Sensoren
De Einstein Telescope (ET) zal werken onder extreme omstandigheden waar de spiegels uitzonderlijk stil moeten opgehangen zijn. Dit is geen eenvoudige taak, aangezien ook de aarde zelf voortdurend in beweging is. Lees hier meer over het technologiedomein Sensoren.


Niet alleen de zee heeft een getijdenwerking, maar ook de aarde volgt de getijdengolven gegenereerd door de Maan. Voortdurend zijn er zeer kleine aardbevingen die de metingen kunnen verstoren. Zelfs verre mijnbouwactiviteiten, passerende treinen, of windmolens kunnen een invloed hebben op de Einstein Telescope.
De ET-spiegels die de zwaartekrachtgolven zullen detecteren, moeten worden beschermd tegen al deze externe verstoringen en ruis. De meet- en regelsystemen die de isolatie van externe zwaartekrachtinvloeden moeten bereiken, maken gebruik van extreem nauwkeurige lasers en sensoren.
Een eerste groep sensoren zal het laserlicht meten dat door de spiegels wordt weerkaatst. De lasers werken op niet erg gangbare golflengten van 1550 nanometer en 2090 nm (frequenties van 286 THz tot 143 THz). De sensoren moeten veranderingen in laserlicht in de grootteorde van 10-15 m kunnen detecteren. Daarom moeten nieuwe lasersensoren en camera’s worden ontwikkeld met een extreem hoge nauwkeurigheid.
De Einstein Telescope ondervindt voortdurend impact van seismische ruis en zwaartekrachtgradiënten. De aarde zelf beweegt als gevolg van getijdengolven, maar zelfs de getijdengolven van de zee kunnen op grote afstand een microseismisch effect hebben. Andere seismische invloeden worden veroorzaakt door lokale effecten of hebben een antropomorfe (door de mens gegenereerde) bron.
Een belangrijke bron van seismisch geluid is de zogenaamde Newtoniaanse ruis (ook wel Gravity Gradients genoemd). Die ruis wordt geproduceerd door kleine fluctuaties in het zwaartekrachtveld van de aarde. De Einstein Telescope is zo gevoelig dat ze deze kleine wijzigen al kan meten.
Om een voorbeeld te geven: moest de ET zich boven op de oppervlakte bevinden, dan zou zelfs de beweging van de lucht boven de ET al invloed hebben op de detector. Ook als de detector zich onder de grond bevindt, zijn er kleine variaties in de bodem als gevolg van seismische golven. De invloed van de Newtoniaanse ruis beïnvloedt de Einstein Telescope op zeer lage frequenties, tot 10 Hz. Het effect kan resulteren in een ‘seismische muur’ die de gevoeligheid van de ET op lage frequenties belemmert.
Geologen identificeren vier soorten golven die de Einstein Telescope kunnen beïnvloeden.
- S-golven gaan op en neer en kunnen het best worden vergeleken met rimpelingen op het wateroppervlak.
- P-golven gaan voorwaarts en achterwaarts, en zijn dus lokale compressies die door de aarde bewegen, zoals een geluidsgolf door de lucht gaat.
- Love-golven zijn slangachtige zijwaartse trillingen.
- Rayleigh-golven zijn een complexere combinatie van bewegingen, alsof een draaiend wiel van trillingen door de aarde beweegt.
De Einstein Telescope moet worden beschermd tegen al deze seismische invloeden, en dat wordt gedaan op twee niveaus.
- De vacuümtorens die de spiegels vasthouden, worden geplaatst op zware betonnen vloeren die vrij kunnen bewegen in zes vrijheidsgraden (X, Y, Z, kantelen, rollen en gieren). Elke verandering in de beweging van de betonnen vloeren moet worden gemeten en gecontroleerd tot op een niveau van 10-15
- Binnen in de torens zorgen een reeks omgekeerde pendulum- en meerdere dempingsystemen er verder voor dat de spiegels tot het gewenste niveau van 10-21 m stabiel blijven.
In de Einstein Telescope gaan laserstralen door 10 km lange armen en het licht wordt ingevangen met behulp van optische spiegels. Deze optische elementen worden zo stil mogelijk opgehangen om de aardtrillingen te verminderen en enkel zwaartekrachtgolven te meten.
Ondanks dat de geavanceerde ophangsystemen de spiegels zo stabiel mogelijk houden, gaan er nog steeds seismische golven door de tunnels. Deze trillingen kunnen tot een miljard keer sterker zijn dan de zwaartekrachtgolven. Daarom kan het niet uitgesloten worden dat de trillingen toch nog impact hebben op de spiegels.
Hier komen differentiële sensoren in beeld. Inertiale sensoren meten de aardtrillingen nauwkeurig op, zodat deze trillingen digitaal kunnen worden afgetrokken van de uitlezingen van de spiegel. De sensor bereikt deze signalen door zijn beweging met een laser uit te meten ten opzichte van een ontkoppelde massa.
