“Het is soms lastig te beseffen hoe groot dit project is”, zegt labtechnicus Eliott Duvieusart, terwijl hij vanachter de grote ramen van het bezoekersplatform uitkijkt over de ruimte waar de ETpathfinder wordt gebouwd. Een aantal van zijn collega’s, gekleed in blauwe overall met mondkapje en plastic handschoenen, zijn aan het werk op een steiger. “Ik bel ze even dat er zo een foto met flits wordt gemaakt, dan schrikken ze daar niet van.”
De opstelling dient als plek waar de technologie voor de Einstein Telescoop ontwikkeld en getest wordt. Deze gigantische detector van zwaartekrachtsgolven – minieme trillingen in de ruimtetijd – moet fysici in de toekomst een nieuwe blik op het universum bieden, mogelijk vanuit de Zuid-Limburgse ondergrond (zie kader beneden). “Het is echt the next big thing in ons vakgebied”, zegt universitair docent Sebastian Steinlechner. Al lange tijd houdt het project de gemoederen bezig. “In 2008 schreef ik in Hannover al mijn scriptie over de technologie die ervoor nodig is. Hier komt nu alles samen.”
Begin 2020 stonden er nog tafels en stoelen opgeslagen voor de examens in het MECC. Inmiddels is de hal omgetoverd tot een smetteloos witte cleanroom, alleen toegankelijk via een sluis, nagenoeg zonder stofdeeltjes en met stabiele temperatuur en een vloer die los ligt van de rest van het gebouw om trillingen te dempen. Daarbinnen zijn een zestal metershoge torens verrezen, verbonden door buizen waarin uiteindelijk een vacuüm moet heersen en een temperatuur die het absolute nulpunt nadert. Voor de bouw van de testfaciliteit zijn vele miljoenen uitgetrokken.
Vallen en opstaan
In de torens komen spiegels te hangen waartussen laserstralen heen en weer gaan schieten, via een techniek waarmee de daadwerkelijke detector zwaartekrachtsgolven gaat meten (deze testopstelling is zeer waarschijnlijk te klein om dat zelf ooit te doen). Maar zover is het nog lang niet. “De buitenste ‘schil’ is compleet, maar we beginnen pas net met het binnenwerk, waaronder de lasers en spiegels”, vertelt Duvieusart. Daar zijn de ‘blauwe overalls’ nu mee bezig. “Het gaat per toren – we werken momenteel aan de eerste. So far so good. Maar hoe lang het duurt? Geen idee. Het is een proces van vallen en opstaan.”
Het bezoekersplatform dat uitkijkt over de ETpathfinder, met op de voorgrond (v.l.n.r.) labtechnicus Eliott Duvieusart, onderzoeker Sebastian Steinlechner en promovenda Luise Kranzhoff | Foto: Ellen Oosterhof
Maar er worden geen duimen gedraaid totdat alles af is. “We kunnen beginnen met experimenteren voordat het hele systeem compleet is. Bovendien is het juist het proces van bouwen en het ontwikkelen van de benodigde technologie, dat heel waardevol en leerzaam is. Ook met het oog op praktische zaken waar je niet aan had gedacht. Kleine details, die grote impact kunnen hebben tijdens de bouw van de echte detector. Bijvoorbeeld hoeveel ruimte er nodig is voor het schoonmaken van bepaalde systemen. Daar wil je niet pas achter komen als het ding al diep onder de grond ligt.”
Zwarte gaten en de oerknal
Maar uiteindelijk ligt de grootste uitdaging in het ontwikkelen van de technologie om de zwaartekrachtsgolven te meten. Dat het concept werkt is bekend: daar slaagde LIGO – twee detectoren in de Verenigde Staten – in 2015 voor het eerst in. Een wetenschappelijk huzarenstukje: lange tijd dachten wetenschappers, waaronder Albert Einstein – het brein achter de relativiteitstheorie die het bestaan van de golven voorspelt – zelf, dat een directe meting onmogelijk zou zijn. Samen met de Virgo-detector in Italië deed LIGO inmiddels al honderden metingen.
“Maar die waarnemingen bevatten nog veel ruis”, zegt Steinlechner. “Je ziet dat er iets is, maar veel details ontbreken. Vergelijk het met de eerste telescoop van Galileo, waarmee je alleen vage beelden van heldere objecten zag.” Met de Einstein Telescoop hopen fysici met het ‘echte werk’ te beginnen: veel meer en gedetailleerdere metingen, van dieper uit het universum. Die kunnen vragen over de ware aard van zwarte gaten en andere (wellicht nog onbekende) exotische hemellichamen beantwoorden, en misschien zelfs over de oerknal.
