Nederlandse sensortechnologie verlegt grenzen voor Einstein Telescope
Big-science project Einstein Telescope gebruikt supernauwkeurige spiegels om grenzen te verleggen voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven. Om uiterst nauwkeurige metingen mogelijk te maken, moeten deze spiegels zo goed mogelijk worden afgeschermd van trillingen uit de omgeving en dus ‘trillingsvrij’ zijn. Extreem gevoelige sensoren zijn nodig om dat te kunnen garanderen. Daaraan werkt het SENVIDET-consortium (Sensor Engineering for Noise and Vibration Isolation and Damping in Einstein Telescope), specifiek voor laagfrequente trillingen.
Drie mkb-bedrijven, Somni Solutions, Innoseis Sensor Technologies en Quantified Air, doen de sensorontwikkeling en drie grote partners, Nikhef, Demcon HTS en VSL, ondersteunen met systems engineering en validatie. Het project wordt mede mogelijk gemaakt door financiering vanuit het Nationaal Groeifonds. Een aantal belangrijke mijlpalen zijn inmiddels bereikt. Zo heeft Somni Solutions aangetoond dat hun eerste sensorprototype werkt. En Nikhef heeft sinds kort de ‘OmniSens 6D’ seismische-isolatie-opstelling in werking voor het testen van sensoren. Intussen loopt de sensorontwikkeling door en worden de ontwikkelde sensoren nog getest in hoog vacuüm.
Deze mijlpalen zijn belangrijk op de route naar ‘trillingsvrij’, een van de cruciale eisen voor het detectieprincipe van de Einstein Telescope (ET). Dat berust op interferometrie: de wisselwerking tussen laserstralen uit verschillende richtingen die zich tussen spiegels heen en weer voortplanten. Voor de vereiste zeer hoge nauwkeurigheid moeten die spiegels zo goed als stilstaan. In de praktijk bewegen (trillen) ze echter als gevolg van allerlei verstoringen, van menselijke en seismische activiteit tot thermische en kwantumruis. In een uitgekiende meertrapsophanging die de spiegels isoleert van bodemtrillingen moeten ze actief op hun plek in stilstand worden gehouden. Dat kan alleen als elke minimale verplaatsing tot op een miljardste meter of een miljardste hoekgraad nauwkeurig kan worden gemeten. Voor snelle, hoogfrequente trillingen zijn al geschikte sensoren beschikbaar, maar voor laagfrequente nog niet. Die zijn wel nodig, want ET gaat niet alleen bij hogere frequenties zwaartekrachtgolven waarnemen, zoals de vorige generatie detectoren al vele jaren doet, maar ook bij lage frequenties. In het bereik van 1-10 Hz kunnen wetenschappers namelijk nog meer kosmologische processen en zwaardere astronomische objecten ‘zien’.
Drie sensor-mkb’ers, drie grote partners
De uitdaging van SENVIDET is laagfrequent én supergevoelig meten, vertelt Hedde van Hoorn, Senior Project Lead bij Somni Solutions en consortiumcoördinator. “Wij willen nu echt onder de 3 Hz gaan meten en daar hebben we nieuwe sensoren voor nodig.” Binnen het SENVIDET-project worden verbeterde optische sensoren ontwikkeld op basis van glasvezeltechnologie en interferometrie – niet alleen ET als geheel maar ook onderdelen van ET gebruiken deze geavanceerde en veelzijdige meettechniek. Het onderzoek is gericht op het terugdringen van het ruisniveau van de sensoren bij lage frequenties. Drie mkb-bedrijven (Innoseis Sensor Technologies, Quantified Air en Somni Solutions) doen de sensorontwikkeling en drie grote partners bieden ondersteuning. Het gaat om sensoren voor rotatie (Innoseis) en translatie (Somni), terwijl Quantified Air werkt aan een nieuwe interferometrische techniek voor het uitlezen van de rotatiesensoren. Demcon HTS Delft leidt de systems engineering: sensoren op de juiste plek zetten en integreren in het regelsysteem dat de spiegels in stilstand moet houden. VSL werkt als Nationaal Metrologisch Instituut aan de ontwikkeling van de noodzakelijke kalibratie, want ook daar ligt een grote uitdaging. Nikhef functioneert als spin-in-het-web met kennis en overzicht van wat nodig is voor ET. Daarbij werkt Nikhef nu met de nieuwe OmniSens 6D opstelling voor validatie: aantonen dat de sensoren doen wat ze moeten doen.
Foto Hedde van Hoorn (Somni Solutions): “Ik ben er trots op dat we als relatief kleine partijen de fundamentele ontwikkeling in eigen huis kunnen doen. Het is echt state-of-the-art wat hier in Nederland gebeurt.”
