NASA heeft PRIMA geselecteerd als nieuwe ver-infraroodruimtemissie. Voor Nederland betekent dat meer dan deelname aan een wetenschappelijk project. SRON, TU Delft en de Rijksuniversiteit Groningen zijn beoogd leverancier van cruciale technologie voor het PRIMAger-instrument: extreem gevoelige detectoren, thermische isolatie en een compact spectraal filter. De uitdaging wordt de komende jaren om die Nederlandse technologie door te ontwikkelen tot flight hardware die bij slechts 4,5 graden boven het absolute nulpunt jarenlang betrouwbaar moet functioneren.
PRIMA, de PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics, staat gepland voor lancering in 2033. De ruimtetelescoop gaat naar het Lagrangepunt L2, op circa 1,5 miljoen kilometer van de aarde.
Een belangrijk technologisch verschil met eerdere infraroodmissies is de actief gekoelde spiegel. Die wordt teruggebracht tot 4,5 kelvin, oftewel ongeveer -269 graden Celsius. Dat vermindert de eigen warmtestraling van de telescoop en daarmee de ruis die extreem zwakke signalen uit het heelal anders zou overstemmen.
In combinatie met Nederlandse detectortechnologie moet dat een enorme gevoeligheidssprong opleveren. PRIMA heeft volgens de betrokken kennisinstellingen duizend tot honderdduizend keer minder tijd nodig voor bepaalde waarnemingen dan vergelijkbare eerdere missies, of kan objecten detecteren die duizenden malen zwakker zijn.
Van Nederlandse detector naar flight hardware
SRON en TU Delft hebben een belangrijke uitgangspositie voor het hart van het PRIMAger-instrument. Zij moeten de detectiesystemen, de behuizing en de thermische isolatie leveren.
Centraal daarin staan Kinetic Inductance Detectors (KIDs). Deze supergeleidende detectoren zijn gevoelig genoeg om zelfs de achtergrondstraling van het heelal te meten.
Voor de Nederlandse partijen begint met de NASA-selectie echter juist een belangrijke engineeringfase. Een detector die onder laboratoriumomstandigheden uitzonderlijk goed presteert, moet worden vertaald naar een compleet systeem dat bestand is tegen de lancering en vervolgens jarenlang autonoom functioneert in de ruimte.
Daarvoor moeten onder meer detectoren, elektronica, behuizing en thermisch ontwerp nauwkeurig op elkaar worden afgestemd. Reparatie of onderhoud is na lancering immers geen optie.
Minder gewicht met Nederlands ‘regenboogfilter’
Ook voor de spectrale analyse komt technologie uit Nederland. SRON en de Rijksuniversiteit Groningen zijn beoogd leverancier van een zogenoemd Linear Variable Filter.
Het principe is relatief eenvoudig: afhankelijk van de positie op het filter worden verschillende golflengten doorgelaten. Zo ontstaat over de detector als het ware een infrarode regenboog. Een traditioneel prisma of tralie kan daardoor achterwege blijven.
Dat levert een belangrijk voordeel op voor ruimtevaartinstrumentatie: minder volume en gewicht. De technologie bouwt voort op ongeveer vijftien jaar Nederlandse ontwikkeling en kennis uit een eerder ruimtevaartconcept.
SRON en de RUG gaan daarnaast bijdragen aan systeemontwerp, integratie en het testen van de flight hardware van PRIMAger.
Precisietechnologie op 4,5 kelvin
Juist de combinatie van technologieën maakt het project interessant voor de Nederlandse hightechsector. In PRIMA komen supergeleiding, micro- en nanotechnologie, optica, cryogene techniek, vacuümtechnologie en precisie-engineering bij elkaar.
De temperatuur van 4,5 kelvin maakt de engineering extra uitdagend. Materialen gedragen zich bij dergelijke temperaturen anders dan onder normale omstandigheden. Warmtelekken moeten tot een minimum worden beperkt, terwijl verschillende componenten mechanisch en thermisch stabiel moeten blijven.
Daarmee vertoont de ontwikkeling overeenkomsten met andere Nederlandse hightechmarkten: prestaties worden niet bepaald door één afzonderlijke component, maar door de beheersing van het complete systeem en de interfaces tussen verschillende technologieën.
Kennis omzetten in maakbare technologie
Voor de Nederlandse industrie zit de betekenis van PRIMA daarom niet alleen in de uiteindelijke wetenschappelijke missie. Het project laat ook zien hoe fundamentele kennis kan doorgroeien naar technologie die aan extreem hoge systeemeisen moet voldoen.
De komende jaren ligt de opgave bij industrialisatie, integratie en kwalificatie. De detectoren en filters moeten niet alleen extreem gevoelig zijn, maar ook reproduceerbaar geproduceerd, getest en geïntegreerd kunnen worden in een internationaal ruimtevaartsysteem.
Juist in dat traject kunnen kennisinstellingen en gespecialiseerde hightechbedrijven elkaar nodig hebben. Ruimtevaart vraagt om kleine aantallen, maar de eisen aan precisie, betrouwbaarheid, cleanliness, materiaalbeheersing en traceerbaarheid zijn hoog.
Als PRIMA volgens planning in 2033 wordt gelanceerd, vliegt daarmee dus niet alleen Nederlandse wetenschappelijke kennis mee. Het wordt ook een demonstratie van Nederlandse competenties in extreme precisietechnologie en systeemintegratie – kennis die eveneens toepasbaar is in onder meer semicon, quantumtechnologie en andere hightechsystemen.
