SRON Spectrum Nr. 13 december 2009
Stand van zaken HIFI SCIAMACHY: metingen waterisotopen goed voor klimaatmodellen Meting aan de grenzen van het heelal
SRON Netherlands Institute for Space Research
Controle van het HIFI-instrument in de cleanroom. Eventuele vuil- of stofdeeltjes worden verwijderd met een speciale stofzuiger en een marterharen penseel.
Herschel, met aan boord het onder leiding van SRON ontwikkelde HIFI-instrument, is in mei 2009 gelanceerd vanuit Kourou, Frans-Guyana (ESA).
‘Groningen, we have a problem’ Begin augustus ging er iets mis met HIFI, het Nederlandse hart van de ruimtetelescoop Herschel. Onderzoekers van SRON stonden voor de taak om met hulp van een groot aantal collega’s uit binnen- en buitenland een uiterst complexe technologische puzzel op te lossen. Weken van extreme druk, keihard werken en slapeloze nachten volgden om de oorzaak van de storing te achterhalen. Met succes: HIFI zal zijn speurtocht hervatten in januari 2010. 2 SRON Spectrum december 2009
Het was net CSI: met heel weinig gegevens een zeer complexe puzzel oplossen. In dit geval geen moord, maar storing in de elektronica van een uiterst geavanceerd ruimte-instrument dat in een baan op anderhalf miljoen kilometer van de aarde door de ijskoude ruimte reist. En ook een heel klein beetje Apollo 13, de film over de bijna-ramp van die bemande ruimtevlucht, bekend door de gedenkwaardige oneliners ‘Houston, we have a problem’ en ‘Failure is not an option’. Vervang Houston door Groningen, en je hebt een idee van de situatie van dinsdagmorgen 4 augustus, half tien. Maar waar Apollo 13 de missie moest afbreken, is HIFI in januari 2010 back in business. Van het paradepaardje van het Nederlandse ruimteonderzoek wordt nog altijd een rijke wetenschappelijke oogst verwacht.
Beroepseer
‘Ik had niets over het hoofd gezien. Aan de ene kant was dat geruststellend. Maar het betekende ook dat het lastig werd te achterhalen wat er fout is gegaan.’
Tot die zwarte maandag had HIFI – een van de drie instrumenten aan boord van de ruimtetelescoop Herschel – het boven verwachting gedaan. De lancering van de satelliet, half mei, en de reis naar de eindbestemming op anderhalf miljoen kilometer van de aarde waren goed verlopen. En de eerste meetresultaten uit DR 21, een gebied in sterrenbeeld de Zwaan waar sterren ontstaan, waren zo goed dat ze direct al bruikbaar waren voor wetenschappelijk onderzoek. Zelfs de metingen van geïoniseerde koolstof – het moeilijkste onderdeel van het meetprogramma van HIFI – waren glashelder. ‘En dan gaat er iets mis met een instrument dat twee, drie jaar door draconisch strenge testprogramma’s is gekomen,’ zucht Dieleman. ‘Hoe kon dit gebeuren? Je kunt je voorstellen dat het voor iedereen een dreun was.’ In een vergaderzaaltje op dinsdagmorgen wordt een onderzoeksteam geformeerd. De zaal vibreert bijna voelbaar met de wil snel uit te zoeken wat er aan de hand is.
Daar ziet het op 3 augustus 2009 nog niet meteen naar uit. Projectmanager Peter Roelfsema krijgt een telefoontje van ‘mission control’ in Darmstadt. ‘Groningen, we have a problem.’ Tijdens het dagelijkse contact met de Herschel-ruimtetelescoop zijn vreemde gegevens binnen gekomen. Het ruimte-instrument HIFI, onder leiding van SRON gebouwd om waarnemingen te gaan doen in het tot nu toe nagenoeg onbekende overgangsgebied van infraroodstraling en radiostraling uit het heelal, bevindt zich in een toestand waar de handleidingen niets over zeggen. Error code 14, wat betekent dat?
Het is de beroepseer van de betrokken SRON-onderzoekers te na die vraag lang beantwoord te laten. Het probleem met HIFI zal en moet snel worden gekraakt. Roelfsema overlegt die avond nog met testingenieur Pieter Dieleman, verantwoordelijk voor het testen van HIFI tijdens en na de bouw. Samen bespreken ze de eerste gegevens die ze telefonisch uit Darmstadt hebben gekregen. Dieleman piekert na dat gesprek tot in de kleine uurtjes door. De angst slaat hem om het hart want het lijkt erop dat er iets kapot is gegaan in het instrument waar SRON zo’n vijftien jaar met man en macht heeft gewerkt. Maar er is nog een klein beetje hoop dat het een computerstoring is of iets elektronisch, dat met uit- en aanzetten verholpen kan worden.
Detail van de Focal Plane Unit (FPU) van HIFI (Ivar Pel/SRON).
december 2009 SRON Spectrum
3
Detail van de Focal Plane Unit (FPU).
De eerste aanwijzing Ook Martin Stokroos, die deze dinsdag pas aan zijn tweede werkdag bij SRON begint, wordt aangestoken door het failure is not an option-virus. De elektronisch ingenieur is overgekomen van het KVI en valt dus met zijn neus in de boter. Het is alle hens aan het SRON-dek. Op die dinsdag al staat hij gebogen over een exacte kopie van HIFI die de komende weken binnenste buiten gekeerd zal worden. Stokroos: ‘De gegevens uit Darmstadt lieten zien, dat het stroomverbruik was ingezakt van 2,5 naar 0,36 ampère. Printplaat voor printplaat hebben we het stroomverbruik gemeten. Aan het eind van de week was al duidelijk waar het probleem moest zitten. Alleen het uitvallen van de HRS-4, een module die de verdeling van de stroom over HIFI regelt, kon de daling in stroomverbruik verklaren.’
