Regeling van de Minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap van 16 augustus 2024, nr. 47521006 houdende wijziging van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope in verband met het openstellen van het technologiedomein thermische deformaties

De Minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap,

Gelet op artikel 1.2 van de Kaderregeling subsidies OCW, SZW en VWS;

Besluit:

ARTIKEL I

De R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope wordt als volgt gewijzigd:

A

In artikel 8, tweede lid, wordt ‘bijlage 2, 4 en 5’ vervangen door ‘bijlage 2, 4, 5 en 6’.

B

In artikel 11, tweede lid, wordt ‘bijlage 2, 4 en 5’ vervangen door ‘bijlage 2, 4, 5 en 6’.

C

Aan de regeling wordt na bijlage 5 een bijlage toegevoegd, die luidt:

Bijlage 6. Openstelling Thermische deformaties

Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope

Openstelling Thermische deformaties

De openstellingstermijn, bedoeld in artikel 8, eerste lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope voor het technologiedomein Thermische Deformaties loopt vanaf 2 september 2024 tot en met 17 oktober 2024 om 23:59 uur. Het subsidieplafond, bedoeld in artikel 11, tweede lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope bedraagt € 2.250.000,00. De uiterste einddatum voor afronding van projecten binnen dit domein is 30 juni 2027.

Uitwerking technologiedomein Thermische deformaties

1. Introductie

Detectoren van zwaartekrachtgolven gebruiken krachtige laserstralen om de kilometerslange afstand tussen supergepolijste spiegels te meten. Het interferometrische proces vergelijkt twee bundels voor een differentiële meting. Om de interferometer de extreme gevoeligheid te laten bereiken die voor Einstein Telescope (hierna: ET) wordt beoogd, moeten de optische verliezen in het systeem niveaus van tientallen paar delen per miljoen (hierna: ppm) bereiken en moet het golffront van de hoofdlaser onvervormd blijven om contrastdefecten op een vergelijkbaar niveau te bereiken. Hieronder staat een nadere toelichting.

2. Uitdaging samengevat

Elk defect in de grote optiek van ET kan de prestaties van de detector op verschillende manieren verminderen, bijvoorbeeld via optisch verlies, door vervorming in de stuursignalen van de interferometer of door het opwekken van stralingsdrukgestuurde resonanties in het opto-mechanische systeem. Niet alle defecten kunnen worden vermeden tijdens de fabricage. We gebruiken optische uitlezingen van de hoofdlaserbundel om extra vervormingen te meten en te beperken.

We hebben ruimtelijk opgeloste, zeer nauwkeurige metingen van de optische fase op verschillende locaties nodig. Er moet een gedetailleerd opto-mechanisch model worden gebruikt om een globaal detectie- en regelsysteem te ontwerpen. We moeten informatie over individuele defecten afleiden uit de globale toestand van de interferometer. Tot slot moeten we contactloze actuatoren ontwikkelen die de gemeten optische defecten in-situ kunnen verminderen of compenseren.

Kortom, we hebben een continu en contactvrij detectie- en regelsysteem nodig met een interferometrische fasenauwkeurigheid van beter dan 10^-14 voor een 10 km lange interferometer met vrij bewegende spiegels met een massa van ongeveer 200 kg.

3. Uitdaging van thermische deformaties in meer detail

De transversale ruimtelijke eigenschappen van een laserbundel spelen een belangrijke rol in de laserinterferometers van ET. Elk verschil in de vorm van de hoofdlaserbundel tussen de interferometerarmen veroorzaakt imperfecte interferentie, wat leidt tot signaalverlies. Bovendien worden radiofrequente zijbandcomponenten van de bundel gebruikt om de positie en oriëntatie van de interferometeroptiek uit te lezen. Elke ruimtelijke vervorming van deze velden kan leiden tot systematische fouten in de optische uitlezing, waardoor de regelsystemen de spiegels verkeerd richten, wat leidt tot signaalverlies. Daarnaast zijn verschillende opto-mechanische systemen afhankelijk van een gecontroleerde vorm van de bundel, en afwijkingen kunnen de oorzaak zijn van instabiliteiten, zogenaamde parametrische instabiliteiten, en hoekcontrole-instabiliteiten, die het onmogelijk kunnen maken om de interferometer operationeel te krijgen en te houden.

