Hoe vervorm je de spiegels van een gigantische telescoop
Credit – TMT International Observatory
De spiegelsegmenten van de nieuwe Thirty Meter Telescope (TMT) zijn ontworpen om een uitzonderlijk hoge nauwkeurigheidsgraad te kunnen behalen. Maar tijdens gebruik van de telescoop kan het gebeuren dat ze dynamisch vervormd moeten worden om minuscule optische afwijkingen te corrigeren, bijvoorbeeld wegens verstoringen door omgevingsfactoren. Samen met TNO en S&T gaat Technolution Advance de uitdaging aan om regelelektronica te ontwikkelen voor het testen en valideren van de steunmontering voor TMT-spiegelsegmenten.
De Thirty Meter Telescope (TMT) behoort tot een nieuwe generatie zeer grote telescopen die verder dan ooit in de ruimte kunnen kijken en met ongekend scherpe precisie objecten in de kosmos kunnen waarnemen. Met een lichtverzamelingsgebied van 665 vierkante meter en ondersteuning van de allernieuwste adaptieve optische technologie om atmosferische omstandigheden te kunnen corrigeren bij het eerste licht, zal deze telescoop beelden van de ruimte opleveren met een resolutie die wel twaalf keer hoger ligt dat die van de Hubble Space Telescope.
De hyperboloïde hoofdspiegel van de TMT zal komen te bestaan uit 492 aparte, hexagonale spiegelsegmenten van spiegelglas. Elk segment wordt gemonteerd op een aparte segmentsteunmontering (segment support assembly, SSA) die het segment op zijn plaats houdt. Elk SSA heeft een warping harness-systeem dat het optisch oppervlak van het spiegelsegment kan aanpassen.
Elk warping harness is uitgerust met 21 motoractuatoren, die bladveren net genoeg druk laten uitoefenen op de spiegel om de optische afwijking te kunnen corrigeren. Bovendien heeft elk harness 27 spanningsmeters, één voor elk punt waar de spiegel raakt aan de draagstructuur. De krachtmetingen van deze 27 sensoren kunnen gebruikt worden om de optische invloed van de actuatoren op het spiegelsegment te modelleren en om te controleren dat de draagstructuur goed werkt.
Voordat een SSA geïntegreerd kan worden met een spiegelsegment wordt er eerst een SSA-testsysteem gebruikt om de goede werking van de SSA te controleren. Technolution Advance ontwerpt momenteel de besturingselektronica voor dit SSA-testsysteem. Dit systeem zal de metingen van de spanningsmeter analyseren en verwerken en de motoractuatoren in het warping harness aansturen. De besturingselektronica wordt verdeeld over drie behuizingen rond het SSA-testsysteem.
De vereisten
De TMT wordt ontwikkeld door TMT International Observatory (TIO), een non-profitorganisatie die wetenschappelijke instellingen uit de hele wereld samenbrengt. Het was al snel duidelijk tijdens de eerste gesprekken met TIO en onze partners TNO en S&T dat meer onderzoek en informatie nodig was ten aanzien van de specificaties voor de warping harness-regelaars. Elektronische systemen voor geavanceerde metrologische en besturingstaken in zulke complexe en gevoelige omgevingen moeten uiteraard aan een hele reeks strak-gedefinieerde specificaties voldoen. Maar als alle vereisten gedefinieerd worden tegen de grens van wat technisch mogelijk is, dan loop je het risico dat de werkoplossing niet optimaal zal zijn. In een wetenschappelijke context zoals de TMT (en trouwens in elke complexe systeemengineeringscasus) moet het verlangen om de eindresultaten optimale of zelfs perfecte fysieke en elektronische eigenschappen te geven altijd afgewogen worden tegen de praktische implicaties.
Er is een lange lijst zeer specifieke vereisten voor de regelaars van het SSA-testsysteem van de TMT, bijvoorbeeld ten aanzien van warmtebeheer. Hoge nauwkeurigheid is vereist voor de vervormingsmetingen om de spiegelvorm goed te kunnen regelen. Voor het SSA-testsysteem is het belangrijk dat de nauwkeurigheid van de vervormingsmetingen minstens op hetzelfde niveau ligt als de operationele nauwkeurigheid. Een andere kwestie is hoe de spanningsmeters uitgelezen kunnen worden zonder verstoringen te veroorzaken, en hoe die metingen zich precies verhouden tot de vereiste bewegingen van de motoractuatoren.
