Ontwerp van een telescoopspiegelophanging

Door: Hans van Eerden

Astronomen willen steeds dieper het heelal in kijken, en dus steeds verder terug in de tijd, om de evolutie van ons universum na de big bang te ontrafelen. Daarvoor ontwikkelen ze megatelescopen, zoals de TMT en de ELT, die allebei nog in aanbouw zijn. Hun primaire spiegel meet 30 meter of zelfs 39 meter (ELT), veel te groot om uit één stuk te maken. Dus worden die spiegels opgebouwd uit een groot aantal zeskantige segmenten, 492 voor de TMT en liefst 798 voor de ELT. Al die segmenten moeten qua positie en oriëntatie precies op elkaar aansluiten, onder invloed van wisselende atmosferische omstandigheden en belastingen door temperatuur (dag en nacht), trillingen, wind en zwaartekracht (de hele spiegel kan kantelen). Dat vereist een nauwkeurige constructie van de spiegelophanging en een uitgekiende regeling. De opdracht die TNO kreeg om voor de TMT een ontwerp van die spiegelondersteuning te maken, kwam bij Rob van Haendel terecht. Hij deed daarvoor een beroep op de VanderHoekse constructieprincipes, zoals het strikte denken in vrijheidsgraden en de slimme toepassing van elastische bladveren en sprieten.

‘Whiffletree’

In principe moet een, oneindig stijf veronderstelde, spiegel op drie punten worden ondersteund om de uit-het-vlak-bewegingen statisch bepaald te kunnen voorschrijven. De laterale bewegingen (in-het-vlak) van de spiegel zijn vrij, omdat die geen invloed hebben op de focussering van het gereflecteerde licht. In de praktijk is drie punten echter veel te weinig, want daarvoor is die grote, dunne spiegel veel te slap. In de astronomie lost men dat probleem op met een ‘whiffletree’, een meervoudig vertakte structuur van ondersteuningspunten. Die moet er, in het geval van de TMT, voor zorgen dat de spiegel binnen 18 nanometer vlak blijft. De eis is namelijk dat de onvlakheid van de spiegel (in alle oriëntaties van de telescoop ten opzichte van de zwaartekrachtsvector) een orde kleiner is dan de golflengte van het te observeren licht. Alleen dan behoudt het gereflecteerde licht een uniform golffront, voor een nauwkeurige waarneming.

De whiffletree-ophanging die op achttien punten met de spiegel is verbonden via een parallelle bladveergeleiding (rechts, met uiterst rechts een zijaanzicht). Met drie ‘poten’, de ruitvormige supports onderaan, hangt deze constructie via actuatoren (niet weergegeven) aan de vaste wereld. 

Lichte, stijve sandwich

De eerste ontwerpopgave was de bevestiging van een spiegel(segment) aan de whiffletree. Met een totaal van bijvoorbeeld achttien sprieten die de spiegel vasthouden, is in eerste instantie sprake van een sterk overbepaalde constructie. Daarin kunnen ongewenste spanningen en vervormingen optreden als de spiegel gaat ‘werken’. Voor het ‘ontspannen’ van de constructie ontwierp Van Haendel een parallelle, elastische bladveergeleiding. Die laat de spiegel in de axiale richting en in de radiale richting (van en naar het thermisch middelpunt van de spiegel) ‘ademen’ onder invloed van wisselende belastingen. Alleen in de tangentiale richting legt die bladveer de verbinding tussen een spriet en de spiegel vast.

Voor de onderlinge verbinding tussen telkens drie sprieten ontwierp Van Haendel vervolgens een tussenlichaam, dat zelf ook weer slim geplaatste sprieten bevat die zorgen voor de juiste mate van vrijheidsbeperking. Die tussenlichamen worden met laserlassen bevestigd aan een sandwich van twee dunne platen, waar aan één kant de verbindingspunten voor de spiegel doorheensteken. De sandwich legt de drie in-het-vlak-bewegingen vast. Als een holle doos is deze sandwich lichtgewicht en heeft hij daardoor een lage thermische impact, terwijl tussenschotjes wel zorgen voor voldoende stijfheid in de ondersteuning van de spiegel. Met lijmen wordt het geheel in één keer correct uitgelijnd aan de spiegel bevestigd.

Door de ‘sandwich’ steken de achttien verbindingspunten waar de spiegel op wordt gelijmd. 

Luidsprekerspoel

Aan de basis is de whiffletree-ophanging met drie ‘poten’, elk op een actuator, verbonden aan de ‘vaste wereld’, oftewel de draagconstructie voor de complete spiegel. Deze drie actuatoren besturen de spiegel in de drie vrijheidsgraden die invloed hebben op de focussering van het licht. Dat zijn twee (kantel)rotaties en de translatie loodrecht op het spiegelvlak, ook wel aangeduid als tip, tilt en piston. Voor de actuatie paste Van Haendel het magnetische luidsprekerspoelprincipe (‘voice-coil’) toe. De motor voerde hij licht uit, om die zo weinig mogelijk verstorende warmte in de constructie te laten inbrengen. Dat was mogelijk met een hefboomconstructie, overbrenging 1:4, die de motor toch voldoende kracht laat leveren. Bovendien zorgt die hefboom voor een gebalanceerde, massaneutrale ophanging, waardoor de wisselende invloed van de zwaartekracht, afhankelijk van de oriëntatie van de spiegel, is geneutraliseerd. Ook dat voorkomt de behoefte aan meer motorvermogen. Voordeel is verder nog dat de hefboom de stijfheid van de actuator kwadratisch vergroot, met een factor 16 dus. Het ontwerp van de actuator bevat weer diverse elastische geleidingen en een tussenlichaam om de juiste, statische bepaalde constructie te definiëren.

