Der Prototyp des Einstein-Teleskops E-TEST besteht seine erste Testreihe
Das E-TEST-Projekt demonstriert eine Technik, mit der die Geräte des Einstein-Teleskops nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden können, ohne sie zu berühren. Dies ist eine wesentliche Errungenschaft, um das künftige Gravitationswellenobservatorium so rauschfrei wie möglich zu machen.
Ein Teil der Herausforderung des Einstein-Teleskops besteht darin, jede Art von Vibration herauszufiltern, die seine empfindlichen Messungen stören könnte. Ein Teil der Lösung besteht darin, das Gerät zu kühlen, ohne dass durch den Kontakt mit der Kühlanlage neues Rauschen entsteht. Im Rahmen des E-TEST-Projekts wird nun eine Kühlmethode demonstriert, mit der eine 100 kg schwere Testmasse erfolgreich auf 22 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden konnte.
Der Prototyp des Einstein-Teleskops, der in den Labors der Universität Lüttich von Christophe Collette und seinem Team in Zusammenarbeit mit dem thermomechanischen Team des Lütticher Raumfahrtzentrums (CSL) entwickelt wurde, hat seine erste Testreihe im Focal 6.5-Tank des CSL absolviert. Dabei wurden die Kühltechnologie, das Prinzip des umgekehrten Pendels und die hochempfindlichen Vibrationssensoren validiert. Ermutigende Ergebnisse für diesen weltweit einzigartigen Prototyp zum Nachweis von Gravitationswellen.
Das Projekt des Einstein-Teleskops hat eine neue Etappe erreicht: Der in den Labors von ULiège und CSL entwickelte Prototyp E-TEST wurde in das Raumfahrtzentrum von Lüttich geschickt, wo er einer Reihe von Kältetests und Vibrationstests unterzogen wird. Um optimal zu funktionieren, muss der künftige Spiegel des Einstein-Teleskops extremen Temperaturen standhalten und fast keinen Vibrationen ausgesetzt sein.
„Dies war ein wichtiger Meilenstein für dieses einzigartige und ehrgeizige 4-Jahres-Projekt, das 2020 begann“, erklärt Christophe Collette, Ingenieur und wissenschaftlicher Projektkoordinator an der ULiège School of Engineering (Aerospace & Mechanical Engineering). „Wir mussten einige Verzögerungen und Rückschläge hinnehmen, die auf die Pandemie, den Zugang zu den Materialien und die verlängerten Lieferzeiten zurückzuführen waren, aber dank der Entschlossenheit des Teams konnten wir den Prototyp rechtzeitig fertigstellen.“
Der E-TEST-Prototyp wurde von August bis Oktober 2023 bei AMOS zusammengebaut und Anfang November zu CSL gebracht, um in den Vakuumtank FOCAL 6.5 eingebaut zu werden, der für die Kühltests verwendet wurde. Um das Risiko von Vibrationen zu vermeiden, wurde der Prototyp in einer leeren Kammer mit einem Durchmesser von 6,5 m platziert und strahlend (ohne Kontakt) gekühlt. „In der Kältetechnik ist diese Methode im Allgemeinen weniger effektiv. Wir haben das Problem jedoch umgangen, indem wir die Austauschfläche zwischen der Kühlplatte und dem Kryostaten im Inneren vergrößert haben“, erklärt Christophe Grodent, der kaufmännische Direktor von CSL. Die Platten wurden mit einem Heliumverflüssiger gekühlt, der für alle unsere kryogenen Anwendungen verwendet wird. Die Tests begannen am 22. November, und das Gleichgewicht wurde am 11. Dezember 2023 erreicht. In 18 Tagen konnten die Anlagen von etwa zwanzig Grad Celsius auf etwa -250°C heruntergekühlt werden. „Wir hatten zwar gehofft, unter 40 Kelvin zu kommen, aber wir hatten nicht damit gerechnet, dass wir auf dem Spiegel eine Gleichgewichtstemperatur von 22 Kelvin erreichen würden! Die Thermoplatten erreichten eine Temperatur zwischen 14 und 17 Kelvin. Ein echter Wendepunkt!“. Diese beeindruckenden Ergebnisse sind ein Beweis für die Qualität der Kryogenikeinrichtungen und -fähigkeiten des CSL.
Obwohl der E-TEST-Prototyp noch nicht seine endgültige Konfiguration erreicht hat, ist er nicht mehr weit davon entfernt. Das Herzstück, der Spiegel mit einem Durchmesser von 45 cm und einer Dicke von 27 cm aus Silizium, wird bis Ende 2024 fertiggestellt sein. Er ist weltweit einzigartig und wird derzeit von einem amerikanischen Unternehmen hergestellt, das sich auf diesen Bereich spezialisiert hat und der einzige Anbieter dieser Art von Produkten ist. „Wir arbeiten mit einem Aluminiumspiegel, einem sehr ähnlichen Material, das wir schwarz lackiert haben, um sein Emissionsvermögen zu erhöhen“, erklärt Christophe Collette. „Wenn dieser Spiegel die Vibrationstests besteht, wird auch der Siliziumspiegel sie mit Bravour bestehen.“
Diese Vibrationstests sind unerlässlich, denn sie geben Aufschluss über die interne Dämpfung des Spiegels und seine Fähigkeit, stabil zu bleiben. Eines der Grundprinzipien des Gravitationswellen-Teleskop-Projekts ist es, die Vibrationen der Erde auszulöschen, um eine maximale Stabilität für den Nachweis der Wellen zu erreichen. „Die ersten Ergebnisse sind ermutigend, aber es müssen noch einige Verbesserungen vorgenommen werden. Das ist das Prinzip eines Prototyps: testen, lernen und verbessern.“ Das Aufhängungssystem wird die Stabilität des Spiegels verbessern, was ein Unternehmen aus Lüttich derzeit untersucht.
Während wir auf die Ankunft des Siliziumspiegels warten, ist der E-TEST-Prototyp noch nicht auf Eis gelegt. „Das Projekt wird fortgesetzt, und wir führen neue Tests unter verschiedenen Bedingungen durch, die es uns ermöglichen werden, seine Leistungen weiter zu verbessern.“ Darüber hinaus kann dieser Prototyp auch von anderen Forschern, die an verschiedenen Projekten im Bereich der Gravitationswellendetektoren und anderen verwandten Gebieten arbeiten, effizient genutzt werden.
Dieser Artikel erschien zuvor auf der Website der Universität Lüttich.
