Van lichtzeil naar sensor

In het Starshot project werd vorig jaar onderzocht hoe een ruimtevaartuig met ultralichte lichtzeilen naar het dichtstbijzijnde sterrenstelsel kan worden gestuurd. Nu gaat Richart Norte (TU/D) deze technologie omzetten in een praktische sensortechnologie.

Onderzoekers van TU Delft en Brown University lieten in Starshot zien hoe nieuwe materialen en productietechnieken leiden tot de dunste en grootste reflectoren die ooit gemaakt zijn. “Dit project bracht ons tot aan de grenzen van wat fysisch mogelijk is,” zegt Norte. “Het resulteerde in een werkelijk unieke nanostructuur: een zeil dat ongeveer duizend keer dunner is dan een mensenhaar, maar toch een relatief groot oppervlak heeft vergeleken met wat andere onderzoeksgroepen wereldwijd hebben bereikt.” De onderzoekers brachten in deze zeilen ongeveer een miljoen microscopische gaten aan, wat zorgt voor uitzonderlijke optische eigenschappen.

Een nieuwe generatie sensoren

Juist die eigenschappen maken de technologie interessant voor sensortoepassingen. De membranen kunnen met zeer grote stabiliteit en precisie trillen, waardoor extreem kleine krachten en bewegingen meetbaar worden bij kamertemperatuur.

“Onze sensoren kunnen krachten meten op het atto Newton niveau. Dat is vergelijkbaar met de zwaartekracht tussen twee mensen die zich op 1000 kilometer afstand van elkaar bevinden, gemeten in slechts één seconde. Voor dit soort gevoeligheid moeten sensoren normaal gesproken worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt”, aldusNorte.

Toch blijven dit soort systemen voorlopig vooral beperkt tot gespecialiseerde laboratoria. Dat ligt niet aan het materiaal zelf, maar aan de manier waarop het wordt toegepast. De huidige opstellingen vereisen een uiterst precieze uitlijning van spiegels, die handmatig door experts moet gebeuren. Dat maakt ze kwetsbaar, lastig reproduceerbaar en ongeschikt voor grootschalige toepassing.

Van labopstelling naar compact apparaat

Met de onlangs verkregen ERC Proof of Concept beurs willen Norte en zijn collega’s dat knelpunt aanpakken. Ze richten zich op de ontwikkeling van compacte, geïntegreerde sensoren waarin de optische componenten direct in de structuur zijn verwerkt. Daardoor vervalt de noodzaak van handmatige uitlijning en worden de systemen robuuster en beter schaalbaar.

Een belangrijke toepassing ligt bij zeer nauwkeurige versnellingsmeters. “Accelerometers worden steeds belangrijker voor de inertiële navigatie, op basis van beweging en versnelling, van hoogwaardige voertuigen zoals vliegtuigen en schepen, vooral in situaties waarin GPS kan worden verstoord. Door versnellingen in drie dimensies nauwkeurig te meten, kunnen deze systemen hun positie bepalen zonder afhankelijk te zijn van GPS.”

Met Compact Q, zoals het project heet, zetten de onderzoekers een stap om deze specialistische labtechnologie om te vormen tot een compact en produceerbaar platform. Daarmee kan de deur worden geopend naar een nieuwe generatie sensoren.

Binnen het project worden de compacte sensoren uitgebreid getest en gevalideerd. De prestaties worden beoordeeld op onder meer gevoeligheid, formaat, robuustheid en verpakking, inclusief gebruik in vacuümomstandigheden. Op basis daarvan bepalen de onderzoekers welke ontwerpen het meest kansrijk zijn voor toepassingen in de praktijk en hoe ze richting commercialisatie kunnen worden gebracht.