De huidige Virgo en LIGO interferometers hebben veel last gehad van dergelijke problemen. In Virgo en LIGO in het bijzonder, is de thermische vervorming van het optisch systeem als gevolg van de resterende zeer kleine absorptie van de laserbundels met hoog vermogen een groot probleem. Dat probleem verhindert het gebruik van het volledige laservermogen tot op de dag van vandaag. Gedetailleerde studies met deze experimenten hebben geleid tot de identificatie van de belangrijkste uitdagingen die we voor ET moeten aanpakken.

ET bestaat uit drie detectoren die samengevouwen zijn in een driehoek. Iedere detector wordt gevormd door twee interferometers, een voor de laagfrequente zwaartekrachtsgolven (hierna: LF) en een voor de hoogfrequente zwaartekrachtsgolven (hierna: HF). In totaal huisvest ET daarom zes 10 km lange interferometers.

Het gebruik van twee interferometers voor elke detector, één werkend bij hoog optisch vermogen (ET HF) en één bij laag optisch vermogen (ET LF), helpt om de invloed van de thermisch geïnduceerde effecten te verminderen. Resterende bundelvormdefecten moeten echter nog steeds worden gecontroleerd en onze huidige hulpsystemen voor het meten en compenseren van spiegeldefecten voldoen niet aan de ET-eisen.

Nauwkeurige golffrontmetingen: we kunnen optische uitlezingen van de hoofdlaserbundel of van radiofrequentie-componenten (hierna: RF-componenten) die meebewegen met de hoofdbundel gebruiken om golffrontfouten te meten en daaruit de defecten af te leiden van de 7 hoofdoptieken in de grote interferometer. De bundel is van uitstekende kwaliteit in fase, amplitude en vorm en levert dus een zeer nauwkeurige aflezing. Maar omdat het de impact van 7 optieken in gekoppelde optische resonatoren mengt, is de afleiding van deze metingen een uitdaging. Nauwkeurigere golffrontsensoren, met een hoge ruimtelijke en tijd oplossing, kunnen de basis vormen voor een krachtiger systeem.

Detectie van de hulpspiegelkwaliteit: Sommige specifieke defecten, zoals vervormingen door puntabsorbers in de spiegelcoating, kunnen veel nauwkeuriger worden gemeten met een speciale hulpbundel dan met de optische uitlezing van de hoofdbundel. Speciale Shack-Hartmann en Hartmann sensoren zijn ontwikkeld en getest in LIGO en Virgo, maar voldoen nog niet aan de ET eisen. Bovendien zijn deze tot nu toe gericht op oppervlaktevervormingen, terwijl een thermisch geïnduceerde gradiënt van de brekingsindex in het hoofdmateriaal het dominante probleem kan zijn, vooral in de hoofdbundelsplitser met de gecompliceerde geometrie van 4 invallende bundels.

Afleiding van de interferometertoestand uit optische detectie: golffrontwaarnemingen van de hoofdbundel leveren informatie over de globale toestand van de interferometer, door de gecombineerde vervormingen van 7 optieken (reflecties en transmissies) te meten. We zijn succesvol geweest in het ontwerpen van schema's voor positie- en oriëntatieregeling, die alle vrijheidsgraden van de optische systemen kunnen uiteenrafelen uit de uitlezingen van de hoofdbundel. Een soortgelijk schema is nog niet volledig gedemonstreerd voor het meten van vervormingen van spiegeloppervlakken.

