Een idee

Weet u het nog? Toen Albert Einstein (1879-1955) bezig was de Algemene Relativiteitstheorie (1915) te formuleren vroeg hij zich af hoe een deeltje door de ruimte zou bewegen als er geen enkele kracht op zou werken. Hij voorspelde dat het deeltje niet een rechte baan, maar een geodetische kromme zou volgen omdat de ruimtetijd door de zwaartekracht gekromd zou zijn.

Later werkte hij aan een gedachte-experiment om de kromming van de ruimtetijd vast te stellen door tussen twee vrij bewegende lichamen fotonen (licht) uit te wisselen. Als het experiment op de juiste schaal zou worden uitgevoerd, laten we zeggen met een afstand van een paar miljoen kilometer tussen de twee lichamen, zouden veranderingen in de zwaartekracht duidelijk meetbaar worden aan de frequentieverschillen van het uitgezonden licht. Op die manier zouden de door Einstein voorspelde ‘ruimtetijd rimpels’, veranderingen in zwaartekrachtgolven (als gevolg van bijv. botsende ‘zwarte gaten’ en dubbelsterren) kunnen worden aangetoond.

En dan

Hebben we dat? Zeker, het klinkt allemaal plausibel. Er zijn ook nauwelijks natuurkundigen geweest die vonden dat het bovenstaande niet klopte. Maar, om met de winnaar van de Nobelprijs natuurkunde Gerard ’t Hooft te spreken; een knappe theorie is mooi, maar natuurkunde is meer dan denken. De theorie moet wel empirisch worden getoetst om ook waar te zijn. Meten is weten. Aan het werk dus. We brengen twee lichamen op de juiste plaats in de ruimte, we laten licht tussen die lichamen schijnen, meten de frequentieverschillen en weten of het klopt. Klaar is Kees?

99 % doorwerken

Kees is nog steeds niet klaar omdat ‘tussen droom en daad’ flink wat ‘praktische bezwaren’ bestaan. Voor het traject van veronderstelling t/m de geldige wetenschappelijke uitspraak geldt één van de varianten van 1% theorie en 99% praktijk, 1% inspiratie en 99 % transpiratie, van 1% denken en 99% doen. 99% hard werken en zoeken om in de tot nu toe door het internationale wetenschapssysteem geaccumuleerde kennis en kunde nieuwe wegen te vinden. Terwijl voor die 99% hard werken weer geldt dat het uit 1% oplossing en 99% correctiewerk bestaat. Vallen en opstaan. Op foto’s van grote wetenschappelijke installaties (denk aan de Large Hadron Collider in Genève) zijn meestal serieuze mannen te zien met witte jassen. In publieksmedia worden die mannen vaak onderzoekers en ook wel geleerden genoemd. In 99% van de gevallen gaat het om ingenieurs die de installaties hebben gebouwd om de hypothese van de 1% geleerden te kunnen toetsen.

Ingenieur Bengt

Bengt Johlander is de natuurkundig ingenieur die ervoor moet zorgen dat er een instrument gebouwd wordt dat daar ver in de ruimte met voldoende precisie en niet gehinderd door verstorende invloeden, de zwaartekracht kan gaan meten. Bengt (49), getrouwd met Bodil uit Denemarken, komt uit Zweden en werkt sinds 1989 in Nederland bij ESTEC in Noordwijk, daar is hij nu Senior Instrument System Engineer. Het European Space Research and Technology Centre (ESTEC) is de grootste locatie en het technisch hart van de European Space Agency (ESA). Meer dan duizend specialisten werken op ESTEC aan tientallen ruimtevaartprojecten. Bengt’s project heet LISA Pathfinder en zorgt voor de mogelijk in 2013 te lanceren ‘verkenner’ van het toekomstige project Laser Interferometer Space Antenna (LISA) waarin ESA volgens de planning met NASA gaat samenwerken (door budgetproblemen bij de NASA staat de voorgenomen samenwerking onder druk) om dan eindelijk signalen op te vangen van die zwaartekrachtrimpels.