‘We zagen dat de communicatie tussen de boordcomputer en een van de hulpcomputers van HIFI als eerste uitviel.’ Stokroos werkt intensief samen met collega’s van de Poolse academie voor wetenschappen, die de bewuste elektronica hebben gebouwd. Het is een ervaren team, dat voor meer satellieten dergelijke componenten heeft geleverd. De Polen zijn afwisselend een week in Groningen voor metingen en een week thuis, om de resultaten uit te werken en nieuwe plannen te bedenken. Aan het eind van de eerste week wordt toch ook geprobeerd of het probleem niet gewoon met uit- en weer aanzetten verholpen
4 SRON Spectrum december 2009
kan worden. De technici hebben gesimuleerd hoe het instrument moet reageren als HRS-4 inderdaad kapot is. De helft van het SRON-team zit in Darmstadt waar ESA-operator Ralph Biggins de hand aan de knop heeft om HIFI direct weer uit te zetten als er iets mis gaat. De rest van het team zit in Groningen naar een beeldscherm te kijken. De ingreep verhelpt de storing niet! Wel komt de communicatie tussen de centrale processor (de boordcomputer, red.) en een van de hulpcomputers van HIFI weer op gang. Die was bij de storing ook weggevallen, iets wat in alle jaren van testen op de grond nog nooit was voorgekomen. De resultaten bevestigen ook de vermoedens van het team: HRS-4 functioneert niet.
Het probleem Maar een defect onderdeel op een printplaat kan niet alles verklaren. De onderzoekers hebben inmiddels drie aanwijzingen uit de schaarse gegevens kunnen vissen. Ten eerste de daling in het stroomverbruik, die nu kan worden verklaard. Maar de oorzaak van het wegvallen van de communicatie blijft een raadsel. Datzelfde geldt voor de veiligheidsschakelaar die lijkt te zijn omgegaan terwijl daar geen commando voor is De satelliet Herschel is genoemd gegeven. Deze schakelaar naar de Britste astronoom William moet de elektronica Herschel. Hij ontdekte in 1800 beschermen tegen het weginfrarood licht. vallen van de stroomtoevoer. Alleen, nu ging hij om bij een goed functionerende stroomtoevoer.
SRON-engineers testen een op aarde achtergebleven reserveonderdeel van de HIFI-elektronica (Ivar Pel/SRON).
Na vier weken analyseren, meten, denken, overleggen en weer opnieuw beginnen is het team er nog niet uit. Dieleman heeft een paar harde schijven doorgewerkt waar alle testgegevens op staan. Nergens is een aanwijzing te bekennen. ‘Aan de ene kant was dat geruststellend,’ zegt Dieleman. ‘Ik had niets over het hoofd gezien. Maar het betekende ook dat het lastig werd te achterhalen wat er fout is gegaan. En er was nog een vraag: waaróm ging HRS-4 eigenlijk kapot?’ De schema’s van de elektronische schakelingen, die inmiddels de muur van een vergaderruimte grotendeels bedekken, kunnen het niet verklaren.
‘1,6 seconden is een enorm lange tijd voor elektronica. Geen enkel “sterfproces” op een printplaat duurt zo lang.’ De tweede aanwijzing Ruimtevaartorganisatie ESA, eigenaar van Herschel, biedt rond die tijd een eigen team van specialisten aan. Ook dit zijn mensen met soms decennialange ervaring in satellietbouw, en ze leveren een frisse nieuwe blik op de zaak. Een van die specialisten levert een cruciale tip, zegt Peter Roelfsema. ‘De elektronica van een satelliet is niet altijd volmaakt. Als in een transformator een kleine onregelmatigheid zit, zou er een spanningspiekje kunnen ontstaan in een diode. Een piekje van 30 nanoseconden, te kort om met normale apparatuur waar te nemen.’ De technici van SRON meten het na en vinden in de kopie van HIFI inderdaad zo’n piekje. Slechts 30 miljardste van een seconde is de spanning in een diode van HRS-4 hoger dan eigenlijk zou mogen volgens de specificaties.
Er volgen meer tests, met commercieel verkrijgbare diodes, maar ook met exemplaren die een exacte kopie zijn van de diode in HIFI. Eén commerciële diode gaat kapot door een spanningspiekje, maar de echte HIFI-diodes zijn niet stuk te krijgen. Het levert weer nieuwe vragen op. Misschien was er toch een diode in HIFI zwakker dan de rest van de serie? Of is die ene diode misschien verzwakt door een fout in de elektronica?
De doorbraak Het team weet nu wel hoe HRS-4 kapot kan zijn gegaan. Maar nog steeds is niet duidelijk waarom de veiligheidsschakelaar ineens omging. De druk is hoog. Wetenschappelijk leider Frank Helmich: ‘Naast de gewone frustratie van een instrument dat het niet doet, hebben sommige medewerkers er tien, vijftien jaar van hun leven in zitten. En er staan overal in de wereld astronomen klaar die waarnemingen willen doen. De andere twee instrumenten van Herschel leveren ondertussen hun eerste gegevens op, die in juichende persberichten naar buiten komen. Met helemaal aan het eind de opmerking dat het derde instrument, HIFI, het niet doet. Dat steekt.’
‘Het is mogelijk, al zou dat echt botte pech zijn, dat de oorzaak ligt in de inslag van een kosmisch deeltje in het computergeheugen.’ Na negen weken volgt dan eindelijk een doorbraak, dankzij een nauwkeurige analyse van de gegevens over het functioneren van HIFI rond de tijd van de storing. Roelfsema: ‘We zagen dat de communicatie tussen de boordcomputer en een van de hulp-
december 2009 SRON Spectrum
5
computers van HIFI als eerste uitviel, 1,6 seconden voordat de veiligheidsschakelaar spontaan op ‘uit’ ging. En 1,6 seconden is een enorm lange tijd voor elektronica. Geen enkel ‘sterfproces’ op een printplaat duurt zo lang.’ Het onderzoek richt zich nu op de software van de boordcomputer. En jawel, een analyse van de software laat zien dat een herstart van de boordcomputer zo’n 1,6 seconden duurt. En bij dat herstarten gaat de veiligheidsschakelaar inderdaad om. De puzzelstukjes beginnen op hun plek te vallen. Het omgaan van de veiligheidsschakelaar kan hebben geleid tot een overbelasting in een van de spanningsomvormers/ transformators van de LCU, wat heeft geleid tot een extra grote spanningspiek. Hierdoor kan een van de diodes kapot zijn gegaan.