Modellering van de opto-mechanische dynamica van de interferometer: De toestand van de interferometer hangt het sterkst af van de positie en oriëntatie van de spiegels. De regelkringen voor deze vrijheidsgraden kunnen worden beïnvloed door veranderingen in de vorm van de bundel. Stralingsdrukeffecten veroorzaken extra koppelingen tussen de optica en hun mechanische ophangsystemen, wat leidt tot een nauw gekoppeld systeem dat meer dan 10 km lang is en optische, mechanische en elektronische regelsystemen koppelt. De meeste systemen zijn zeer niet-lineair en gekoppeld via meerdere kanalen, tenzij het systeem zich al in een stabiele toestand bevindt in een zeer klein volume van de beschikbare parameterruimte. Vanwege dit specifieke type optische en opto-mechanische koppeling dat inherent is aan de ET interferometers, kunnen we geen modelagnostische inferentiemethoden gebruiken, maar zijn we afhankelijk van gedetailleerde numerieke modellen van de hardware. Door nauw samen te werken met de Virgo- en LIGO-detectoren moeten we modellen ontwikkelen die correct overeenkomen met de gemeten gegevens van de belangrijkste typen fouten gerelateerd aan spiegeloppervlaktedefecten.

Contactloze compensatie van spiegelvervormingen: In de huidige detectoren gebruiken we ruimtelijk gestuurde verwarming van de spiegels om thermisch geïnduceerde defecten te compenseren. Verschillende soorten actuatoren zijn speciaal ontwikkeld voor gebruik in interferometers voor zwaartekrachtsgolven, zoals ringvormige verwarmers, gesegmenteerde verwarmingsarrays en CO₂-lasers die een programmeerbaar warmteprofiel op het spiegeloppervlak kunnen leveren. Sommige van deze systemen kunnen verder ontwikkeld worden voor ET-HF, dat gesmolten siliciumdioxide optica gebruikt bij kamertemperatuur. Maar voor ET-LF, met de hoofdspiegels op een cryogene temperatuur onder 20 Kelvin (hierna: K), kan dezelfde benadering niet worden gebruikt. We moeten een nieuw contactloos schema ontwikkelen voor golffrontcompensatie in cryogene omgevingen.

Adaptieve optiek in hulpsystemen: de optische hulpsystemen rond de hoofdinterferometer maken gebruik van optische telescopen, periscopen, Faraday isolatoren, enzovoort-. Elk optisch defect in deze systemen kan de signalen van de hoofdinterferometers maskeren. We zijn bijvoorbeeld van plan om kleine-bundel stuurinrichtingen te gebruiken om de optische bundels gecentreerd te houden op optische sensoren, zelfs als de oriëntatie van de hoofdspiegels verandert. Deze systemen moeten deel uitmaken van een gecombineerd systeem dat golffrontvervormingen en uitlijnfouten in hulpoptieken kan compenseren. In de meeste hulpsystemen is de straal van de optische bundel aanzienlijk kleiner dan in de hoofdinterferometer (een paar mm tot een paar cm) en we verwachten dat bekende technieken uit de adaptieve optica gebruikt kunnen worden in deze systemen.

Oppervlaktekwaliteit van optiek met vrije vorm: de huidige optiek voor detectoren voor zwaartekrachtgolven is afhankelijk van de nieuwste polijsttechnieken die beschikbaar zijn voor bolvormige oppervlakken. In de afgelopen decennia hebben we een uitgebreide kennis ontwikkeld over cilindrische substraten met supergepolijste sferische oppervlaktevormen. Voor sommige toepassingen zou vrije-vorm optiek echter interessante voordelen bieden, bijvoorbeeld door de footprint van hulpsystemen te verkleinen of door compactere bundel-expander-telescopen in de hoofdinterferometers mogelijk te maken. We moeten een demonstratiemodel ontwikkelen om de prestaties van moderne vrije-vorm optica te testen door de hele keten heen: vanaf het formuleren van eisen, fabricage, validatie en bedieningsgemak.

4. Specifieke doelstelling(en) binnen dit domein

Binnen dit domein is er een aantal specifieke uitdagingen waarbij de inbreng van het bedrijfsleven is gewenst. Deze uitdagingen zien er als volgt uit:

• