Op vrijdag 1 mei verdedigt SRON-onderzoeker Willem Jellema zijn proefschrift aan de Rijksuniversiteit Groningen. In zijn proefschrift Optical Design and Performance Verification of Herschel-HIFI behandelt Jellema hoe de optische prestaties van de Nederlandse moleculenjager HIFI, één van de drie instrumenten aan boord van de Herschel-ruimtetelescoop (ESA, 2009-2013),  tot stand zijn gekomen. Jellema heeft op dit terrein een aantal cruciale doorbraken gerealiseerd.

De Herschel-ruimtetelescoop werd in mei 2009 gelanceerd. Vier jaar later, in april 2013, was de voorraad vloeibaar helium die de instrumenten en detectoren moest koelen op, en werd de ruimtetelescoop uitgezet. Aan boord bevond zich HIFI, het onder leiding van SRON ontwikkelde Heterodyne Instrument for the Far-Infrared. HIFI heeft een grote verscheidenheid aan astronomische objecten waargenomen met een hoge spectrale resolutie, wat heeft geleid tot een groot aantal belangrijke astronomische ontdekkingen en publicaties. Dankzij HIFI weten wetenschappers nu bijvoorbeeld veel meer over de kosmische cyclus van gas, die leidt tot de geboorte van sterren en planeten. Hetzelfde geldt voor de rol die (water) moleculen spelen.

Vanwege de intrinsiek zwakke objecten die de onderzoekers met HIFI wilden waarnemen, was het zaak om alle lichtdeeltjes op te vangen en zo efficiënt mogelijk naar de uiterst gevoelige detectoren te leiden.. Om dit laatste te kunnen bereiken, maakte Jellema gebruik van nieuwe karakterisatie- en kalibratietechnieken, zowel voorafgaand aan de lancering op de grond, als in de ruimte. 

Karakterisatie en ijking

Het HIFI instrument is geijkt tegen het licht van de planeet Mars. Om dit tot de vereiste nauwkeurigheid van een paar procent te kunnen doen, moeten we precies weten hoe het licht door de telescoop op de detector valt. Jellema heeft die karakterisatie in groot detail gemeten, gemodelleerd en geanalyseerd tot de hoogste nauwkeurigheid ooit gerealiseerd voor een submillimeter telescoop.

Optisch ontwerp en miniaturisering

Het optisch ontwerp van HIFI moest geschikt zijn voor de wetenschap van HIFI, maar ook bijzonder compact. Daarbij moest in het bijzonder aandacht worden besteed aan het langgolvige karakter van het ver-infrarode licht. Als lid van het ontwerpteam ontwierp Jellema onder meer een techniek om de fase van de golven, vergelijkbaar met de rimpels in een vijver, te meten. Daarmee wist hij niet alleen de amplitude maar ook de kromming van het golffront te meten. De meetresultaten vergeleek hij één op één met simulaties, die heel goed overeen bleken te komen. Zo kon al vroeg worden vastgesteld dat de manier waarop SRON het HIFI-instrument wilde gaan bouwen haalbaar en voorspelbaar was.

Met diezelfde fase-gevoelige meettechniek bleek het bovendien mogelijk om de traditionele opstellingen verregaand te miniaturiseren. Waar voorheen vacuüm- en cryogene opstellingen met tanks van enkele meters nodig waren, voldeed nu een enkele scan van een vlak van slechts enkele centimeters. 

Valorisatie en spin-off

Jellema’s vindingen worden inmiddels ook toegepast bij veelbelovende maatschappelijke toepassingen van HIFI-technologie, met name terahertz-inspectiemethoden (non-destructive testing). SRON heeft op dit terrein  al twee patenten gedeponeerd en een SRON spin-off buigt zich nu over commerciële toepassingen. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA heeft SRON bovendien gevraagd een terahertz-opstelling te ontwikkelen voor ESTEC, het testcentrum in Noordwijk, met het doel daarmee terahertz-antennes en telescopen van toekomstige missies te inspecteren. Mogelijke kandidaten zijn JUICE, de missie die de ijsmanen van Jupiter in kaart gaat brengen, en de Ice Cloud Imager (ICI) van de tweede generatie MetOp-weersatellieten. SRON bestudeert op dit moment de mogelijkheid om de terahertz-testopstelling voor ESA samen met de industrie en MKB in Noord-Nederland te bouwen.

Tijd en locatie

Promotie Willem Jellema
Academiegebouw Rijksuniversiteit Groningen

1 mei 2015, 16.15 uur