De kosmische bitflip Maar waardoor is de computer zo in de war geraakt dat hij tot een herstart overging? Helmich: ‘Het is mogelijk, al zou dat echt botte pech zijn, dat de oorzaak ligt in de inslag van een kosmisch deeltje in het computergeheugen. Daardoor kan een zogenaamde bitflip optreden. Het computergeheugen bestaat uit een reeks van enen en nullen. Wanneer een 0 in een 1 verandert, of andersom, kan dat het programma in de war sturen. De computer blijft hangen en start zichzelf opnieuw op. Daarbij gaat de veiligheidsschakelaar om.’ In het back-upsysteem dat in januari wordt aangezet, wordt het zekere voor het onzekere genomen. Een kosmische bitflip kan straks door een periodieke controle van het geheugen worden opgespoord voordat schade in het apparaat ontstaat. Bij onregelmatigheden kan dan een softwarepatch naar de satelliet worden gestuurd. Verder wordt de veiligheidsschakelaar ontmanteld. Die bleek tenslotte een zelfmoordschakelaar.
‘De motivatie om dit probleem te kraken kwam uit de onderzoekers – van ESA, SRON en uit Polen – zelf. Daar ben ik erg trots op.’ En nu? HIFI functioneert in januari hoogstwaarschijnlijk weer zoals de bedoeling was. Het instrument kijkt in het diepe infrarode licht als het ware door gaswolken in de ruimte heen en verzamelt zo gegevens over de geboorte en het sterfproces van sterren. En in het infrarood heeft elke molecuul zijn eigen vingerafdruk, waardoor HIFI in staat is om de aanwezigheid van water te meten. Niet alleen in interstellaire gaswolken maar ook bij kometen, planeten en hun manen. Frank Helmich: ‘Dat is echt te danken
6 SRON Spectrum december 2009
aan de grote inzet van alle onderzoekers, van ESA, SRON en uit Polen, die eendrachtig hebben samengewerkt. En daar kwam echt geen bevel van bovenaf aan te pas. De motivatie om dit probleem te kraken kwam uit de medewerkers zelf. Hoewel ik niet anders had verwacht, ben ik daar toch ook erg trots op.’ Zekerheden zijn in het ruimteonderzoek niet te geven, dat heeft de storing in HIFI weer eens duidelijk gemaakt. Instrumenten die in de vijandige ruimte hun precisiewerk moeten doen, blijven kwetsbaar. Maar bij SRON is er weer vertrouwen in een goede afloop. Het motto van die andere ruimtefilmklassieker ‘To boldly go where no man has been before’ heeft de onderzoekers weer stevig in zijn greep. Straks, als alle geplande waarnemingen zijn verricht en het back-upsysteem daadwerkelijk drie jaar goed heeft gefunctioneerd, heeft niemand het meer over die vijf hectische maanden in het najaar van 2009. René Fransen/Frans Stravers Dit artikel is een vrije bewerking van een artikel van René Fransen, dat eerder verscheen in de Universiteitskrant Groningen.
HIFI onderzoekt de samenstelling van gaswolken die in de ruimte zweven en meet onder andere of daar water in zit.
Wolkenvrije observaties dankzij infraroodmetingen Ruimte-instrumenten als SCIAMACHY leveren nuttige informatie op over de samenstelling van de atmosfeer van de aarde. Wolken belemmeren echter het zicht op de onderste lagen van de atmosfeer. Voor sommige toepassingen zijn zelfs alleen wolkenvrije metingen bruikbaar. Maar hoe maak je onderscheid tussen wolken en sneeuw en ijs op het aardoppervlak? SRON heeft voor SCIAMACHY de oplossing gevonden.
geen absolute kalibratie nodig is. Als we vervolgens kijken naar de verhouding tussen de metingen van de andere PMDs in het nabijinfrarood en infrarood, dan springen de relatief donkere ijs- en sneeuwvlaktes eruit. Op deze wijze kan bewolking boven ijs-/sneeuwoppervlaktes worden herkend.
SCIAMACHY – de SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY aan boord van de ESA-satelliet ENVISAT – meet met een hoge spectrale resolutie (0,2-1,5 nm) gereflecteerde straling van de aarde. SCIAMACHY doet dat in zowel ultraviolet, zichtbaar als infrarood licht (tot 2,4 μm). Voor de onderzoekers die de metingen van SCIAMACHY analyseren is het belangrijk om te weten welke observaties wolkenvrij waren. Maar het is geen gemakkelijke opgave om daar achter te komen. De meeste wolkendetectiemethodes hebben grote problemen om onderscheid te maken tussen wolken en met ijs/sneeuw bedekte oppervlaktes op het aardoppervlak. Als je vanuit de ruimte de aarde observeert, is het verschil tussen een witte wolk die boven een grote witte ijs- of sneeuwvlakte hangt en de ijsvlakte zelf uiterst moeilijk te zien.
Degradatie
Vergelijking tussen spectra van sneeuw/ ijs, waterwolken en ijswolken. Golflengtes van twee gebruikte PMDs (4 & 5) zijn aangegeven. De metingen zijn over elkaar heen gelegd in het golflengtebereik tussen 800-900 nm (PMD 4). Duidelijk is dat wolken meer licht reflecteren dan sneeuw in de 1500-1635 nm golflengtes (PMD 5).
Ook voor de langzaam in de tijd afnemende gevoeligheid van de PMDs, die overigens bij alle instrumenten in de ruimte optreedt, is een oplossing gevonden. Dankzij een nieuwe studie, die ervan uitgaat dat wolken gemiddeld gesproken over de afgelopen zeven jaar niet donkerder of lichter zijn geworden, kunnen de metingen voor de verminderde gevoeligheid worden gecorrigeerd. Matthijs de Krijger
Infraroodmetingen De oplossing voor SCIAMACHY ligt in de infraroodmetingen. De meeste wolkendetectiemethodes zijn ontwikkeld voor SCIAMACHY’s infraroodloze voorganger GOME. En waar zie je een groot verschil tussen wolken en met ijs/sneeuw bedekte oppervlaktes? In het infrarood, waar ijs- en sneeuwvlaktes minder licht reflecteren dan wolken! Met dat gegeven in het achterhoofd hebben SRONonderzoekers een methode ontwikkeld om het onderscheid tussen wolken en sneeuw/ijs met SCIAMACHY wel te kunnen maken.
