Met een ballon naar de rand van de ruimte

"Terahertz-straling is een enorme bron van informatie voor astronomen", zegt Jian Rong Gao, themaleider Space Sensing bij het TU Delft Space Institute en hoofd van de Cryogenics Instrument Section bij SRON-Utrecht. "Vanwege de lange golflengte kan deze straling grote afstanden door het universum afleggen zonder dat het door interstellair stof verstrooid wordt. Nadeel is dat hij eenvoudig geabsorbeerd wordt door waterdamp. Omdat de aardatmosfeer veel waterdamp bevat, kan je het niet vanaf de grond waarnemen, maar alleen vanaf grote hoogte."

De aankomende Gusto-missie van Nasa brengt drie detectoren tot op de rand van de ruimte. Elk van deze detectoren is specifiek ontworpen om een enkele emissielijn van de elementen zuurstof, koolstof en stikstof waar te nemen. De aanwezigheid van deze elementen in het interstellaire gas geeft inzicht in het ontstaan en de ondergang van ster-vormende gaswolken, en vertelt daarmee de levensgeschiedenis van sterrenstelsels. "Wij, hier in Nederland, konden als enigen de detectoren voor deze ballonmissie leveren. Ze vormen de ontknoping van twintig jaar aan onderzoek."

Technologie-gat

Terahertz-straling – ook bekend als ver-infrarood – valt tussen microgolven en zichtbaar licht. Omdat deze laatste twee veel toepassingen kennen in het dagelijks leven, is de technologie voor de detectie en het verwerken ervan veel verder ontwikkeld. Denk aan (auto)radar en televisiesignalen en de camera van je mobieltje. Het gebrek aan toepassingen voor terahertz-straling heeft geleid tot wat wel het terahertz technologiegat heet. "We hebben voortdurend moeten strijden voor financiering van ons onderzoek, om technische vooruitgang te kunnen boeken", zegt Gao.

Een terahertz (1 THz) komt overeen met duizend miljard oscillaties per seconde. Straling in het ver-infrarode bereik van het elektromagnetisch spectrum heeft frequenties tussen de 0,3 en 20 terahertz. GUSTO meet specifieke emissielijnen van geïoniseerd stikstof (1,4 THz), elektrisch neutraal koolstof (1,9 THz) en elektrisch neutraal zuurstof (4,7 THz).

Op de rand van succes

Elk van de drie Gusto-detectoren maakt gebruik van een indirecte techniek voor het waarnemen van terahertz-straling. Deze techniek wordt al sinds de jaren vijftig gebruikt in de astronomie. Door het invallende licht te mixen met een referentie-lichtbron, wordt het terahertz signaal naar het microgolfbereik geconverteerd. Hier is de technologie geavanceerd genoeg voor verdere verwerking van het signaal. "Wij waren de eersten die een detector tot aan de rand van de ruimte brachten voor het waarnemen van de zuurstof-emissielijn", zegt Gao. Dat was tijdens een ballonmissie in 2016, met de STO2, die als verkenningsvlucht diende voor de latere Gusto-missie. "De referentie-lichtbron voor de zuurstof-emissielijn was als laatste aan deze STO2-missie toegevoegd. De eerste tests na lancering toonden aan dat alles naar behoren werkte. Maar het STO2-consortium wilde geen risico nemen met de twee belangrijkste detectoren, die voor het waarnemen van stikstof en koolstof. Ze zetten de referentie-lichtbron voor zuurstof uit tot de laatste paar dagen van de missie. Toen had een internetconnector, die niet door ons was aangeleverd, het door de lange blootstelling aan zonlicht begeven. We hebben uiteindelijk dus geen metingen kunnen uitvoeren."

De Melkweg in kaart brengen

De STO2-missie was desalniettemin een succes en aanleiding voor Nasa om de Gusto-missie te financieren. Met het slagen voor de Critical Design Review, vorig jaar, heeft Nasa de missie het definitieve groene licht gegeven en zelfs Covid-19 kan geen roet meer in het eten gooien.

Doel van de missie is om een groot deel van de Melkweg en de Grote Magelhaense Wolk – een naburig sterrenstelsel – in kaart te brengen. Om dit proces te versnellen, bestaan de Gusto-detectoren uit acht pixels, in plaats van de enkele pixels van de STO2-missie. "In het lab kunnen we elke detector bouwen die we maar willen, maar voor Gusto moesten we aan strikte missievereisten voldoen. De zonnepanelen van de telescoop beperken het energieverbruik. We moesten ook de betrouwbaarheid en de prestaties van onze detectoren tegen elkaar afwegen, rekening houdend met een beperkt budget en een strakke tijdslijn."

