze zachtjes meebewegen terwijl het metaal krimpt in de kou, wat ervoor zorgt dat de spiegels vlak en uitgelijnd blijven in plaats van te vervormen onder de spanning van de temperatuurverandering.

Om te zien wat er met de spiegels gebeurt terwijl ze afkoelen, bouwde het team een geavanceerd meetsysteem met behulp van een laser en een techniek genaamd PISTIL. Deze methode werkt door een laserstraal in vele kleine secties te splitsen en ze weer te combineren om een patroon van licht- en donkere strepen te creëren, bekend als interferentieresten (fringes). Als een spiegel zelfs maar een klein beetje verschuift, of als het oppervlak buigt, verandert het patroon van deze strepen. Door deze veranderingen te analyseren, kunnen de onderzoekers minuscule bewegingen in de positie en hoek van de spiegel meten. Ze testten dit systeem door een standaard aluminium spiegel gemonteerd op een aluminium structuur af te koelen van kamertemperatuur naar 20 Kelvin. De opstelling was ontworpen om minuscule vervormingen te detecteren die het vermogen van de telescoop om sterlicht te annuleren, zouden kunnen ruïneren.

De initiële tests toonden aan dat het systeem werkt, maar benadrukten ook de moeilijkheden van het werken in een dergelijk gevoelige omgeving. Toen de spiegel werd afgekoeld, volgde het meetsysteem de beweging succesvol, wat aantoonde dat de opstelling de relatieve beweging tussen de spiegel en de montage kon vastleggen. De gegevens waren echter ruisachtig, en het koelproces ging te traag om de meettechniek perfect bij te houden. De onderzoekers observeerden dat de positie van de spiegel wild fluctueerde tijdens de afkoeling voordat deze zich stabiliseerde toen de laagste temperatuur werd bereikt. Deze fluctuaties werden veroorzaakt door een combinatie van de spiegel die fysiek van vorm veranderde door de kou en externe verstoringen zoals trillingen of luchtstromen in het laboratorium. Het team merkte ook op dat de spiegels die zij voor de test gebruikten niet perfect glad waren, wat het moeilijker maakte om een heldere meting te krijgen.

Ondanks deze vroege hindernissen bewees het experiment dat de "Ice Cube" een stabiele, extreem koude omgeving kan bieden voor testen. De onderzoekers stelden vast dat het binnenste schild en de optische tafel temperaturen bereikten die dicht bij hun doelstellingen lagen, hoewel ze iets warmer waren dan voorspeld, waarschijnlijk door onverwachte warmtelekken of beperkingen in het koelvermogen. De studie bevestigde nog niet een perfecte oplossing voor het monteren van spiegels, aangezien de initiële tests lieten zien dat sommige montagestijlen te veel beweging kunnen introduceren. In plaats daarvan dient het werk als een essentieel bewijs van concept (proof of concept). Het demonstreert dat het team nu componenten snel door de ijzige temperaturen kan cyclen die vereist zijn voor de LIFE-missie, waardoor ze snel kunnen itereren op ontwerpen.

In de toekomst willen de onderzoekers het systeem verfijnen door de kwaliteit van de testspiegels te verbeteren en de gegevensverzameling te versnellen om veranderingen in realtime vast te leggen. Ze zijn ook van plan om complexere assemblages te testen, zoals de beam combiners die uiteindelijk het licht van meerdere telescopen samen zullen brengen. Door te identificeren welke materialen en montagetechnieken het beste standhouden in de kou, streeft het team ernaar het ontwerp voor het volledige cryogene instrument dat nodig is voor de ruimte missie te finaliseren. Dit werk is een cruciale stap in het omzetten van de droom om verre aardachtige werelden te zien in een realiteit, door te garanderen dat de instrumenten die voor de reis worden gebouwd, perfect zullen functioneren in de diepe vrieskou van de ruimte.