Allereest wordt de Einstein Telescoop een stuk groter, met armen van wel tien kilometer lang. Maar ook de technologie ondergaat een metamorfose. Steinlechner: “Deels is het een verbeterde versie van de huidige detectoren, maar we voegen ook nieuwe elementen toe. Zoals lasers met een lagere frequentie. Daarmee kun je meer en andere dingen meten, waar wetenschappers erg naar uitkijken. Dat vereist wel specifieke materialen. Zo moeten de spiegels van silicium gemaakt worden in plaats van glas.” Verder worden deze ook gekoeld tot zo’n min 250 graden Celsius. “Want warme dingen trillen meer dan koude dingen.” En trillingen wil men zoveel mogelijk beperken: die kunnen desastreus zijn voor de uiterst gevoelige metingen.
Trillende koelkast
Hier liggen de voornaamste uitdagingen, zegt Steinlechner. Onder meer het zo ‘stil’ mogelijk krijgen van de apparatuur. “Want we willen natuurlijk niet dat die zelf voor verstorende trillingen zorgt. Dat is lastig: iets dat koelt is vaak ook erg lawaaierig. Denk aan de koelkast die je hoort trillen als het stil in huis is.” Een andere opgave is het zo glad mogelijk polijsten van de silicium spiegels, zodat de laserstralen zeer precies worden weerkaatst. “Als de spiegel zo groot zou zijn als het IJsselmeer, dan moet de hoogste ‘golf’ op het oppervlak kleiner zijn dan de dikte van een haar. Alleen zijn er maar heel weinig bedrijven in de wereld die zoiets kunnen”, zegt Duvieusart. “Bestaande technieken moeten soms duizend tot tienduizend keer beter gemaakt worden.”
Maastrichtse onderzoekers werken daarbij samen met de industrie en collega’s van andere universiteiten en onderzoeksinstituten uit binnen- en buitenland. Er zijn inmiddels meerdere consortia opgezet waarin enkele miljoenen beschikbaar zijn voor het ontwikkelen van specifieke onderdelen: van ‘stille’ koel- en ophangsystemen voor spiegels tot ultrastabiele lasers, gevoelige meettechnieken en vacuümsystemen.
“Daar zijn bedrijven met een specifieke mindset voor nodig. Het is niet zo dat ze ons gewoon iets ‘verkopen’”, zegt Steinlechner. “Want als de technologie al bestond, dan gebruikten we die waarschijnlijk al. Ze moeten samen met ons iets willen ontwikkelen wat nog nooit gemaakt is. ” Dat kan een risicovolle stap zijn, vult promovendus Luise Kranzhoff aan: er bestaat geen garantie dat het lukt. “Maar als ze erin slagen, dan zijn ze meteen de eerste ter wereld die het kunnen. En ze weten: er zal straks ook iemand de onderdelen voor de daadwerkelijke Einstein Telescoop moeten maken.”
Economisch aantrekkelijk
Bovendien: bij dit soort grootschalige projecten vinden technologische doorbraken regelmatig hun weg naar andere takken van de wetenschap en ver daarbuiten, wat economisch aantrekkelijk kan zijn. Dat is nu al zichtbaar, zegt Kranzhoff. Voor haar promotieonderzoek werkte ze samen met een bedrijfje aan het dempen van trillingen van apparatuur. “Ze hebben nu al ideeën voor andere toepassingen, bijvoorbeeld het stabiliseren van microscopen.” Ook chipgigant ASML, dat mede-eigenaar is van een bedrijf dat werkt aan het polijsten van de spiegels, volgt de ontwikkelingen aandachtig, zegt Steinlechner. “Het maken van zeer gladde oppervlakken komt ook van pas bij het produceren van chips.” Zo zijn er meer voorbeelden. “En we zien dat er opeens grote conferenties in Maastricht plaatsvinden over bijvoorbeeld vacuümtechnieken.”
Hoewel niet alle technieken en materialen aan het Duboisdomein zelf ontwikkeld worden, moeten ze er in de komende jaren uiteindelijk wel allemaal samenkomen, om uiteindelijk één werkend systeem te bouwen. “Best bijzonder om aan iets te werken waar zoveel vakgebieden samenkomen”, zegt Duvieusart, terwijl hij nog eens een blik op de installatie werpt. “Ik ken eigenlijk geen andere plek waar dat kan.” En het mooie is, zegt Kranzhoff met een glimlach, “dat het een testfaciliteit is, dus je kunt gewoon overal aanzitten. Dat gaat bij de echte detector straks echt niet lukken.”