Foto van Groenland gemaakt door de satelliet Envisat. Groenland is zowel bedekt door sneeuw als door ijs (ESA).
Dat gebeurt met behulp van de Polarisation Measurement Devices (PMDs) die SCIAMACHY aan boord heeft. Samengevat worden de metingen van drie PMDs in de visuele golflengtes vergeleken om te kijken of het spectrum ‘wit’ is. Als de intensiteit van het ‘wit’ hoog genoeg is, dan zal het gaan om een wolk of een met sneeuw/ijs bedekt oppervlak. Het grote voordeel is dat hierbij december 2009 SRON Spectrum
7
Waterisotopen meten vanuit de ruimte: goed voor klimaatmodellen! Met behulp van het SCIAMACHY-meetinstrument aan boord van de Europese onderzoekssatelliet ENVISAT is een internationaal team van wetenschappers erin geslaagd wereldwijd de waterisotopen in de onderste lagen van de aardatmosfeer in kaart te brengen. De resultaten van het onderzoek – dat onder leiding van SRON is uitgevoerd – zijn op 11 september in het tijdschrift Science gepubliceerd. Water (bevroren, vloeibaar of als damp) is een van de belangrijkste componenten van het klimaatsysteem van de aarde. Waterdamp is het sterkste broeikasgas, en in de vorm van neerslag heeft het een groot effect op de leefbaarheid op onze planeet. Denk daarbij ook aan extreme weersomstandigheden zoals overstromingen en droogte. De wereldwijde watercyclus is daarmee van primair belang voor ons huidige begrip van het weer en het klimaat. Eén op elke 3000 watermoleculen in de aardatmosfeer is een isotoop van water, halfzwaar water (HDO). Daarin is een waterstofatoom vervangen door een deuteriumatoom. Kleine afwijkingen in de isotopensamenstelling zijn moeilijk meetbaar, maar zijn te gebruiken als een unieke indicator, omdat ze inzicht geven in de geschiedenis van het water. In vergelijking met normaal water heeft halfzwaar water een ‘voorkeur’ voor de vloeibare vorm in elk condensatie- of verdampingsproces. Wanneer bijvoorbeeld vochtige lucht vanaf de oceanen over land trekt, zal de relatieve hoeveelheid halfzwaar water in de resterende waterdamp afnemen, omdat het zware isotoop er eerder uitregent. Dit effect is temperatuursafhankelijk (hoe kouder het is, hoe groter de voorkeur van de waterisotoop voor de vloeibare vorm), waardoor de verdeling van de waterisotopen in ijskernen als thermometer van de klimaatgeschiedenis van onze planeet dienst doet. De samenstelling van de isotopen geeft daarmee niet alleen inzicht in hoe water in de huidige atmosfeer wordt verplaatst en gerecycled, maar biedt ook een doorkijkje naar klimaten in het verleden.
Infraroodsensoren Het succes van het onderzoek naar waterisotopen in de onderste lagen van de aardatmosfeer is niet alleen het succes van het SRON-wetenschapsteam, maar ook van het SRON hardwareontwikkelingsteam: de metingen zijn verricht met behulp van het
8 SRON Spectrum december 2009
SCIAMACHY-kanaal 8 dat het 2,3 micron gebied bestrijkt. SRON is verantwoordelijk voor de ontwikkeling van alle acht sensoren van SCIAMACHY en hun uitleeselektronica, die sinds het begin van de jaren negentig ontwikkeld zijn. De drie infraroodsensoren boden de grootste uitdaging, omdat deze praktisch vanuit het niets ontwikkeld moesten worden. Het uiteindelijke resultaat was dat SCIAMACHY beschikt over een uniek meetvermogen in het zogenoemde SWIR-gebied (Short Wave InfraRed), waardoor de aarde geobserveerd kan worden in een nieuw spectraal gebied. Het is voor het eerst dat er wereldwijd metingen zijn verricht aan waterisotopen in de onderste lagen in de atmosfeer, waar zich ook de meeste waterdamp bevindt. Verschillende aspecten van de mondiale watercyclus zijn daarmee direct waar te nemen. Zoals de sterke continentale gradiënten in Noord-Amerika, die veroorzaakt worden door de regen wanneer lucht over de Rocky Mountains trekt. Of bijvoorbeeld het relatief hoge percentage van halfzwaar water boven de Noord-Atlantische oceaan dat veroorzaakt wordt door sterke verdamping en efficiënt transport. SCIAMACHY observeert de aarde aan boord van de Europese milieusatelliet Envisat. SRON was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van alle acht sensoren van SCIAMACHY (ESA).
Sahel
Verschillen
Boven de Sahel in Afrika hebben we een onverwacht grote seizoensvariatie in de waterisotopensamenstelling waargenomen. Dit hangt samen met bewegingen van de zogenoemde Intertropische convergentiezone, wat leidt tot daling (subsidentie) van koude, erg droge en sterk zwaarwater verarmde lucht over de Sahel in de winter. Klimaatmodellen kunnen deze metingen niet volledig reproduceren. Hoewel de oorzaken nog niet duidelijk zijn en nader onderzoek noodzakelijk is, verwachten we dat we met deze nieuwe metingen onze kennis kunnen vergroten over tropische convectie (stijging van warme lucht) en subtropische subsidentie (daling van koude lucht), de belangrijkste redenen voor het ontstaan van woestijnen op deze breedtegraden.
Tot op heden zijn er grote onderlinge verschillen in de wijze waarop de watercyclus in de verschillende klimaatmodellen is weergegeven. We voorzien derhalve dat de nieuwe satellietgegevens nieuwe mogelijkheden bieden voor het toetsen van de juistheid van de watercyclus in deze modellen. Dit zal uiteindelijk niet alleen leiden tot een beter begrip van het huidige klimaat, maar verbetert mogelijk ook de betrouwbaarheid van klimaatvoorspellingen. Om met de woorden van co-auteur Kei Yoshimura van het Scripps Institute of Oceanography in San Diego te spreken: ‘Op dit moment klopt er van de waterdamp in de mondiale klimaatmodellen nog niet veel. We willen de weergave van de watercycli in de atmosfeer testen met een aantal andere indicatoren. Deze nieuwe metingen kunnen daarbij helpen.’
Wereldwijde verdeling van het waterisotoop HDO getoond als fractie van waterdamp. Hoge fracties HDO worden gevonden in de tropen en subtropen waar water verdampt uit de oceanen en naar de polen wordt vervoerd. De relatieve hoeveelheid zwaar water in de overgebleven waterdamp vermindert omdat de zwaardere isotoop bij voorkeur uitregent, wat resulteert in lagere fracties op hogere breedtegraden. Hetzelfde gebeurt met vochtige lucht die vanaf de oceanen landinwaarts wordt getransporteerd. Noord-Amerika is daar een goed voorbeeld van. De detailopname laat de verhoogde HDO-fractie zien als gevolg van verdamping over de Rode Zee.
Richting de polen hebben we onze analyse van waterisotopen uitgebreid met nauwkeurige metingen aan de grond. De verwachting was dat het voorkomen van isotopen in de luchtlagen op hogere breedtegraden direct door temperatuurvariaties gestuurd zou worden. Die variaties zijn in deze gebieden namelijk zeer uitgesproken. Op een station op Spitsbergen, Ny Ålesund, ontdekten we echter dat transport in de atmosfeer de belangrijkste veroorzaker van fluctuaties in de isotopensamenstelling van water is. En niet de temperatuur, zoals men op grond van de temperatuursafhankelijke fractionering van isotopen zou verwachten. Dit onderstreept dat isotopen in ijskernen niet zonder meer als thermometer van de klimaatgeschiedenis gebruikt kunnen worden zonder kennis van atmosferische circulatie in het verleden. Vandaar dat algemene klimaatmodellen onmisbaar zijn voor het begrijpen van variaties in de isotopensamenstelling in regen en waterdamp.
SCIAMACHY is het eerste satellietinstrument dat op een wereldwijde schaal informatie heeft verzameld over halfzwaar water in de onderste lagen van de atmosfeer. Toekomstige instrumenten zullen deze metingen nog substantieel kunnen verbeteren. Gedetailleerdere metingen van het waterisotoop kunnen al verwacht worden van het TROPOMI-instrument, dat aan boord van ESA’s Precursor Sentinel-5 in 2014 zal worden gelanceerd. Hiermee zijn de watercyclus en de aanwezigheid van halfzwaar water in de atmosfeer veel nauwkeuriger in de tijd te volgen. Mogelijk kan dat op een dagelijkse of wekelijkse basis, dus zonder dat de gegevens over veel langere perioden moeten worden gemiddeld. Daardoor groeien de mogelijkheden om met behulp van deze metingen de variatie van waterisotopen te begrijpen. Christian Frankenberg
december 2009 SRON Spectrum
9
Met SAFARI metingen doen aan de grenzen van het heelal Het had een mooie symboliek: bij het uitzwaaien van HIFI werd SRON benoemd tot projectleider van opvolger SAFARI, de Europese bijdrage aan de Japanse infraroodmissie SPICA. SRON werkt hard aan de ontwikkeling van ultragevoelige infrarooddetectoren voor SAFARI, waarmee we meer te weten kunnen komen over de vorming van sterrenstelsels aan de grenzen van het heelal.
SAFARI is de Europese bijdrage aan de Japanse infraroodmissie SPICA. SPICA kijkt nog dieper het heelal in dan Herschel om te onderzoeken hoe aan de grenzen van het heelal zich de eerste sterrenstelsels vormden. SRON is projectleider voor de ontwikkeling van ultragevoelige infrarooddetectoren voor SAFARI (ESA/JAXA).
Hoewel het doorgaan van de missie nog niet vast staat, kan SPICA/ SAFARI worden gezien als opvolger van de Herschel/HIFI-missie. De 3,5 meter grote spiegel van SPICA is bijna een kopie van de spiegel van Herschel, maar wordt gekoeld op tot bijna het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). Daardoor worden de detectoren niet verblind door de warmtestraling van de spiegel zelf en kunnen de instrumenten nog zwakkere infraroodbronnen detecteren dan Herschel. Na de geplande lanceerdatum in 2018 kijkt SPICA nog dieper het heelal in om te onderzoeken hoe aan de grenzen van het heelal zich de eerste sterrenstelsels vormden. Een groot verschil met HIFI is dat SAFARI geen gebruikmaakt van heterodyne detectoren: dus geen lokaal opgewekt signaal dat wordt gemixt met het signaal uit de ruimte om het gemakkelijker te kunnen verwerken. SAFARI maakt gebruik van zogenoemde ‘imaging arrays’ met in totaal ongeveer 6000 pixels. Het golflengtegebied van SAFARI loopt van 35 tot 200 μm. Om spectrale informatie te verkrijgen wordt gebruikgemaakt van een Fourier Transform Spectrometer. Het mechanisme van deze FTS wordt door TNO ontwikkeld.
‘De detectoren worden niet verblind door de warmtestraling van de spiegel zelf en de instrumenten kunnen zo nog zwakkere infraroodbronnen detecteren dan Herschel.’ Ultragevoelige detectoren Om optimaal te profiteren van de lage infraroodemissies van de gekoelde spiegel, moeten detectoren worden ontwikkeld die enkele ordes van grootte gevoeliger zijn dan de detectoren van Herschel. De SRON-divisie Sensor Research & Technology doet daarom onderzoek naar zowel Kinetic Inductance Detectors (KIDs) als Transition Edge Sensor (TES). Op dit moment is het nog te 10 SRON Spectrum december 2009
SRON werkt voor SPICA/SAFARI onder andere aan KIDs-detectoren, die nog veel gevoeliger zijn dan de infrarooddetectoren van Herschel.
SPICA zal onder meer naar protoplanetaire schijven kijken (C.R. O’Dell/Rice University; NASA, M. Clampin (STScI), H. Ford (JHU), G. Illingworth(UCO/Lick), J. Krist (STScI), D. Ardila (JHU), D. Golimowski (JHU), ACS Science Team, ESA)).
SAFARI moet begin 2010 zien door te dringen tot de volgende fase van ESA’s Cosmic Vision-programma.
vroeg om voor een van deze twee detectoropties te kiezen; dat gebeurt in 2010. De divisie heeft nog een jaar van intensief speurwerk gepland, waarin de detectoren een optimale performance en voldoende ‘technology readiness’ moeten laten zien!
Selectierondes SAFARI zal de zogenoemde Focal Plane van de infraroodtelescoop SPICA hoogstwaarschijnlijk moeten delen met twee of drie andere ruimte-instrumenten. Maar voor het zover is moeten nog wel enkele belangrijke mijlpalen worden gepasseerd. Ten eerste moet SAFARI begin 2010 zien door te dringen tot de volgende fase van ESA’s Cosmic Vision-programma. Als input voor die selectieronde is er de afgelopen maanden door SRON en andere leden van het SAFARI-consortium hard gewerkt aan het ‘Yellow Book’, waarin uitgebreid de wetenschappelijke, operationele en technische aspecten van de SPICA-missie worden beschreven.
‘De algemene verwachting is wel dat SAFARI wordt geselecteerd, want SPICA/SAFARI is een aantrekkelijke missie voor ESA.’ De algemene verwachting is wel dat SAFARI wordt geselecteerd, want SPICA/SAFARI is een aantrekkelijke missie voor ESA. Ten eerste omdat Europa de technologie heeft om de extreem gekoelde spiegel van SPICA te leveren. Verder is SAFARI voor ESA relatief makkelijk, omdat de verantwoordelijkheid voor de lancering en de satelliet bij de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA ligt. In 2011 volgt de definitieve selectie voor de missies binnen Cosmic Vision. Ook in Japan is de SPICA-missie nog niet door alle selectierondes.
Overdracht PI Tot september 2009 lag de wetenschappelijke leiding van de ontwikkeling van SAFARI bij het Rutherford Appleton Laboratory (RAL). Door veranderde prioriteiten bij de Britse organisatie voor wetenschappelijk onderzoek kwam begin dit jaar de mededeling dat RAL niet langer geld kreeg om als Principal Investigator (PI) van SAFARI op te treden. Dat betekende een uitgelezen kans voor SRON om na de projectleiding voor HIFI alweer een nieuw PI-schap binnen te halen. Mogelijke andere kandidaten binnen het SAFARI-consortium hadden of geen geld, of geen ervaring, of waren al ‘volgeboekt’ met andere missies. Alleen het Spaanse ruimteonderzoeksinstuut CAB toonde interesse, maar na onderling overleg tussen CAB en SRON is een gezamenlijk voorstel gedaan waarin SRON als PI optreedt en de Spanjaarden een belangrijke rol op zich nemen in de ontwikkeling van de Focal Plane Unit. Dit voorstel is in Kourou goedgekeurd door de daar aanwezige leden van het SAFARIconsortium. De officiële overdracht van het PI-schap was op 15 en 16 september in Rome. Gert de Lange
december 2009 SRON Spectrum
11
Nederlandse ruimtetechnologie draagt bij aan Japanse missie SRON en het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zijn het eens geworden over samenwerking in het ruimteonderzoek. Eerste stap in de samenwerking is de deelname van SRON aan de ASTRO-H-missie, de Japanse röntgenmissie die grootschalige structuren in het universum gaat bestuderen, evenals extreme omstandigheden nabij zwarte gaten, de versnelling van kosmische deeltjes tot hoge energieën en donkere materie. SRON draagt bij aan de röntgenspectrometer van ASTRO-H, die voor het eerst tegelijkertijd kaarten én uiterst nauwkeurige spectra kan maken van clusters van melkwegstelsels en overblijfselen van supernova’s. De overeenkomst tussen SRON en ruimtereus JAXA is ondertekend op woensdag 28 oktober 2009, op de Nederlandse ambassade in Tokio. ‘Internationale samenwerking is onontkoombaar in het moderne ruimteonderzoek,’ zegt SRON-directeur Roel Gathier. ‘En JAXA is een internationaal zeer gerenommeerde partner. Ik verwacht dat – in aanvulling op SRON’s deelname aan de ASTRO-H missie – er verschillende gebieden zijn waarop de samenwerking tussen JAXA en SRON in de toekomst kan worden versterkt. SRON heeft de leiding over de voorbereidingen voor het Europese ruimte-instrument SAFARI, dat in beeld is voor de Japanse ruimtetelescoop SPICA. En we hebben ook een goed track record op het gebied van het onderzoek aan de chemische samenstelling van de atmosfeer van de Aarde, gerelateerd aan klimaatverandering, luchtvervuiling en het gat in de ozonlaag. Er zijn al plannen om een gecombineerde analyse te maken van de gegevens van de Japanse SMILES-ruimtemissie en SRON’s balloninstrument TELIS, wat het corrigeren voor afwijkingen (kalibratie, red.) voor beide instrumenten eenvoudiger maakt.’
Filterwiel en röntgenbron Een eerste stap in de samenwerking met JAXA is de deelname van SRON aan de röntgenspectrometer van ASTRO-H. Deze Soft X-ray Spectrometer (SXS), een van de belangrijkste waarnemingsinstrumenten aan boord, wordt gebouwd door Japan (JAXA/ISAS) en de VS (NASA/GSFC), met bijdragen van Europa. SXS is uniek omdat het ruimte-instrument gelijktijdig zowel kaarten als uiterst nauw12 SRON Spectrum december 2009
keurige spectra kan maken van objecten in het verre heelal, zoals clusters van melkwegstelsels en overblijfselen van supernova’s. De bijdrage van SRON aan de hardware van de spectrometer bestaat uit de bouw van een filterwiel (samen met de Universiteit van Genève) en de ijkbron aan boord van het ruimte-instrument (zie onder). De geplande lanceerdatum is in 2013. Dr. Jan Willem den Herder, projectleider voor SRON: ‘Met het filterwiel kunnen we de wetenschappelijke prestaties van het instrument verbeteren en betere waarnemingen doen aan een grote variëteit aan astrofysische bronnen. De spectra van deze bronnen variëren behoorlijk in intensiteit, wat in het geval van sterke röntgenbronnen kan leiden tot een overbelasting van de spectrometer. De speciale filters in het wiel voorkomen dit. Het unieke energie-scheidend vermogen van de spectrometer vereist verder een continue correctie voor kleine fluctuaties in de energieschaal van het instrument. Om dit goed te kunnen doen, heb je aan boord een nieuw type röntgenbron nodig, die aan en uitgezet kan worden. SRON zal zo’n ijkbron voor ASTRO-H ontwikkelen. SRON levert tot slot ook een bijdrage aan het ontwerp, de algehele ijking, de operationele aansturing en de wetenschappelijke analyse van de gegevens.’
