Scherpstellen met 5316 motoren (video)

De European Extremely Large Telescope (E-ELT) moet in 2030 – volg hier hoe de bouw vordert – haarscherpe beelden van het heelal op gaan leveren. Maar daar moet je wel wat voor doen.

Want die scherpe plaatjes dankt de telescoop niet aan die grote spiegel met een diameter van 39 m maar aan een adaptieve spiegel, die van vorm en positie kan veranderen. En daarachter gaan 5316 ‘voice coil’-motoren schuil.

Scherpstellen

De adaptieve spiegel is nodig om het beeld dat binnenvalt op de primaire spiegel van de ELT scherp te krijgen. Het beeld van de grote spiegel is dat namelijk niet en dat wordt veroorzaakt door trillingen in de atmosfeer. Die turbulentie zorgt ook voor die twinkelende sterretjes. Leuk als je in een romantisch bui bent, maar als astronoom heb je niets aan dat eigenlijke wazige beeld.

De hoeveelheid atmosferische turbulentie en de afwijking die dit veroorzaakt wordt gemeten met behulp van lasers. De adaptieve spiegel corrigeert op basis van die hieruit afgeleide afwijking voortdurend de positie en vorm van de spiegel. Hiervoor worden de ‘voice coil’-motoren, een type lineaire motoren, als actuator gebruikt.

‘Moving magnet’

De actuatoren met onderling een steek van 30 mm zijn van het type  ‘moving magnet’. De vaste spoel rondom een koelvinger is op een ‘cold plate’ bevestigd om een zo constant mogelijk temperatuur te garanderen en de mechanische ondersteuning. De magneten zijn op de achterkant van de adaptieve spiegel gelijmd. De (ESO-ELT M4-)spiegel van speciaal glas en met een diameter van 2,4 m  en een dikte van 1,9 mm zweeft op een elektromagnetisch veld en heeft geen mechanisch contact met de actuatoren. De stroom door de spoel in combinatie met het magnetisch veld bepaalt de kracht die door de actuator wordt geleverd en zo de positie en vorm van de adaptieve spiegel

16x scherper dan Hubble

De adaptieve spiegel is gebouwd door Microgate in samenwerking met ESO (European Space Observatory). De engineers van Microgate hebben ook het besturingssysteem voor de voice coil-actuatoren ontwikkeld. Ongeveer 70.000 per seconde wordt met nanometernauwkeurigheid bij elke actuatorpositie de afstand gemeten en vergeleken met de gewenste. Met net zoveel capacitieve positiesensoren als er actuatoren zijn.

Met behulp van elektronische systemen die werken met een frequentie van ongeveer 100 kHz, kan zo de vorm van de spiegel in 1 ms volledig opnieuw worden gedefinieerd. Het resultaat is een extreem scherp en schoon beeld – 16 keer scherper dan van de Hubble Space-telescoop volgens ESO. Zonder dat je daar een telescoop voor de ruimte in moet sturen.

Vermogensmodules

Voor de adaptieve optiek is het wel cruciaal dat alle oppervlakken dicht bij de omgevingstemperatuur worden gehouden om plaatselijke turbulentie te voorkomen. De uitdaging voor het voedingsysteem om de actuatoren te besturen wordt nog groter door de beperkte beschikbare ruimte.

Microgate heeft daarom gekozen voor DCM3623 DC-DC converter-vermogensmodules van Vicor. De printplaat van het voedingssysteem is gemonteerd aan de onderkant van de gasgekoelde koude plaat en elke module voorziet maximaal 36 motorkanalen van stroom, zodat complexe bedrading overbodig is.

“Vicor’s modules met hoge efficiëntie en hoge vermogensdichtheid zijn zeer compact en betrouwbaar, en nemen zeer weinig ruimte in op de printplaat,” zegt Gerald Angerer, hardware-engineer bij Microgate. “Deze geminiaturiseerde stroomconverters zijn de beste optie voor ons. We gebruiken ze al meer dan 10 jaar en er is momenteel geen vergelijkbaar alternatief.”