 

ESTEC

Na de middelbare school begon Bengt wiskunde, filosofie en muziek te studeren, maar al gauw werd het technische natuurkunde aan de Chalmers universiteit in Gotenburg. Hij specialiseerde zich in halfgeleiders, werkte bij de chipsdivisie van de energiemultinational Asea Brown Boveri en kwam halverwege zijn PhD studie terecht bij ESTEC. Daar werkte hij aan de ontwikkeling van micro-elektronica en straling en werd later natuurkundig ingenieur bij de afdeling wetenschappelijk Onderzoek en Ontwikkeling. Hij was daar hoofd van de ‘vluchtinstrumenten ondersteuningsgroep’ en verantwoordelijk voor het ontwerpen, bouwen en testen van wetenschappelijke instrumenten, gebruikt voor het onderzoek naar planeten, kometen en de zon bij ESTEC. Sinds 2005 zorgt hij voor de satelliet waarin het instrumentarium wordt getest waarmee in het uiteindelijke LISA project gewerkt gaat worden. Bengt is verantwoordelijk voor alle onderdelen en hun samenhang, de configuratie en het ‘vertalen’ van wetenschappelijke specificaties naar het testen van performance. Hij moet zorgen dat de performance en het verbruik (energiegebruik, gewicht etc.) aan de specificaties voldoen, hij moet er op toezien dat het budget en het tijdschema niet worden overschreden.

Europese harmonie

Het idee van LISA is zo’n 30 jaar oud, de beslissing om eerst die ‘padvinder’ op weg te sturen om te zien of de bedachte instrumenten ‘in flight’ ook zouden werken werd in 2005 bij de ESA genomen. Bengt: ‘Na het besluit duurt het normaal een jaar of 5 voor een instrument gebruiksklaar is. 1 jaar voor het vaststellen van de specificaties, 1 jaar voor het maken van een prototype, 1 jaar voor het bestellen en de productie van de componenten, 1 jaar voor het monteren en 1 jaar voor het testen. Bij LISA pathfinder duurt het wat langer omdat vrijwel niets kant en klaar kon worden gekocht, maar de ‘cutting edge technology’ gaandeweg moest worden uitgevonden.’ ESA is een van de grote Europese wetenschappelijke organisaties (met bijv. CERN (kernfysica), EMBL (moleculaire biologie) en ESRF (synchotron), bekostigd door 18 lidstaten. Onderdelen van de projecten worden (enigszins gelijkmatig) aanbesteed bij bedrijven in de lidstaten (bij LISA pathfinder payload uit Duitsland, Italië of Zwitserland) of direct geleverd door lidstaten (UK, Zwitserland, Spanje en Frankrijk).

Informatieverwerking en besliskunde

Bengt’s werkdag bestaat uit het doorwerken van ongelooflijke stapels documenten van al die leveranciers, tele-vergaderingen en bezoeken aan die bedrijven in al die landen. Om te kijken hoe alles vordert en vooral om mee te helpen bij het aanpassen van het werk bij complicaties. Want dat is zo’n beetje de crux van het werk van Bengt: het op koers houden van het ontwikkelingstraject door compenseren van onvoorziene complicaties in het ontwikkelingstraject. En het verrekenen ervan in de planning en het budget. Stabiliteit en robuustheid, zowel in de hardware als de software, zowel in het technische werk als in het management van de specialisten in die verschillende instituten. Gelukkig hebben echte ingenieurs een heel adequate systematiek van het berekenen van de posten ‘onvoorzien’ en zijn als eenmaal een project is goedgekeurd de overschrijdingen in planning en budget beperkt (anders dan bij infrastructuurprojecten van overheden zoals de Noord-Zuidlijn Amsterdam, de HSL en de 2e Maasvlakte waarin het voortschrijdend inzicht van politiek, bestuur en bedrijven de dienst uitmaken).

Hoe ziet de padvinder er uit?