Sensor met extreem laag ruisniveau
De ontwikkeling van Somni betreft een inertiële sensor: met een accelerometer wordt verplaatsing in twee richtingen tegelijk gemeten. De sensor gebruikt uitsluitend glasvezels, dus hiervoor is geen elektronica nodig in ET. Daarbij moeten uiteindelijk extreem kleine trillingen gemeten worden, wat zorgt voor uitdagende specificaties. Daarom doet Somni de sensorontwikkeling stapsgewijs, verklaart Van Hoorn. “De eerste versie hebben we inmiddels bij VSL statisch gekalibreerd; daarmee hebben we aangetoond dat de sensor werkt en een zeer hoge gevoeligheid heeft. Dat was best spannend; als je alles aansluit, is het toch afwachten of de sensor de uitlezing geeft die je verwacht. Vervolgens hebben we bij Nikhef de dynamische respons getest; in vergelijking met een seismometer blijkt hij het heel goed te doen. Dat is bemoedigend en zorgt ervoor dat we nu de volgende stap naar een nog lager ruisniveau kunnen zetten. Daarvoor moeten we een nieuwe vorm van uitlezing van de sensor ontwikkelen, want in de huidige versie zit de limiet in de uitlezing van de sensor, niet in de sensor zelf. We moeten voorbij die limiet om aan de specificaties voor ET te voldoen.”
Nederlandse sensortechnologie state-of-the-art
De drie sensorbedrijven zoeken met hun ontwikkelingen de grenzen van de huidige technologie op. Voor het testen leveren zij hun sensorsystemen aan bij Nikhef. De onderzoeksinstelling heeft onlangs in Amsterdam een testopstelling voor hoog vacuüm in gebruik genomen.
Volgens Albert van Dorssen, business developer bij het team Valorisatie Einstein Telescope, zijn de eerste resultaten veelbelovend. “Bij Nikhef zijn ze erg positief over de ontwikkelingen binnen SENVIDET.”
Volgens Van Dorssen was sensortechnologie met de vereiste precisie niet commercieel beschikbaar. “Nikhef heeft wereldwijd gezocht en verschillende commercieel verkrijgbare systemen getest. De Nederlandse partijen binnen SENVIDET ontwikkelen nu technologie die wél aan de vereisten kan voldoen. Dat is technisch zeer uitdagend. Hoewel de bedrijven ieder aan een eigen oplossing werken, zie je dat ze elkaar daarbij inspireren. Ze brengen niet alleen kennis van sensortechnologie in, maar ook ervaring met het industrialiseren ervan: de stap van technologische ontwikkeling naar een product dat daadwerkelijk geproduceerd kan worden.”
Van Hoorn herkent die wisselwerking. “Ik ben er trots op dat we als relatief kleine partijen deze fundamentele ontwikkeling zelf kunnen uitvoeren. Wat hier in Nederland gebeurt, is echt state-of-the-art. Tegelijkertijd leren we veel van elkaar. Bij de ontwikkeling van deze sensoren spelen veel technische vraagstukken. Door die met elkaar te bespreken, helpen we elkaar verder.”
Foto: Set-up met de sensor van Innoseis in de Heimansgroeve, een geschikte omgeving voor testen ten behoeve van ET.
Kansen van kwantum tot kernfusie
Trillingsisolatie speelt een belangrijke rol bij veel geavanceerde toepassingen. Van Dorssen ziet voor de sensortechnologie die binnen SENVIDET wordt ontwikkeld dan ook kansen buiten de Einstein Telescope, onder meer in de halfgeleiderindustrie en de opkomende quantumtechnologie. “De CEO van Somni heeft aangegeven graag aan dit project mee te doen. Door modulair naar de sensortechnologie te kijken, kunnen onderdelen van de ontwikkeling ook worden ingezet in producten voor andere markten.”
Van Hoorn ziet eveneens verschillende toepassingsmogelijkheden. “Een belangrijk voordeel van onze optische sensortechnologie is dat deze niet explosiegevoelig is, zoals elektrische sensoren dat wel kunnen zijn, en bovendien minder gevoelig is voor slijtage.”
Ook kernfusie noemt hij als mogelijk toepassingsgebied. “Onze technologie is geschikt voor extreme omstandigheden, zoals de hoge temperaturen en stralingsniveaus die bij kernfusie voorkomen. Daarnaast kunnen we zeer nauwkeurig seismische trillingen in kaart brengen, bijvoorbeeld voor het monitoren van aardbevingen.”
Ook de Einstein Telescope zelf biedt perspectief. Bij realisatie zijn enkele honderden spiegeltorens nodig, met in iedere toren meerdere sensoren. Van Hoorn ziet de Einstein Telescope echter vooral als een belangrijke omgeving om nieuwe technologie te ontwikkelen en te demonstreren. De financiering vanuit het Nationaal Groeifonds maakt dergelijke technologische ontwikkelingen mogelijk en helpt het bijbehorende ontwikkelrisico te dragen. “Binnen dit project kunnen we nieuwe technologie ontwikkelen waarvoor we zelfstandig niet het budget hebben en het ontwikkelrisico niet kunnen dragen. We hopen dat dit uiteindelijk leidt tot een sensor die we ook voor andere toepassingen op grotere schaal kunnen produceren en verkopen.”
Foto: De Somni-sensor tijdens een test bij Nikhef.
Valorisatie van unieke sensortechnologie
Zo biedt de grensverleggende sensortechnologie tal van kansen voor valorisatie in nieuwe wetenschappelijke en industriële toepassingen. De consortiumleden komen daarvoor graag in contact met geïnteresseerden, die zich kunnen melden bij Albert van Dorssen, albert.van.dorssen@liof.nl, of Hedde van Hoorn, hedde.vanhoorn@somnisolutions.com.