Een langdurende samenwerking

De ontwikkeling van de zuurstofdetector wierp de grootste drempels op wat betreft terahertztechnologie. Voor het bouwen van de referentie-lichtbron werkten TU Delft en SRON samen met de groep van professor Qing Hu van het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Gao: "Ik ontmoette hem zo’n vijftien jaar geleden toen hij op een congres een poster presenteerde over iets dat nieuw en veelbelovend was – een zogenoemde quantum cascade laser. We besloten tot samenwerking, waarbij we zijn lasers met onze detectoren combineerden. Toen we twee jaar later onze eerste resultaten presenteerden, raakten we aan de praat met professor Christopher Walker, een visionair op het gebied van ruimteobservatie. We begonnen meteen een instrument te schetsen dat, heel veel later, uitmondde in de detectoren voor de STO2 en Gusto missies – beiden geïnitieerd en geleid door Walker."

Quantum cascade laser

Quantum cascade lasers zijn de enige lasers die binnen het terahertz frequentiebereik een zeer zuiver signaal van de gewenste intensiteit kunnen leveren. Ze zijn ook zeer compact en gebruiken zelf relatief weinig energie. De lasers bestaan uit ultradunne, afwisselende lagen halfgeleidermateriaal die atoomlaag voor atoomlaag worden opgebouwd. Dankzij de kwantummechanica ervaren elektronen in dit materiaal een trapachtige reeks van energieniveaus. Elke keer als het elektron een stap neemt, kan het een foton uitzenden. De energie van deze fotonen hangt alleen af van de afstand tussen de verschillende dunne lagen en kan daarmee met grote nauwkeurigheid worden afgeregeld. Gao: "De groep van MIT heeft met veel moeite de opbouw van de laser precies op onze detectorvereisten kunnen afstemmen."

Links de twee detector arrays voor het meten van de emissielijnen van stikstof en koolstof. Elke lens is ongeveer een centimeter in doorsnede. Rechts de achterkant van een van deze detectoren, met de detectorchips die op de achterkant van de lenzen zijn gelijmd.

Laserbundel opsplitsen

De laatste uitdaging bij het bouwen van de zuurstofdetector was om de laserbundel op te splitsen in acht identieke bundels, zodat deze elk voor een van de acht pixels als referentie-lichtbron kon dienen. De onderzoekers van TU Delft en SRON ontwikkelden hiervoor een zogenoemde phase grating. "Eenvoudig gezegd is dit een reflecterend oppervlak met daarin talloze groeven. Die hebben een specifieke vorm, grootte en afstand tot elkaar en toveren, als het ware, een enkele bundel om in meerdere bundels."

Het idee achter phase gratings is al tien jaar oud, maar de technologie was, wederom, nog niet tot in het terahertzbereik ontwikkeld. Gao: "We wilden hiervoor samenwerken met een Duitse onderzoeksgroep die de oorspronkelijke phase grating voor lagere frequenties hadden gemaakt, maar zij werkten al aan een concurrerend instrument voor in een Boeing 747." Maar bij een nieuwjaarsontbijt in de Aula ontmoette Gao professor Paul Urbach, die zei dat hij een promovendus had die aan iets vergelijkbaars werkte. Gao: "Ruimtevaartontwikkelingen duren typisch heel lang. We grappen vaak dat we hopen nog in leven te zijn tegen de tijd dat onze technologie eindelijk wordt gelanceerd. Maar de promovendus van Urbach, en een masterstudent onder mijn supervisie, begonnen pas zes jaar geleden aan de ontwikkeling van de phase grating. En nu gaat die technologie met de GUSTO-missie naar de ruimte."

Gao is er niet helemaal gerust op, ook al hebben alle testen in het lab laten zien dat de phase grating precies volgens ontwerp functioneert. "Ik weet zeker dat het werkt, maar we moeten nog maar zien of we er exact mee bereiken wat we willen." Volgens planning zal Gusto in december 2021 vanaf Antarctica gelanceerd worden en een hoogte van zesendertig kilometer bereiken. Onder invloed van een lokaal weerfenomeen – de Antarctische anticycloon – zal de ballon een spiraalvormig traject afleggen om uiteindelijk na honderd dagen in de oceaan te vallen. "Gusto zal niet geborgen worden", zegt Gao. "Degenen bij de lancering zullen de laatsten zijn die hem zien. Ik ben zelf al op Antarctica geweest voor de lancering van STO2. Misschien dat deze keer een van de jonge, talentvolle onderzoekers van TU Delft of SRON de lancering kan meemaken en onze detectoren kan uitzwaaien."

Bron: TUdelft / stories