Cryogenica

Na de initiële afkoeling van de cryostaat kan de operationele temperatuur van de lading slechts op twee manieren worden gehandhaafd. Een eerste optie is via infraroodstraling. De tweede optie is geleiding via thermische draden (heat links) met zeer lage stijfheid. De lage stijfheid is nodig om ervoor te zorgen dat de telescoopprestaties niet worden beïnvloed door trillingen vanuit het cryogene systeem. In dit scenario is het essentieel om ultralage ruis cryogene koelers en actieve trillingsisolatoren te gebruiken die kunnen blijven werken bij de lage temperatuur en onder het hoge vacuüm.

De lage temperatuur spiegels zullen worden opgehangen door middel van monokristallijne siliciumdraden die ongeveer een meter lang zijn en slechts een paar millimeter dik. De productietechnologie van dergelijke draden staat nog in de beginfase en vereist een krachtig research and development programma. De ondersteuning van de industrie is nodig om deze ontwikkeling succesvol te kunnen maken.

De waarneming van zwaartekrachtsgolven is alleen mogelijk als de trillingen in de spiegels met miljarden keren wordt verminderd in vergelijking met de stilste onderzoekslaboratoria in de wereld.

Deze lage waarden zijn al wel gehaald bij kamertemperatuur in de huidige zwaartekrachtdetectoren. De noodzaak om bij cryogene temperaturen te werken, brengt nieuwe uitdagingen met zich mee. De machines die in een gesloten systeem de koeling moeten verzorgen, voegen extra trillingsruis toe aan de omgeving. Een juiste controle van geïntroduceerde trillingen is cruciaal.

De voorziene strategie voor de koeling van de spiegels is het combineren van ultra lage trilling cryokoelers, actieve trillingsisolatie van de gekoelde spiegels, en het gebruik van thermische draden met lage stijfheid waaraan de cryogene spiegel opgehangen zijn.

De ophanging van de kernoptica van de ET moet plaatsvinden bij 10K. Bij deze temperaturen moeten de ophangdraden warmte van de spiegels naar de omgeving transporteren met een hoge efficiëntie. Ze moeten ook de best mogelijke mechanische demping bieden om de wetenschappelijke doelen van het project te bereiken. Het gekozen monokristallijn silicium heeft nog de nodige sterkte en is in staat om bij deze cryogene temperaturen de warmte af te voeren.

De KAGRA-zwaartekrachtsgolfdetector in Japan werkt eveneens bij cryogene temperaturen. De metingen die bij de KAGRA-detector gedaan worden, zijn dus een goede basis om ook de cryogene instrumenten van de Einstein Telescope te dimensioneren.

• KAGRA gebruikt saffieren draden voor de ophanging van de spiegels, maar voor de ET zijn deze niet ideaal. De thermische geleidbaarheid van saffier daalt drastisch bij temperaturen lager dan 20K (-253°C). Silicium blijkt een beter materiaal te zijn op het vlak van de thermische eigenschappen en mechanische demping. Het grootste probleem is dan nog wel om de silicium draden te kunnen fabriceren.
• De vaststelling is dat de machines die voor de cryogene temperaturen moeten zorgen, ruis induceren in de ophangingsdraden. Deze ruis is vervolgens zichtbaar in de metingen. Het ruisniveau dat in de KAGRA-detector wordt gemeten, is te hoog voor de Einstein Telescope. Dat betekent dat nieuwe soorten cryokoelers moeten ontworpen worden, die minder ruis veroorzaken. Verder zal ook een betere trillingsisolatie nodig zijn voor alle connecties van de koelinstallaties naar de ET.
• De cryogene payload van de ET kan tot enkele honderden kg zwaar zijn. Dat is tot een factor tien meer dan voor KAGRA, dus ook het koelingssysteem om de omgeving tot 10K te brengen, moet zwaarder worden. De technologieën die nodig zijn om de afkoeling te garanderen op de kortst mogelijk tijd, zullen uitermate belangrijk zijn. Denk daarbij aan speciale coatings die bij cryogene temperaturen voor de infrarode warmtestraling moeten zorgen, warmtewisselaars met zeer hoge efficiëntie, enz. De vereiste is daarbij dat een zeer hoge uptime gegarandeerd moet kunnen blijven gedurende een lange periode.
• De doorgaans gebruikte Multi-Layer Isolatiematerialen (MLI) voor cryogene omgevingen (zogenaamde superisolators) gebruiken lagen metaalfilm en plastic. Deze zijn niet bruikbaar voor de Einstein Telescope omwille van het risico op contaminatie in het ultra hoog vacuüm. Kunststoffen kunnen onder het vacuüm stoffen afgeven die op de spiegels kunnen neerslaan. Dat betekent dat alternatieve ontwerpen en materialen moeten gezocht worden.
• De ervaring is dat onder het ultrahoge vacuüm toch nog water uit het roestvast staal kan lekken. Dit zijn extreem kleine hoeveelheden, maar er is toch een ernstig risico dat de watermoleculen een nanometers dik laagje ijs op de spiegels vormen. Zelfs dat laagje van enkele moleculen kan de performantie van de Einstein Telescope ernstig verstoren. Nieuwe methodes moeten gevonden worden om de ijsvorming tegen te gaan, en mogelijk ook om regelmatig het oppervlak van de spiegels vrij te maken.
• Er is meer en meer interesse om de koeling uit te voeren door het gebruik van superfluïde helium. De eerste onderzoeksactiviteiten zijn reeds gestart.

ET vertegenwoordigt het meest extreme proefplatform voor geavanceerde cryogenica waarbij ultralage ruis noodzakelijk is. Innovaties die gedaan worden voor de Einstein Telescope kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden in het domein van quantumcomputers, waar overmatige trillingen van het koelsysteem decoherentie van qubits kunnen veroorzaken en lopende processen kunnen verstoren.

Daarnaast kan de ontwikkeling van productiemethoden voor hoogwaardige monokristallijne siliciumvezels aantrekkelijk zijn voor vezelgebaseerde optische communicatie bij THz-golflengten, waar silicium is geïdentificeerd als het ideale kernmateriaal vanwege zijn unieke lage dempingseigenschappen.