Deze kwesties en nog veel meer zullen opgelost moeten worden. In elk complex systeemengineeringsproject moeten alle betrokken partijen een helder idee hebben van de benodigde onderdelen, hun specificaties en vereisten, de verbanden en interfaces tussen onderdelen en van wie verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van welk onderdeel van het systeem. Een ding is zeker: de ontwikkeling van elk onderdeel staat voor allerlei uitdagingen. Daarom is het vaak niet mogelijk om al aan het begin van het project definitieve vereisten en specificaties te hebben.
Metrologische oplossingen
Een open dialoog en een constructieve houding zijn essentieel om de ambitieuze eisen van TIO te kunnen omzetten in haalbare specificaties, en uiteindelijk in een waardevol systeem dat de verwachte resultaten kan behalen. Wij beschouwen het proces van het omzetten van basisbeginselen in concrete specificaties als een cruciaal aspect van systeemengineering in complexe ontwikkelomgevingen. Bij Technolution Advance hebben we dit proces eerder succesvol doorlopen bij de ontwikkeling van een gegevensverwervingsmotor voor de Fast-EM multibeam rasterelektronenmicroscoop en van het regelsysteem van Nearfield Instruments’ innovatieve atoommicroscoopscanner voor halfgeleiders. Twee vergelijkbare, meer recente projecten zijn een regel- en gegevensverwerkingseenheid voor microsatellieten en testuitrusting voor optische en elektrische testen van fotonische geïntegreerde schakelingen. Dit waren allemaal complexe systeemengineeringsprojecten met meerdere partners, die zeer geavanceerde metrologische uitdagingen het hoofd moesten bieden.
De TMT is een uniek en interessant project voor ons, omdat het zowel over microns als over lichtjaren gaat. Zoals in elke wetenschappelijke onderneming definiëren de wetenschappers de telescoop met ideale afmetingen en specificaties. Voor ons als technici is het altijd weer de uitdaging om met beide benen op de grond te blijven staan en een systeem af te leveren dat voldoet aan die hoge verwachtingen, zonder het zicht te verliezen op de praktische implicaties van elke beslissing die genomen wordt. Daarbij komen de basisbeginselen van systeemengineering heel goed van pas. En goede communicatie tussen de partners is misschien nog wel belangrijker.
Het warping harness aansturen
Actuatoren regelen terwijl je nauwkeurige en reproduceerbare metingen verricht in hetzelfde apparaat – een hele uitdaging, waarbij allerlei belangen in evenwicht gehouden moeten worden. Thermische en elektrische stabiliteit zijn vereist om nauwkeurige en reproduceerbare metingen te doen, terwijl het regelen van actuatoren warmte en elektrische verstoring produceert die de omliggende elektronica, en dus de metingen, in de war kunnen brengen.
Spanningsmeters worden normaal gesproken uitgelezen in een brugconfiguratie met een zeer klein spanningsuitgangssignaal. Spanningsvariaties op de spanningsmeterbrug als gevolg van het aansturen van de actuatoren hebben invloed op de metingen en moeten dus zoveel mogelijk voorkomen worden. Deze zogenaamde ‘common-mode rejection ratio’ (die zichtbaar is in de differentiële meetingang) is een maat voor hoe gevoelig het meetinstrument is voor verstoringen van de energietoevoer.
Om maximale nauwkeurigheid te kunnen realiseren worden de actuatoren in de regelkasten in een nieuwe, stabiele positie gebracht voordat de metingen in de TMT-valuatiemodule worden uitgevoerd, zodat ze tijdens het meetproces niet aangestuurd hoeven te worden. Dit beperkt ook de energiedissipatie in de regelkast, zodat de opwarming van het apparaat en de thermische drift van de meetelektronica gereduceerd worden.
De validatietoepassing gebruikt een algemeen besturingscommando-interface om de verstelling van actuatoren naar nieuwe posities aan te sturen en bepaalt ook de meetmomenten. De warping harness-regelaar heeft normaal gesproken een keten van drie regelkasten nodig om in totaal 21 actuatoren te kunnen aansturen vanuit een centrale testopstelling.