De Einstein Telescope (ET) is niet de enige sensor in de tunnels. Daarnaast zullen er duizenden omgevingssensoren nodig zijn, zowel aan het oppervlak als in de ondergrondse grotten en tunnels.
De volgende lijst geeft een aantal voorbeelden van sensoren die de omgeving van de ET bewaken, en externe verstoringen meten die tot foutieve metingen zouden kunnen leiden.
- In het grotere gebied rondom de ET zullen zeer gevoelige seismometers en versnellingsmeters geplaatst worden voor een nauwkeurige meting van seismische trillingen. Sommige seismometers zijn op het aardoppervlak geplaatst, andere bevinden zich in boorgaten van 250 tot 400 meter diep of zijn geplaatst binnenin de grotten en tunnels van de Einstein Telescope zelf.
- Gevoelige microfoons pikken alle geluiden op in de grotten. In de operationele fase moeten de tunnels volledig stil zijn. Ook daarom wordt in de eerste plaats niemand toegestaan in de tunnels als de ET in werking is. Desondanks kunnen toch geluiden vanuit de oppervlakte in de tunnels komen. Akoestische sensoren moeten het geluid van het oppervlak meten dat zich voortplant in de grotten en tunnels. Die geluiden kunnen zogenaamde staande golven in de cavernes en tunnels generen, en welke door de ET als foutieve metingen worden opgepikt. Dit omvat infrageluid gegenereerd door bijvoorbeeld treinen, wegverkeer, compressoren, … of afkomstig van natuurlijke bronnen zoals onweer of aardbevingen.
- Barometers en druksensoren zullen variaties in luchtdruk meten. Ook die luchtdrukvariaties kunnen ongewenste luchtbewegingen veroorzaken. De barometers worden ondersteund door thermo-hygrometers, temperatuurmeters en weerstations die deel kunnen uitmaken van een wereldwijd netwerk van weersensoren.
- Bliksemdetectoren ter hoogte van de hoekpunten kunnen deel uitmaken van een vergelijkbaar wereldwijd netwerk van detectoren. Verwacht wordt dat de ET zal worden beïnvloed door blikseminslagen van over de hele wereld die zogenaamde Schumann-resonanties in de atmosfeer creëren. De elektromagnetische golven kunnen opgepikt worden door de spoelen van de gevoelige trillingsdempers in de vacuümtorens en daarmee trillingen veroorzaken op de spiegels.
- Debietmeters zullen het water meten dat uit de tunnels wordt afgevoerd.
- Gauss-sensoren en magnetometers zullen zogenaamde eddy-stromen en elektromagnetische velden meten in de grotten. Ook deze velden kunnen worden opgepikt door de spoelen die de dempers regelen, dus moeten worden vermeden. De sensoren kunnen worden ondersteund door gammastralingsdetectoren.
Het grote aantal sensoren in de grotten vereist een apart (SCADA) instrumentatienetwerk en bijkomende computerapparatuur. Het platform zal een integraal onderdeel worden van het controlecentrum dat de Einstein Telescope bewaakt en bestuurt.
De unieke omgeving van de Einstein Telescope maakt nieuwe soorten metingen mogelijk. Vezelkabels kunnen in de tunnels worden geïnstalleerd om kleine verplaatsingen van de aarde te meten gedurende de levensduur van de telescoop (50 jaar). De resultaten van dit wetenschappelijk onderzoek zullen waardevol zijn voor andere grote civiele constructies zoals spoortunnels en bruggen.
De ET zou ook de ideale kandidaat zijn om het gebruik van nieuwe ultraprecieze kwantumsensoren te demonstreren. In het veld van de kwantumtechnologie worden nieuwe sensoren ontwikkeld voor omgevingsmetingen (bijv. temperatuur en druk, maar ook magnetische velden). Het onderzoek naar kwantumdetectoren voor het laserlicht is ook volop aan de gang. De detectors moeten voldoen aan de hoge precisie-eisen van de Einstein Telescope, wat ze bruikbaar maakt voor een ruim gebied in de industrie.
De ontwikkeling van sensoren, fotodiodes en micro-elektromechanische systemen (MEMS) gebeurt in een nauwe samenwerking tussen universiteiten, kennisinstellingen en de industrie. De sensoren die voor de ET zijn ontwikkeld, zullen niet bruikbaar zijn voor andere zwaartekrachtdetectoren, maar kunnen ook in andere industrieën gebruikt worden.
Het wordt verwacht dat de sensoren hun weg zullen vindende lucht- en ruimtevaart en ruimtevaarttoepassingen, de auto-industrie, in de energiesectoren (bv. batterijen) en telecommunicatie-industrieën, en bij uitbreiding naar alle toepassingen die zeer gevoelige elektronica vereisen.