Technologieën hebben een vitale rol gespeeld bij het bieden van praktische oplossingen voor dure en riskante ruimteprojecten. Met de komst van nauwkeuriger meetinstrumenten en technieken worden waarnemingen in verder afgelegen ruimtegebieden mogelijk. Deze zouden de sleutel kunnen zijn tot een beter begrip van de oorsprong van het heelal.
In de context van de ruimteverkenning zijn precisietechnologieën, apparatuur en instrumenten die worden gebruikt voor nauwkeurige metingen van kosmische lichamen en ruimtegebeurtenissen (1). Zij kunnen beelden met hoge resolutie opleveren die gedetailleerde gegevens bevatten over bijvoorbeeld oppervlaktetopografie, gasinhoud, kleur en intensiteit van licht in verschillende spectrums of zelfs informatie over atmosferische kenmerken en structuur.
De mogelijkheden, meetgrootten en toepassingen van precisietechnologieën lopen sterk uiteen, afhankelijk van de toepassing en hun verwachte functie in een bepaald systeem (bijvoorbeeld een telescoop). Verschillende technologieën zijn beschikbaar en worden gebruikt om de kwaliteit van de metingen die wetenschappers bij de verkenning van de ruimte nastreven, te verbeteren.
Apparatuur zoals mechatronische systemen (voor optische toepassingen en teledetectie), metrologie (ook nuttig voor kalibratie), schone vacuümkamers (testen van apparatuur), lasers (precisiemetingen over lange afstanden), spectrometers (meten van interacties van ionen en elektronen), of spectrografen (gebruiken golflengten om bijvoorbeeld de chemische samenstelling van een planeet te onthullen) zijn slechts enkele van de belangrijke technologieën die nauwkeurigere en kleinere metingen tot op atomair niveau ver in de ruimte mogelijk maken.
In dit artikel bieden we enkele inzichten over de behoefte aan kleinere en nauwkeurigere metingen die precisietechnologieën mogelijk maken bij de verkenning van de ruimte. We gaan in op ruimtemissies die profiteren van de vooruitgang van hoogtechnologische meetinstrumenten en onderzoeken de bijdragen van de Nederlandse industrie aan huidige ruimteverkenningsmissies. Het artikel sluit af met een uitnodiging voor de Precisiebeurs van Mikrocentrum.
De vraag naar kleinere en preciezere metingen
Het verlangen om nauwkeurige analyses van de ruimte te maken en onze relatie met het heelal te begrijpen, heeft het onderzoek naar meet- en observatietechnologie gedurende millennia aangewakkerd. Er zijn bijvoorbeeld aanwijzingen dat de mens al meer dan 30.000 jaar experimenteert met verschillende technieken om de ruimte te verkennen, met methoden die variëren van elementaire wiskunde tot eenvoudige observatie(2).
Het was echter de uitvinding van de telescoop door Gaileo in 1609, een van de belangrijkste ontdekkingen die het ruimteonderzoek beïnvloedde doordat wetenschappers de nachtelijke hemel met veel meer duidelijkheid dan in het verleden konden waarnemen(3). Een andere belangrijke bijdrage was de eerste afbeelding van stellaire spectra gemaakt door Dr. Henry Draper in 1872, wiens gebruik van fotografie een grotere nauwkeurigheid van kosmische beelden mogelijk zou maken (4).
Hoewel er in de loop van de geschiedenis van de astronomie veel verschillende manieren werden ontwikkeld om het heelal te observeren, vormde de ontdekking van het infrarode licht door Sir William Herschel in 1800 een breekpunt, vooral omdat het menselijk oog hierdoor beter in staat was om verder te kijken dan zichtbaar licht (5).