Andere missies De samenwerking voor ASTRO-H zou volgens Jan Willem den Herder heel goed een voorbode kunnen zijn van samenwerking in andere missies. ‘We werken al samen met Amerikaanse en Japanse collega’s aan de realisatie van een extreem gekoelde röntgenspectrometer voor het internationale X-ray Observatory (IXO), de missie die nu wordt bestudeerd door JAXA, NASA en ESA. Ook voor de kleine DIOS-satelliet, een mogelijke Japanse missie voor de bestudering van het ijle gas tussen clusters van melkwegstelsels, lijkt samenwerking voor de hand te liggen.’ En, zoals elders vermeld, leidt SRON ook de voorbereidingen voor het Europese ruimte-instrument SAFARI (zie blz. 10/11). NWO, in het bijzonder het NWO-gebied Exacte Wetenschappen, steunde de deelname van SRON aan de ASTRO-H-missie met aanvullende financiering. Frans Stravers
Planetair onderzoek met spectropolarimetrie De internationale belangstelling voor planetair onderzoek is de laatste jaren sterk toegenomen. Ook SRON heeft binnen het bestaande aardgerichte ruimteonderzoek een duidelijk zichtbare planetaire tak ontwikkeld. Als gevolg daarvan is de naam van de divisie Earth Oriented Science (EOS) aangepast in Earth and Planetary Science (EPS). De planetaire onderzoeksgroep van de divisie concentreert zich op het bepalen van de samenstelling van de atmosfeer en het oppervlak van (exo)planeten met behulp van spectropolarimetrie. Spectropolarimetrie is het meten van zowel de totale flux als de polarisatiegraad van het gereflecteerde licht. Deze methode wordt al succesvol door EPS toegepast in het aardatmosfeeronderzoek, bij het karakteriseren van bijvoorbeeld aerosols, wolken en (troposferisch) ozon met onder andere de waarnemingsinstrumenten GOME(-2) en SCIAMACHY. Deze metingen zijn van belang voor het onderzoek naar de stralingsbalans, chemie, klimaat en luchtkwaliteit van onze aardse atmosfeer. Op de luchtkwaliteit na (maar daar zou je stofstormen op Mars voor in de plaats kunnen zetten) komen dezelfde onderzoeksthema’s terug in het onderzoek aan andere planeten dan de aarde. Daarmee levert het onderzoek van EPS een belangrijke bijdrage aan een beter begrip van de fysische, chemische en klimatologische processen in planeetatmosferen, en de verschillen tussen de planeten onderling.
De structuur en samenstelling van planeetoppervlakken geven bovendien informatie over het ontstaan van stofstormen (Mars), oppervlaktebreuken en inwendige processen van bijvoorbeeld de manen Europa en Ganymedes van Jupiter. Voor dit onderzoek wordt samen met het Sterrenkundig Instituut van de Universiteit Utrecht (UU/SIU), TNO, S&I en andere partners een prototype van het SPEX-instrument ontwikkeld. SPEX (Spectropolarimeter for Planetary Exploration) speelt een centrale rol in diverse initiatieven voor missies naar planeten en manen binnen ons zonnestelsel.
Het SPEX-instrument speelt een centrale rol in diverse initiatieven voor missies naar planeten en manen binnen ons zonnestelsel (ESA).
Exoplaneten ‘Sterlicht dat door een planeet wordt gereflecteerd, is gepolariseerd,’ zegt onderzoekster dr. Daphne Stam. ‘Daardoor kan spectropolarimetrie ook een belangrijke bijdrage leveren aan de zoektocht naar planeten buiten ons zonnestelsel (exoplaneten), maar vooral ook aan het bepalen van de samenstelling van de atmosfeer en het oppervlak van dergelijke planeten. Deze laatste twee aspecten geven informatie over de lokale condities voor (het ontstaan van) leven. Spectropolarimetrie wordt verder onder leiding van SRON en UU/SIU onderzocht in het kader van het Amerikaanse missie-concept NWO (New Worlds Observer).’ De planetaire groep bij SRON-EPS staat onder wetenschappelijke leiding van dr. Daphne Stam. De groep werkt daarbij nauw samen met de aardatmosfeergroep van EPS, die onder wetenschappelijke leiding staat van prof. dr. Ilse Aben. Dr. Avri Selig staat aan het hoofd van EPS. Frans Stravers
‘Spectropolarimetrie kan ook een belangrijke bijdrage leveren aan de zoektocht naar planeten buiten ons zonnestelsel (exoplaneten), maar vooral ook aan het bepalen van de samenstelling van de atmosfeer en het oppervlak van dergelijke planeten.’
SRON-onderzoekers concentreren zich op het bepalen van de samenstelling van de atmosfeer en het oppervlak van (exo) planeten met behulp van spectropolarimetrie (ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)).
december 2009 SRON Spectrum
13
KORT NIEUWS
Het instrument SCIAMACHY op de Envisatsatelliet is normaal gesproken gericht op de aarde, maar heeft nu ook gekeken naar Venus (ESA).
