De technologiedomeinen
De bouw en exploitatie van ET zullen veel vooruitgang op het gebied van onderzoek en ontwikkeling en nieuwe technologische ontwikkelingen vereisen. Veel van de benodigde innovaties zullen voortbouwen op het onderzoek dat al is uitgevoerd bij LIGO (Verenigde Staten), VIRGO (Italië), KAGRA (Japan) en andere soortgelijke faciliteiten.
Voor de daadwerkelijke constructie van de Einstein Telescope (in het bijzonder de instrumentatie) zijn vijf technologiedomeinen gedefinieerd die verder worden ontwikkeld door onderzoek en innovatie. De technologiedomeinen zijn:
- Trillingsvrij koelen: ontwikkeling van trillingsvrij afkoelen van spiegels tot een temperatuur van 10-20 K.
- Vacuümtechnologie: kostenbesparingen van het vacuümsysteem en ontwerp van productiefaciliteit en installatiescenario.
- Trillingsdemping: ontwikkeling van optimale combinatie van passieve en actieve trillingsdemping.
- Optica: ontwikkeling van grote Si-spiegels en coating voor toepassing bij een temperatuur van 10-20 K.
- Thermische deformaties: ontwikkeling van technologie om thermisch geïnduceerde deformaties te monitoren en compenseren.
Ontwikkeling van trillingsvrij afkoelen van spiegels tot temperatuur 10-20 K
Waarneming van zwaartekrachtgolven is alleen mogelijk als de versnelling van de spiegels miljarden keren wordt verminderd in vergelijking met de stilste onderzoekslaboratoria.
Hoewel deze uitstekende prestatie met de huidige detectoren bij kamertemperatuur zijn bereikt, brengt de werking onder cryogene temperaturen nieuwe uitdagingen met zich mee en is de controle/beheersing van geïntroduceerde trillingen van cruciaal belang. De geplande strategie voor de koeling van de spiegels is het combineren van cryo-koelers met ultra-lage trillingen, actieve trilling-isolatie van de koude kop van de cryo-koeler en koude overbrengingen met lage stijfheid om deze te verbinden met de cryogene payload.
Er is gekozen voor een mono-kristallijne silicium vezels voor de ophanging van de ET-kernoptieken, omdat dit materiaal de beste prestaties levert in termen van hoog efficiënte warmte-extractie uit de spiegel bij 10K en de laagst mogelijke mechanische demping, een eigenschap die cruciaal is om de wetenschappelijke doelen te bereiken van het project.
Lees verder
Kostenbesparingen van het vacuümsysteem en ontwerp van productiefaciliteit en installatiescenario
Meer in het bijzonder gaat het hier over het armvacuümsysteem dat ongeveer 120 km UHV-buizen met een diameter van 1 m omvat. Het systeem moet minimaal 50 jaar functioneren en onderhoudsarm zijn.
Om de laserstralen die herhaaldelijk reflecteren tussen de testmassa's (spiegels die worden gebruikt om de passage van een zwaartekrachtgolf te detecteren niet te verstoren) moeten de laserstralen zich in een UHV (Ultra Hoog Vacuüm)-systeem bevinden.
De huidige detectoren gebruiken standaard roestvrij staal (AISl304L) en 3-4 km lange, 0,7-0,9 m diameter en 3-4 mm wanddikte lange UHV-buizen voor de armen van de interferometer (= 'arm-vacuüm systeem') met een volume van enkele 1000 m3, ingesteld op 1.E-8 mbar.
Lees verderIndien we deze technologie toepassen op de Einstein Telescope (ET) – waarvoor een ongeveer honderd keer groter volume nodig is en een veel lagere restvacuümdruk van 1.E-10 mbar – zal dit resulteren in een duur armvacuümsysteem.
Met het oog op deze potentieel hoge kosten en ook om te proberen de in-situ uitbrandoperaties te vermijden - of op zijn minst te vereenvoudigen - moeten alternatieve - met name kostenefficiëntere - concepten voor ET's armvacuümsysteem worden bestudeerd.
Gezien het enorme systeem lijkt een productiefabriek ter plaatse, waarbij ook de logistiek wordt geminimaliseerd, wenselijk. Op dezelfde manier moeten de productie en het ondergrondse installatieschema samen worden geoptimaliseerd.