Dankzij de ontdekking van het infrarood werden experimenten zoals de thermokoppels van Charles Piazzi Smyth (1856) mogelijk, waardoor infrarood licht van de maan kon worden gedetecteerd. Andere, zoals het gebruik van lood-sulfidedetectoren (PbS) (jaren 1950) om infrarood licht tussen 1 en 5 micron te bestuderen, stelden astronomen in staat het infrarode licht uit de ruimte te bestuderen, tot een golflengte van ongeveer 3 micron. In diezelfde jaren definieerde Harold Johnson (1959) het eerste infraroodmagnosesysteem dat het nabij-infraroodonderzoek uitbreidde tot een golflengte van 4 micron. Dit zou het dus gemakkelijker maken om sterren op verschillende manieren te bekijken met behulp van nieuwere nabij-infraroodbanden.
Later in de jaren tachtig veroorzaakten de ontwikkeling, het testen en de verbetering van infrarooddetectoren een reuzensprong in de waarnemingscapaciteit, dankzij de toenemende inspanningen van instellingen zoals de NASA of de ESA, om meer samenwerking tot stand te brengen tussen universitaire onderzoekers, luchtvaart- en industriële bedrijven (5).
Vanaf dat moment namen gevoeligheid, efficiëntie en resolutie snel toe. Verbeteringen konden tot uiting komen in projecten als:
- Infrared Space Observatory (ISO) is duizend keer gevoeliger dan IRAS (het eerste infrarood observatorium ooit in de ruimte), dat infrarode golflengten tussen 2,5 en 240 micron zou bereiken (1995).
- Spitzer Space Telescope (2003) met de mogelijkheid van beeldvorming met twee kanalen (bij 3,6 en 4,5 micron)
- Herschel (2009) was de enige ruimtevaartfaciliteit die zich bezighield met het submillimeter- en ver-infraroodgedeelte van het spectrum en beeldvormende fotometrie en spectroscopie verrichtte voor ongeveer 55 tot 672 micron.
En tot aan de meest recente ruimtetelescoop, de James Webb (JWST), waarvan het ontwerp en de technologische vooruitgang astronomen in staat zouden stellen tot 200 miljoen jaar na de oerknal te kijken (8).
James Webb ruimtetelescoop
De James Webb-telescoop (JWST) is een wonder van moderne techniek. Hij is het resultaat van de immense inspanningen die in de loop van de geschiedenis zijn geleverd om de capaciteit van apparatuur voor ruimteobservatie te verbeteren en hij vertegenwoordigt enkele van de laatste vorderingen op het gebied van precisietechnologieën.
De telescoop is een groot (6,6 m), koud (<-223,15℃), infrarood observatorium dat is ontwikkeld door NASA, ESA en het CSA (Canada's Space Agency) om doorbraken mogelijk te maken in het begrip van de vorming en evolutie van sterrenstelsels en planeten (6).
Het is de opvolger van de Hubble Space Telescope (HST) en kan infraroodstraling detecteren door te werken in het lagere frequentiebereik tussen bijna-ultraviolet en zichtbaar licht, alsook in het nabij-infrarood (0,8-2,5 μm) (7). Met dit spectrum zijn de helderheid en de kwaliteit van de beelden van zwakke en verafgelegen kosmische lichamen aanzienlijk verbeterd, hetgeen de juiste vervanging van zijn voorgangers blijkt te zijn.
De JWST is een geoptimaliseerd ruimteobservatorium met infraroodtechnologie (8). Naast diverse apparatuur en innovaties (zoals het opvouwbare ontwerp) bevat de JWST enkele van de meest geavanceerde precisietechnologieën, waaronder instrumenten als de Near-IR Camera (NIRCam), een Near-IR Spectrograph (NIRSpec), een near-IR Tun- able Filter Imager (TFI) en een Mid-IR Instrument (MIRI) (6).
Met deze apparatuur en de constellatie van technologieën die in de behuizing zijn ingebouwd, zal de JWSM naar verwachting:
1. Verder in het heelal waarnemen dan ooit tevoren (1,5 miljoen km van de aarde).
2. Zoeken naar de eerste sterren en sterrenstelsels die na de oerknal zijn ontstaan.
3. Informatie verstrekken aan astrofysici om beter te begrijpen hoe planeten, sterren, en sterrenstelsels ontstaan en in de loop der tijd evolueren.
4. Verre werelden verkennen en ons zonnestelsel bestuderen.
5. Het potentieel voor leven op planeten rond andere sterren bepalen.
De geschiedenis van JWST in een notendop
De geschiedenis ervan gaat terug tot 1989, toen het comité "HST and Beyond", bestaande uit wetenschappers die belast waren met de evaluatie van de vooruitgang in de astronomie, in een reeks documenten de noodzaak voorstelde van een missie die hoge-definitiebeelden van verre sterrenstelsels en ruimteobjecten zou kunnen leveren met spectroscopietechnieken die superieur zijn aan die van de HST (6).
Als reactie op deze suggestie startte NASA in de jaren negentig het Next Generation Space Telescope (NGST) programma. Het programma begon met fundamentele ontwikkelingen en ontwerpen, terwijl de selectie van voorlopige apparatuur zou plaatsvinden. In 2002 werd het NGST-programma bekend als de James Webb Space Telescope ter ere van de voormalige bestuurder van de ruimtevaartorganisatie James Webb en zou het het meest verwachte ruimte-exploratieproject worden dat in samenwerking wereldwijd werd ontwikkeld(8).
Na de jaren negentig, toen het budget verzekerd was en het partnerschap voor de ontwikkeling tot stand was gekomen, begonnen de eerste ontwerpfasen en het testen van de apparatuur in 2005. In deze periode werd de raketlanceerder Ariane 5 door de ESA geselecteerd. Evenzo begon het ontwerp van de krachtige NIRSpec vorm te krijgen, waarbij apparatuur werd getoond voor metingen die zowel bij enkelvoudige als bij metaobjecten spectroscopische waarnemingen zouden verrichten in het nabij-infrarode golflengtegebied van 0,6-5,3 µm bij drie spectrale resoluties (9).
In 2007 gaf NASA groen licht voor de bouw van de Integrated Science Instrument Module (ISIM) om de prestaties van de apparatuur onder extreme temperatuursomstandigheden te controleren.
Tegen 2018 waren andere belangrijke technologieën voltooid, waaronder de indrukwekkende 18 opvouwbare beryllium-goud vergulde zeshoekige spiegels die nodig zijn om beelden vast te leggen. De 18 spiegels worden ondersteund door interferometrietechnologieën zoals de PhaseCam (10) die wordt gebruikt om te controleren of de oppervlakken van de JWST zo perfect mogelijk zijn gesynchroniseerd en afgesteld.
De JWST zou in omvang (een half 737 vliegtuig), vermogen (18 spiegels) en capaciteit (1,5+ miljoen km afstand) eerdere ruimteobservatoria overtreffen (figuur 2). Het bevat enkele van de meest geavanceerde technologieën ter wereld en is momenteel volledig operationeel na de succesvolle lancering op 25 december 2021.
Het Einstein-telescoopproject (ET2SMEs)
In het algemeen zal de telescoop dienen om de algemene relativiteitstheorie in sterke veldomstandigheden te testen. En daarvoor zal hij gebruik maken van technologieën die in staat zijn miniatuurveranderingen (kleiner dan de grootte van een atoomkern) te meten. Dit zal gebeuren bij lage en hoge frequenties van zwaartekrachtgolfcomponenten langs de twee 10 km lange armen die de hoofdstructuur van de telescoop verlengen.
Met geavanceerde technologieën op het gebied van optica, trillingsvrije cryogenie of interferometrische detectoren zoals de LIGO (15), GEO600 en het 10m-Prototype willen wetenschappers dit doel bereiken en antwoorden oplossen die variëren van kosmische activiteit, de snelheid van de uitdijing van het heelal, de vorming van zwarte gaten of zelfs aanwijzingen over de oerknaltheorie (15).
Synchronisatie en samenwerking
Voor projecten als de LIGO, de Hubble, de Einstein of de James Webb-telescoop gaat succes verder dan hightech. Het is alleen mogelijk door goed gecoördineerde samenwerking tussen meerdere belanghebbenden en sectoren.
Daarom zijn, in het geval van de Einstein-telescoop, initiatieven als de ET2SME's ontworpen om participatie mogelijk te maken. Door consortia te vormen, worden mechanismen en middelen ontwikkeld om complexe astrofysische projecten te realiseren.
Het ET2SME is een samenwerkingsproject waarbij meer dan 40 onderzoeksinstellingen betrokken zijn. Het dient als katapult om de rol van Europa als leider op het gebied van ruimteonderzoek te bevorderen en opent de mogelijkheid voor kleine tot middelgrote (SMS) bedrijven in de technologiesector om toegang te krijgen tot de miljoenen euro's die bestemd zijn voor voorbereidende initiatieven en projecten, de ontwikkeling van nieuwe producten, processen en procedures die nodig zijn voor het totaalproject van de Einstein-telescoop (17).
Hoewel projecten zoals de Einstein-telescoop of de JWST afzonderlijk worden ontwikkeld door verschillende entiteiten en met verschillende economische bedoelingen, maken zij bovendien deel uit van tientallen consortia in verschillende landen waar hightechontwikkeling en -onderzoek plaatsvindt.
Casestudy: bijdragen van de Nederlandse industrie aan de bevordering van de ruimteverkenning
Precisietechnologieën vormen een van de fundamenten van de Nederlandse kennis- en innovatie-economie. Om een hoog niveau van succes in complexe hoogtechnologische projecten te bereiken, wordt de industrie gevormd door consortia die oplossingen en ondersteuning bieden voor astronomische missies en vele andere gebieden. Voorbeelden van organisaties die wetenschappelijke consortia leiden zijn de Nederlandse Onderzoeksschool voor Astronomie (NOVA) of de Nederlandse Onderzoeksraad (NWO), de belangrijkste instantie voor wetenschapsfinanciering in Nederland. Zij weerspiegelen met name het samenwerkingsverband dat nodig is voor langdurige, dure en complexe projecten (21) en een van hun doelstellingen is de deelname en het financiële rendement voor Nederlandse bedrijven te maximaliseren.
Een andere belangrijke actor binnen NWO is het ILO-net (Dutch Industrial Liaison Officers) dat werkt als de verbindende kracht tussen Nederlandse high-tech bedrijven en wat 'Big Science' wordt genoemd - baanbrekend fundamenteel onderzoek dat wordt uitgevoerd in grote internationale samenwerkingsverbanden (21).
Via Big Science worden de bedrijven gestimuleerd om de beste technologische oplossingen te leveren die voor hen en de grote complexe internationale projecten waaraan zij deelnemen grote voordelen kunnen opleveren. Dit is een van de redenen waarom de Nederlandse industrie uitblinkt in haar werk.
Zo kan bijvoorbeeld de Midden-Infrarood Instrument (MIRI) Spectrometer voor de JWST worden genoemd als een van de grootste bijdragen onder leiding van NOVA. Binnen dit consortium dragen bedrijven als TNO, ASTRON en SRON bij met andere technologieën, waaronder veel lasers of optische apparaten. TNO heeft bijvoorbeeld ook deelgenomen aan het ontwerp van de eerste Faint Object Camera voor de Hubble (19).
Naast JTWS is de precisie-industrie actief betrokken bij het ontwerp en de bouw van de Einstein-telescoop, door deel te nemen aan verschillende werkgroepen zoals ET Pathfinder, E-Test en ET2SME of Einstein Telescope Technologies (ETT) (20).
Precisiebeurs 2022
De Precisiebeurs is ontwikkeld als handelspunt voor de gehele precisietechnologie waardeketen met een focus op het presenteren van spelers in de Nederlandse industrie: van mechatronische engineering & systemen, metrologie, vacuüm & clean, micro processing & motion tot productie voor hoge precisie.'
De beurs, georganiseerd door Big Science en Mikrocentrum, heeft dit jaar tot doel de beste voorwaarden te scheppen om de sectoren van de precisietechnologie vooruit te helpen, en tegelijkertijd ruimte te bieden voor ontmoetingen, samenwerking en kennisdeling tussen bezoekers en exposanten.
De beurs vindt plaats in de Brabanthallen, 's-Hertogenbosch (Nederland) op 16 en 17 november 2022. Registratie is gratis.