De satelliet (inclusief aandrijfraket) is een cilinder van 4 m. hoogte, een diameter van 2.5. m. en een gewicht van 1900 kg. In een frame van (niet magnetisch) koolstofvezel zit 500 kg. aan instrumenten rond twee testlichamen die zullen worden gebracht naar een plaats in de ruimte, Lagrange Point 1, ongeveer 5x. de afstand aarde/maan, waar de zwaartekracht van de aarde even sterk is als die van de zon. Daar zullen de twee testmassa’s door een samenspel van traagheidssensoren, een laser metrologie-systeem, een ‘dragfree’ besturingssysteem en een ultra precies micro-aandrijvingssysteem in een vrijwel perfecte vrije val terechtkomen. Dat betekent dat er op de 2 testmassa’s geen krachten mogen werken van mechanisch contact, en dat de elektrische, magnetische, thermische en interne gravitatie krachten niet tot versnellingen zullen leiden boven de 3×10^-14m/s². Voor de alfa’s en doctorandussen onder ons: het gaat om precisie op picometrisch niveau, om subatomaire dimensies.

Het onbekende

Bengt: ‘Bij het ontwerpen van systemen is er altijd de afweging van de betrouwbaarheid tegenover de prestaties; waar je kiest voor betrouwbare bewezen technologie gaat dat ten koste van de performance. Dit systeem is ontworpen voor een performance die met de bestaande middelen niet gehaald kan worden. Het gaat dan om het stabiliseren van het meetinstrument, dat moet gaan meten in een extreem laag frequentiegebied, het filteren van een enorme berg ‘gewone’ ruis en het compenseren van andere verstoringen’. Bengt laconiek: ‘Je weet dus niet of het gaat werken, maar je kunt wel zoveel mogelijk buffers, vangnetten, reserves inbouwen; dubbele systemen voor als er iets uitvalt. Hard- en software zijn doordrenkt van terugkoppeling (‘feedback loops’); worden er limieten overschreden dan volgen er automatische compensaties om de satelliet bij de les te houden. Denk aan systemische alternatieven, correcties die vanuit de vluchtleiding of vanuit het instrument zelf kunnen worden gemaakt.’ En is het dan ook nog eens een heksentoer om die satelliet op de juiste plaats in ‘Lagrange 1’ zijn rondjes te laten draaien? ‘Nee, dat is geen probleem, dat is een kwestie van sturen en bijsturen volgens standaardmethoden.’

Nog ongeveer 700 nachtjes slapen

Over 2 jaar kan Bengt hopelijk vanuit het vluchtcentrum in Darmstadt kijken of de pathfinder werkt. Bedenk dan dat de kromming van de ruimtetijd nog niet ‘bewezen’ kan worden. Dan wordt duidelijk dat de ESA over de instrumentatie beschikt waarmee in het daarop volgende, samen met de NASA uit te voeren LISA project, die kromming wel kan worden geobserveerd. (hèhè!) De twee testmassa’s in de ‘pathfinder’ staan op 38 cm afstand, in LISA gaan 3 verschillende satellieten met een testmassa op onderlinge afstand van miljoenen kilometers draaien in ‘Langrange 1’. ‘Maar het belangrijkste is dan al gebeurd, de rest is een kwestie van relatief eenvoudig ‘opschalen’ . Het grootste probleem zou wel eens het opschalen van het budget kunnen zijn’.

Wat vliegt daar

Tot het zover is kijkt Bengt door andere kijkers naar andere vliegende lichamen: thuis in Voorhout kijkt hij vanuit de huiskamer met de Zeiss kijker naar een bonte verscheidenheid aan vogeltjes: puttertjes, kepen, fitissen, groenlingen etc. Op vakantie trekken Bengt en Bodil de wereld over van Siberië naar Suriname, van Zuid Afrika naar Zweden om daar met de Swarovsky telescoop een variëteit aan vogels te zien die voor de gewone sterveling meestal onzichtbaar blijven.

Kijk voor meer informatie naar: