Hoe bouw je het onmogelijke?

Willem Jellema studeerde in 1998 cum laude af als ingenieur in de Technische Natuurkunde aan de RUG . Hij leverde vervolgens een belangrijke bijdrage aan het ontwerp en de bouw van HIFI, een belangrijk instrument voor de Herschel ver-infrarood ruimtetelescoop. En op 1 mei verdedigt hij zijn proefschrift over het optische ontwerp en de kalibratie van HIFI. Zijn werk heeft bovendien bijgedragen aan de oprichting van een nieuw bedrijf.

Zoals wel vaker in de sterrenkunde werden aan HIFI eisen gesteld die op dat moment eigenlijk onmogelijk waren. Het licht dat HIFI moest gaan analyseren heeft een frequentie in het terahertz gebied, waar nog zo goed als geen ervaring mee was. Er waren zelfs nog geen technieken om het instrument te ontwerpen of te testen.

SRON, het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek, nam deze uitdaging aan en gaf leiding aan een internationaal consortium dat bestond uit 25 instituten in 12 landen. De Groningse vestiging van SRON, die nauw verbonden is met het Kapteyn Instituut voor sterrenkunde van de RUG, was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van het instrument, de bouw en het testprogramma om aan te tonen dat het naar behoren werkte. Daarvoor trokken zij Jellema aan, die zo direct na zijn afstuderen bij SRON ging werken.

‘De golflengten waar we mee werkten waren zo rond een millimeter’, vertelt Jellema. ‘En het instrument moest zelf ook heel compact worden, waardoor de spiegels en andere onderdelen die we gebruikten om het licht van de telescoop naar de detectoren te brengen maar een paar golflengtes in doorsnede waren.’

Wanneer je een optisch instrument ontwerpt behandel je het licht normaal gesproken als een straal. ‘Maar als de golflengte dezelfde orde van grootte is als de onderdelen van het optisch systeem moet je het licht beschouwen als een golf.’ Dan spreek je van ‘quasi optica’ een manier van werken die zich bevindt tussen normale optica en radiotechnieken.

Jellema vergelijkt de lichtgolven met de golfjes die ontstaan wanneer je een steen in een vijver gooit. ‘Het golffront beweegt zich dan door de vijver en wordt beïnvloed door obstakels in de vijver en reflecties van de kant.’ Zijn taak was om HIFI zo te ontwerpen dat de golven van de 3,5 meter grote spiegel van Herschel ongestoord zouden aankomen bij de detectoren met een oppervlak van een vierkante micrometer – een honderdste van de dikte van een menselijke haar.

De eerste stap voor Jellema was om de juiste software te vinden waarmee hij de quasi-optica kon simuleren. Er bestond nog geen software die voor dat doel gevalideerd was. ‘Dit kostte twee jaar. Maar alleen simuleren vonden we niet genoeg, dus wilden we ook een experimentele techniek hebben om het optische systeem te testen.’ Een probleem bij de experimentele benadering is dat terahertz ‘licht’ onzichtbaar is.

Dus ontwikkelde het team een testsysteem dat een goed gedefinieerde golf door het systeem naar een detector kon sturen. ‘We waren in staat om te meten hoe lang die golf er over deed om door het optische systeem te lopen, door de fase van het golffront te meten. Vervolgens verplaatsten wij de zender van de golf een klein stukje ten opzichte van het optische systeem en we maten het effect daarvan.’ Op die manier konden Jellema en zijn collega’s meten hoe het optische systeem de passage van de golf beïnvloedde, en waar er verstoringen in het golffront optraden.

Uiteindelijk lukte het door een combinatie van simulaties en metingen het gewenste quasi-optische systeem voor HIFI te ontwerpen en konden de bouwers bevestigen dat het volgens de specificaties werkte. ‘We hebben met deze combinatie van technieken alle onderdelen van HIFI kunnen controleren voordat ze ingebouwd werden’, vertelt Jellema. ‘Op die manier ontdekten we bijvoorbeeld vroegtijdig dat er een fout zat in het productieproces voor de lenzen, waardoor de leverancier de productie kon aanpassen.’

Daarnaast kregen ze ook een zoveel fundamenteel inzicht in de werking van het systeem dat ze met grote precisie de optische prestaties konden voorspellen van de complete Herschel telescoop met de HIFI detectoren. Dit was belangrijk, want in het hele project was niet voorzien dat HIFI na de integratie in de telescoop nog getest zou worden. Alles moest dus werken: ‘Na de lancering zouden we niets meer kunnen aanpassen, aangezien Herschel zich op anderhalf miljoen kilometer van de Aarde bevond.’ Herschel werd in 2009 gelanceerd en functioneerde uitstekend, totdat de koelvloeistof op was, in 2013.

Het onderzoek dat nodig was om HIFI te bouwen en te testen werd in 2004 een promotieproject voor Jellema. Nu pas is het proefschrift klaar en mag hij het verdedigen. Dat duurde dus even! ‘Het bouwen van HIFI had altijd voorrang. En na de lancering moest er een gedetailleerde beschrijving komen van de optische eigenschappen van het instrument, voor de sterrenkundigen die het zouden gaan gebruiken.’

Het werk van Jellema stelde deze sterrenkundigen in staat om de metingen te kalibreren en de gegevens van de detectoren te herleiden tot de bron die het opgevangen licht uitzond. ‘Dat helpt bij de interpretatie van de gegevens.’ Bovendien is de ervaring met terahertz straling die met HIFI is opgedaan ook bruikbaar in andere toepassingen.

Terahertz straling kan doordringen in materialen die zichtbaar licht tegenhouden. Jellema laat een plaatje zien van een blok wit plastic. Een terahertz scan onthult verschillende objecten die in het blok zitten. ‘Je kunt ermee door plastic heen kijken, maar ook door bijvoorbeeld enveloppen of kleding.’ Daarom gebruiken luchthaven Schiphol al terahertz ‘body scans’ om te zien of passagiers iets meesmokkelen onder hun kleding. ‘Maar onze technologie heeft een beter oplossend vermogen dan wat er nu op vliegvelden staat, en wij kunnen driedimensionale scans maken.’

Dit soort mogelijke toepassingen van terahertz technologie heeft geleid tot het oprichten van een nieuw bedrijf, dat wordt geleid door SRON onderzoeker professor Andrey Baryshev en SRON technology transfer officer Alena Belitskaya. De mogelijkheden van terahertz scanners zijn legio, variërend van luchthaven beveiliging tot het controleren van de kwaliteit van composiet materialen. Jellema: ‘Ik sta als mede-uitvinder op een aantal patentaanvragen, maar heb het uitstekend naar mijn zin als instrument scientist, dus blijf ik nog bij SRON.’ Want er liggen al weer plannen voor nieuwe onmogelijke instrumenten die nodig zijn.