Onder meer engineers en wetenschappers die werkzaam zijn in het precisietechnologie-ecosysteem kunnen netwerken, lezingen en keynotes bijwonen en cutting-edge technologie bekijken... en mis de kans niet om getuige te zijn van enkele van de belangrijkste bijdragen van de Nederlandse industrie aan de ruimtewetenschap.
Referenties
- Gold RE, Jenkins RE. Advanced space instruments. Johns Hopkins APL Tech Dig (Applied Phys Lab. 1999;20(4):611–9.
- Wikipedia. History of Astronomy. [Internet]. 2022. Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_astronomy
- NASA. Telescope History. [Internet]. 2003. Available from: https://www.nasa.gov/audience/forstudents/9-12/features/telescope_feature_912.html
- Peres IM, Jardim ME, Costa MF. The role of the artificial lights in the scientific photography of the XIXth century. Third ICESHS, Austrian Academy of Sciences, Vienna 2008. Session 2.
- CoolCosmos. INFRARED. World Universe Missions Gallery. [Internet]. 2022. Available form: https://coolcosmos.ipac.caltech.edu/timelines#24
- Gardner JP, Mather JC, Clampin M, Doyon R, Greenhouse MA, Hammel HB, et al. The James Webb space telescope. Space Sci Rev. 2006;123(4):485–606.
- Wikipedia. James E. Webb [Internet]. 2022. Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/James_E._Webb
- Pelliccia L, Pelliccia L, Stief P, Dantan J, Etienne A, Siadat A. ScienceDirect ScienceDirect Applicability of simulation for May software simulation software for participatory for workplaces and participatory design design for industrial industrial workplaces and processes processes A new methodology to analyze the fun. Procedia CIRP [Internet]. 2021;99:122–6. Available from: https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.03.019
- Jakobsen P, Ferruit P, Alves De Oliveira C, Arribas S, Bagnasco G, Barho R, et al. The Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) on the James Webb Space Telescope: I. Overview of the instrument and its capabilities. Astron Astrophys. 2022;661:1–22.
- NASA. Webb Telescope Spinoff Technologies Already Seen in Some Industries [Internet]. Available from: https://www.nasa.gov/topics/technology/features/webb-spinoffs.html
- House Committee on Science, Space and TR. Witnesses Discuss Challenges for the James Webb Space Telescope [Internet]. 2011. Available from: https://republicans-science.house.gov/2011/12/witnesses-discuss-challenges-james-webb-space-telescope
- Wikipedia. James Webb Space Telescope [Internet]. 2022. Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
- Baker D. The James Webb Space Telescope: Complete History, Specs, and More [Internet]. 2022. Available from: https://history-computer.com/the-james-webb-space-telescope/
- Brand J van den. Einstein Telescope: A unique chance for Europe [Internet]. 2021. Available from: https://www.openaccessgovernment.org/einstein-telescope/113902/
- Institute MP. Einstein Telescope [Internet]. 2022. Available from: https://www.aei.mpg.de/einsteintelescope
- Abbott et al. Reports on Progress in Physics LIGO: the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Rep Prog Phys [Internet]. 2009;(72). Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/72/7/076901
- Interreg. SMEs benefit from Einstein Telescope [Internet]. ET2SMS; 2021. Available from: https://et2smes.eu/wp-content/uploads/2021/04/ET2SMEs-press-release.pdf
- JRC and Nova Institute. Jobs and Wealth in the European Union Bioeconomy [Internet]. Available from: https://datam.jrc.ec.europa.eu/datam/mashup/BIOECONOMICS/index.html#
- TNO. TNO Contributes to James Webb Telescope and Space History [Internet]. 2021. Available from: https://www.tno.nl/en/newsroom/insights/2021/12/tno-contributes-james-webb-telescope/
- ET2SMEs. ET - Technology Catalog [Internet]. 2022. Available from: https://et2smes.eu/et-technologies-catalogue
- BigScience. About the ILO-net. [Internet]. 2022. Available from: https://www.bigscience.nl/en/