Ontwikkeling van optimale combinatie van passieve en actieve trillingsdemping
Grondtrillingen zijn een belangrijke bron van ruis in laserinterferometer zwaartekrachtgolfdetectoren die zich op- of in het aardoppervlak bevinden. Seismische omgevingsruis, veroorzaakt door natuurlijke micro-seïsme en menselijke activiteiten, zou verplaatsingen van de optica van de interferometers veroorzaken die tien ordes van grootte groter zijn dan het effect dat van zwaartekrachtgolfsignalen wordt verwacht. Om deze reden worden seismische isolatiesystemen gebruikt als mechanische interface tussen de omgeving en de detectoroptiek.
Seismische isolatoren zijn Ultra-Hoog-Vacuüm (UHV)-compatibele complexe mechatronische systemen die belangrijke functies vervullen.
In de Einstein Telescope brengt de uitbreiding van de waarnemingsband van zwaartekrachtsgolven tot 3 Hz serieuze technologische uitdagingen met zich mee, door een prestatieverbetering van enkele ordes van grootte te vereisen ten opzichte van de modernste laagfrequente trilling isolatietechnieken.
Lees verder
Ontwikkeling en demonstratie van grote Si-spiegels en coatings voor toepassing bij 10-20K
Een van de unieke kenmerken van de Einstein Telescope is het gebruik van cryogeen gekoelde spiegels om de detectiesnelheid voor lage zwaartekrachtgolffrequenties (onder 20 Hz) aanzienlijk te verbeteren door de thermische ruis in met name de spiegelcoatings en ophangingen te verminderen. Kristallijn silicium, een bekend materiaal uit de halfgeleiderindustrie, is hiervoor ideaal.
Betreffende het kristallijne siliciumsubstraat of blok, moet de bulkabsorptie van het laserlicht dat de spiegels opwarmt beneden ongeveer 5 ppm/cm worden gehouden om de spiegels, met name bij 20 K-operatie, op een stabiele cryogene temperatuur te kunnen houden.
Lees verderDe polijstspecificaties van het silicium zullen vergelijkbaar zijn met de zeer veeleisende eisen die momenteel worden gehaald met gesmolten silica voor de LIGO- en Virgo-observatoria.
Polijstprocessen die dezelfde specificaties op siliciumsubstraten kunnen opleveren, zullen moeten worden onderzocht en hun kwaliteit moet worden bewezen door middel van geschikte metrologie, inclusief parameters zoals doorgegeven golffrontvervorming en absorptie. Gezien de verschillende golflengten en gezien de operatie bij cryogene temperatuur moeten geheel nieuwe meerlaagse coatings worden ontwikkeld. Dit is waarschijnlijk een van de meest uitdagende kwesties met betrekking tot de spiegels en een actueel onderzoeksgebied in de wereldwijde onderzoeksgemeenschap op het gebied van zwaartekrachtgolven.
Ontwikkeling van technologie om thermisch geïnduceerde deformaties te monitoren en compenseren
Zwaartekrachtgolfdetectoren gebruiken krachtige laserstralen om de kilometerlange afstand tussen superfijn gepolijste spiegels te meten. Het interferometrische proces vergelijkt twee bundels voor een differentiële meting. Om de interferometer de extreme gevoeligheid te laten bereiken die voor ET wordt verwacht, moeten de optische verliezen in het systeem niveaus van tientallen ppm bereiken, en moet het golffront van de hoofdlaser onvervormd blijven om contrastdefecten op een vergelijkbaar niveau te bereiken.
Delen van het optische systeem in ET zullen meerdere MW (Megawatts) aan continu laservermogen aanhouden. Residuele absorptie zorgt ervoor dat de optische testmassa's opwarmen en mechanisch vervormen, wat op zijn beurt leidt tot golffrontvervormingen en een groter optisch verlies door verstrooiing. Om dit effect te verminderen, voorzien we een closed-loop feedbacksysteem, dat continu de kwaliteit van de optische straal meet en gebruik maakt van contactloze activering om de vervorming van de testmassa's te corrigeren.
Lees verder