Venusmetingen unieke testcase voor jacht op exoplaneten Een internationaal team van onderzoekers is er in juni in geslaagd om met behulp van de spectrometer SCIAMACHY die zich op de Envisat-satelliet bevindt, naar Venus te kijken. Deze metingen kunnen de zoektocht naar aarde-achtige planeten bij andere sterren vergemakkelijken. Venus is bijna even groot als de aarde maar lijkt vanuit SCIAMACHY gezien maar één lichtpuntje aan de hemel. Doordat Venus dichter bij de zon staat dan de aarde, is de planeet gedurende het jaar bovendien onder verschillende ‘belichtingshoeken’ te zien. Dit maakt SCIAMACHY’s Venusmetingen een unieke testcase voor toekomstige waarnemingen van exoplaneten, die ook hooguit als een enkel lichtstipje gezien kunnen worden en onder soortgelijke belichtingshoeken. De metingen zijn ideaal om computermodellen voor de analyse van exoplaneetwaarnemingen te testen. SRON-planeetonderzoeker dr. Daphne Stam: ‘Ons computermodel bleek de eerste SCIAMACHY-metingen aan Venus, waarbij maar een heel klein stukje van de dagkant van de planeet in zicht was, prima te
beschrijven. De metingen van 25 juni waren een nieuwe testcase, omdat Venus toen onder een heel andere hoek werd geobserveerd, waarbij vooral de wolken en het deel van de atmosfeer waar ultraviolet licht wordt geabsorbeerd veel beter in beeld waren. De aanpassingen die we hierdoor aan onze modelatmosfeer moesten maken, leiden uiteindelijk tot informatie over de Venusatmosfeer, bijvoorbeeld over de hoogte van de wolken en hopelijk ook over de verdeling van de mysterieuze absorberende stof.’ De exoplaneten die tot op heden bekend zijn, zijn vooral grote gasreuzen, zoals Jupiter in ons zonnestelsel. Maar de komende jaren zullen ook steeds meer kleine, rotsachtige planeten als de aarde en Venus worden gevonden, zegt Stam. ‘Hopelijk zullen we er zo rond 2020 in slagen om met nieuwe missies en instrumenten waar ook SRON bij betrokken is licht van deze kleine exoplaneten te meten. Dan kunnen we met behulp van onze grondig geteste computermodellen de samenstelling van hun atmosfeer ontrafelen.’
Nieuwe vijfassige, simultaan gestuurde freesmachine SRON is in het bezit gekomen van een zeer goed uitgeruste, vijfassige en computergestuurde freesmachine: de DMU 40 MonoBlock. De machine is de tweede CNC-freesmachine die SRON in zijn bezit heeft. De eerste CNC freesmachine is alweer 10 jaar in gebruik en heeft drie gestuurde assen (frees- en boorbewerkingen kunnen slechts in één vlak uitgevoerd worden). Met de nieuwe machine is het, vanwege de twee extra assen (een zwenkkop en rotatietafel) mogelijk om in één opspanning het werkstuk aan vijf vlakken die boven de klem uitsteken te bewerken.
14 SRON Spectrum december 2009
Hierdoor neemt de nauwkeurigheid van het product toe. Ook is het mogelijk geworden om dubbelgekromde oppervlakken te frezen. Verder kan de nieuwe machine frezen met een maximum toerental van 24000 omw/min in tegenstelling tot 9000 bij de oude. Hierdoor kunnen zeer fijne contouren gefreesd worden met behulp van dunne frezen (~0,3 mm). De machine is voorzien van een aantal moderne meet- en kalibratiemiddelen, waardoor veel meer precisie mogelijk is. De DMU 40 is een van de meest compacte vijfassige CNC freesmachines die op dit moment verkrijgbaar zijn.
Andrey Barychev werkt onder andere aan de technologie van de band 9-detectoren van ALMA (Atacama Large Millimeter Array), de nieuwe submm-telescoop in aanbouw in Noord-Chili (ESO).
Europese onderzoekssubsidie voor Baryshev SRON-onderzoeker dr. Andrey Baryshev heeft een Starting Grant toegekend gekregen van de European Research Council (ERC). Met de ERC-subsidie van 0,9 miljoen euro gaat Baryshev werken aan de ontwikkeling van zogenoemde Microgolf Kinetische Inductie Detectoren (KIDs).
Een instrumentmaker aan het werk met de nieuwe freesmachine. De nieuwe machine kan onder andere spiegels frezen voor ruimte-instrumenten.
Andrey Baryshev werkt als ‘instrument scientist’ bij SRON aan de ontwikkeling van nieuwe detectoren, zowel voor ruimtetelescopen als voor telescopen op de grond. Hij werkt onder andere aan de technologie van de band 9-detectoren van ALMA (Atacama Large Millimeter Array), de nieuwe submm-telescoop die in aanbouw is in Noord-Chili. Deze technologie is afgeleid van het HIFI-instrument aan boord van de Europese ruimtetelescoop Herschel. Met de ERC-subsidie gaat Baryshev werken aan de ontwikkeling van zogenoemde Microgolf Kinetische Inductie Detectoren (KIDs). KIDs zijn supergevoelige stralingsdetectoren die functioneren bij extreem lage temperaturen van een tiende graad boven het absolute nulpunt. Bij KID-detectoren is het relatief eenvoudig om meerdere pixels te plaatsen. Het voordeel daarvan is dat het minder tijd kost om een optimaal gedetailleerde afbeelding te maken van astronomisch interessante objecten. Deze detectoren worden specifiek ontwikkeld voor toepassing in de volgende generatie ver-infraroodruimtetelescopen, waarvan alle optica actief wordt gekoeld. Die zijn zo gevoelig dat straling uit de donkerste hoeken van het heelal gemeten kan worden. De Starting Grant is bedoeld voor onderzoekers die twee tot negen jaar geleden zijn gepromoveerd en zich willen vestigen als onafhankelijk onderzoeksleider. december 2009 SRON Spectrum
15
Colofon SRON Spectrum is de nieuwsbrief van SRON Netherlands Institute for Space Research en verschijnt drie keer per jaar. SRON maakt deel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, NWO. Wilt u zich aan- of afmelden voor SRON Spectrum, stuur dan een e-mail naar
[email protected]. Uitgave SRON Netherlands Institute for Space Research Sorbonnelaan 2 3584 CA Utrecht T 088 777 5600 F 088 777 5601 Landleven 12 Postbus 800 9700 AV Groningen T 050 363 4074 F 050 363 4033
[email protected] www.sron.nl Redactie Frans Stravers, Tessa Knaake Vormgeving GOfor Design, Den Haag Druk Drukkerij Badoux, Houten
Figuur cover: SRON-engineers testen een op aarde achtergebleven reserveonderdeel van de HIFI-elektronica (Ivar Pel/SRON).
