Precisiemechanica en mechatronica

Trillingen in de spiegels zouden alleen van zwaartekrachtgolven moeten komen.

Dit betekent dat trillingsdempers de ganse installatie moeten isoleren tegen alle bronnen van verstoringen, en met name van seismische bewegingen. Typisch moeten drie verschillende soorten trillingen worden verminderd:

• Horizontale trillingen (via een keten van pendels)
• Verticale trillingen (via elastische elementen van maragin-staal en inertielichamen)
• Rotatietrillingen, waarbij controle vereist is in de kantel-, gier- en rolrichtingen.

De controle is zowel actief als passief. Passieve controle wordt uitgevoerd door gebruik te maken van zware betonnen platformen, omgekeerde slingersystemen en meerdere niveaus van dempingssystemen. De mechanische systemen worden ontworpen voor eigenfrequenties met een periode van 5 tot 10 seconden, zodat deze buiten het meetgebied ven de ET vallen. De lokale dempingsystemen bestaan traditioneel uit bladveren, dempingskabels en stijve combinaties van bijvoorbeeld dun metaal.

Deze componenten kunnen lang zijn (1 tot 5 meter) en zijn samengesteld uit verschillende materialen zoals roestvrij maragin-staal en aluminiumlegeringen met verschillende eigenfrequenties en mechanische eigenschappen (bijvoorbeeld stijfheid) afhankelijk van de locatie waar ze ingezet worden.

De actieve controlesystemen moeten in staat zijn om extreem kleine trillingen (in de orde van 10^-15m) bij lage frequentie (periodes van 5 tot 10 seconden) te detecteren en te dempen. Actieve controle is vereist voor zes vrijheidsgraden (6 DoF), en dat maakt de controlesystemen voor de ET een pak ingewikkelder in vergelijking met bestaande zwaartekrachtgolfdetectoren.

Om de vereiste observatiegevoeligheid te bereiken, moeten de instrumenten van de Einstein Telescope bestaan uit ultra precieze componenten. De instrumenten moeten drastisch worden geïsoleerd van alle bronnen van verstoringen, en meer in het bijzonder van seismische bewegingen.

Zo zijn bijvoorbeeld ongeveer 200 isolatiesystemen in het ultrahoge vacuüm nodig die de trillingen dempen voor de centrale en recyclagespiegels, input en output mode cleaners, optische meettafels, spiegels voor de optische filtercaviteiten, enzovoort. De ordes van grootte voor de componenten waar we over praten, is als volgt.

• Meer dan 5000 bladveren
• >1000 cryogene ophangdraden
• >1000 inertiesensoren
• >5000 verplaatsingssensoren
• >5000 actuatoren

De dempingssystemen zijn voor alle zes interferometer systemen nodig. Drie van de interferometers hebben de trillingsdempers nodig bij kamertemperatuur. Daarnaast zijn er drie interferometers die bij cryogene temperaturen werken, en waarvan de dempingssystemen ook op cryogene omstandigheden moeten kunnen werken.

Hieronder volgt een lijst met eisen voor de mechatronische componenten die worden gebruikt in de Einstein Telescope. De lijst is niet bedoeld om volledig te zijn, maar geeft een indruk van de complexiteit van de ET en de uitdagingen die moeten overwonnen worden.

• De componenten moeten bestand zijn tegen ultrahoog vacuümcondities.
• De componenten moeten worden gebakken en gereinigd voor gebruik onder ultrahoog vacuüm. Geen onzuiverheden, water- of gasresten zijn toegestaan. Verbindingen en lassen moet zeer zuiver zijn voor deze ultrahoge vacuüm componenten. Mogelijke verontreinigingen zijn bijvoorbeeld chemische stoffen die de zuiver silicium ophangdraden kunnen corroderen, of watermoleculen die een dunne ijsfilm op de spiegels kunnen creëren.
• De aanwezigheid van koolwaterstoffen moet koste wat kost worden vermeden. Deze worden zeer vluchtig onder hoog vacuüm en kunnen aan de spiegel blijven plakken, resulterend in zwarte vlekken of verstrooiing van de laserstralen. Dit is geen alledaagse vereiste. Zo zijn bijvoorbeeld klassieke smeermiddelen voor motoren en bewegende onderdelen absoluut uit den boze.
• Sommige mechatronica-systemen moeten werken bij cryogene temperaturen tot op 10K tot 20K, naast de noodzaak om te blijven werken onder ultrahoog vacuüm.
• De mechatronica-systemen die werken bij cryogene temperaturen mogen niet in contact komen met de buitenwereld om temperatuurbruggen te vermijden. Voedings- en besturingslijnen moeten de strikte volgorde van de koudere naar de warmere stadia volgen.
• De mechatronica-systemen die dicht bij de spiegel opereren (bijvoorbeeld in de vacuümtorens) moeten vrij zijn van alle mogelijke trillingen. Ze mogen geen directe verbinding met de buitenwereld hebben (bijvoorbeeld voedings- en signaalkabels) om te voorkomen dat geluid de torens binnendringt via de verbinding. De verbindingen moeten de strikte volgorde van de lage trilling (spiegel) stadia naar de buitenomgeving volgen.
• Componenten moeten werken met ultra lage vermogens om warmteafvoer in de cryogene omgeving te vermijden.
• Voor de actuatoren hebben spoelen de voorkeur, zodat direct mechanisch contact en warmte-uitwisseling kunnen worden vermeden. De spoelen moeten daarbij worden beschermd tegen elektromagnetische golven die worden geïnduceerd door de buitenomgeving, zoals wervelstromen of Schumann-golven.
• De mechatronica-systemen moeten in staat zijn om te werken met extreem lage afstanden (tot 10^-18m) en bij lage frequenties (0,1 tot 10 Hz), wat de mogelijkheden die met klassieke sensoren kunnen worden bereikt tot het uiterste uitput.
• De verplaatsingssensoren moeten op maat gemaakt worden op basis van de individuele specificaties voor elk van de stadia, en voor gebruik onder cryogene omstandigheden.
• Een speciaal type maragin-staal, meestal gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, heeft de voorkeur voor de mantels. Het wordt verwacht dat deze elementen moeilijk te vinden zullen zijn.

Het wordt verwacht dat het onderzoek naar nieuwe controlesystemen en sensoren zijn weg vindt naar andere zeer veeleisende industrieën, zoals lucht- en ruimtevaart, automotive of ruimtetoepassingen.