Kruisveerscharnier

Laatste uitdaging voor Van Haendel was de verbinding van een actuator met een poot van de whiffletree. Daarvoor ontwierp hij een elastisch element, een kruisveerscharnier, dat in precies één graad van vrijheid de whiffletree aanstuurt. Hij bedacht een speciale variant om de levensduur van de bladveertjes in dat element te maximaliseren, door ze geen belastende s-bochten te laten vertonen bij verdraaiing van het scharnier maar ‘netter’ en eenvoudiger te laten buigen. Daarbij zijn de elastische elementen in het midden verdikt, om knikken tegen te gaan. Dit scharnier is bijna volledig uit één stuk gehard metaal te vervaardigen, met draadvonken. Alleen moeten nog twee parallelle bladveertjes als verbindingsplaatjes worden aangebracht, om de nog aanwezige overbepaaldheid op te heffen en precies de juiste graad van vrijheid vast te leggen. Deze constructie is heel stijf in de verticale richting en kan een relatief grote slag maken, in de orde van millimeters bij een afmeting van ongeveer 30 mm x 30 mm. Met een prototype van de actuator, inclusief gedraadvonkt kruisveerscharnier, toonde Van Haendel een positioneringsnauwkeurigheid van 5 nanometer aan.

Ontwerp van de actuator (links), met de hefboomarm waarin zich het elastische kruisveerscharnier (midden en rechts) bevindt dat een spiegelpoot aandrijft. Twee parallelle verbindingsplaatjes (aan voor- en achterzijde) zorgen ervoor dat het scharnier precies de juiste graad van vrijheid heeft. 

‘Spannend verhaal’

Anno 2020 is Van Haendel trots op zijn werk – "Het beheer van de vrijheidsgraden is supermooi opgelost" – en in 2007 was de jury voor de Wim van der Hoek Award al onder de indruk: "Het gaat aan de ene kant over nauwkeurigheden van nanometers van spiegeldelen. Het gaat over levensduur van vele jaren en totale massa’s van tonnen. Deze combinatie ademt veel interdisciplinair overleg in de begintijd en vooral vrije gedachten over waar het nu even precies over gaat. Mechanica, thermisch gedrag, windbelasting en turbulentie. Variaties in de vorm doordat de richting van de zwaartekracht verandert. Vermijden van speling en toleranties. Dit verslag leest als een spannend verhaal." Van Haendel in reactie: "Ik vind het leuk om te vertellen hoe een constructie tot stand komt en met collega’s daarover te discussiëren. Hoe de krachtdoorleiding plaatsvindt, hoe warmte wordt overgedragen en wie er ‘praat’ met wie – constructie-elementen hebben we het dan over. Dat heb ik aan de TU Eindhoven geleerd van Nick Rosiëlle, het was de kern van het wekelijkse maandagoverleg bij hem."

In beeld voor ELT

Het bekroonde werk is uiteindelijk niet doorgedrongen tot het definitieve TMT-ontwerp, onder meer vanwege gewijzigde ontwerpeisen en het dure draadvonken van het kruisveerscharnier. Wel wekte het de interesse van ESO (European Southern Observatory), de ontwikkelaar van de ELT, die op een bergtop in Chili gaat verrijzen. "Door een presentatie van Rob zijn wij bij ESO in beeld gekomen en speelt Nederland nu een belangrijke rol in deze wereld van de astronomie", zegt Jan Nijenhuis, senior system engineer bij TNO. "Tot dan toe was een Spaanse partij de gedoodverfde leverancier van de ophanging voor dergelijke spiegeltelescopen. Dankzij Rob’s werk hebben wij ook kunnen aanbieden en tot twee keer toe van die Spanjaarden gewonnen. Wij hebben toen bij TNO het ontwerp van de spiegelophanging voor de ELT mogen maken. Dat werd niet een uitwerking van Rob’s TMT-ontwerp, want de eisen voor de ELT waren nog weer strenger."

Astronomische order

Bij de TMT International Observatory is TNO ook nog altijd betrokken, meldt Fred Kamphues, die vele jaren voor TNO werkte en sinds 2014 als senior opto-mechanical engineer aan de TMT-organisatie is verbonden. "Nauwe samenwerking is bij dit soort projecten altijd een win-winsituatie. Zo heeft TNO onlangs de optische prestaties van de primaire TMT-spiegel sterk kunnen verbeteren, met een nieuw ontwerp voor de laterale support. Dit was een idee van Jan Nijenhuis dat het voor de ELT niet haalde, maar uitstekend aansloot op de TMT-eisen."

Voor de ELT werkte TNO het definitieve ontwerp van de spiegelophanging uit in samenwerking met VDL ETG, dat in 2018 de aanbesteding voor de productie won. Dat betreft 798 stuks plus nog zo’n 150 voor onderhoud en vervanging. Het is de grootste astronomische order ooit voor de Nederlandse industrie, goed voor tientallen miljoen euro’s. Zo heeft Rob van Haendel indirect een mooie basis gelegd voor Nederlandse bijdragen aan megatelescopen zoals de ELT, ‘the biggest eye on the sky’.

Het definitieve ontwerp door TNO en VDL ETG van de spiegelophanging voor de ELT, die VDL ETG nu gaat fabriceren in een oplage van bijna 950 stuks.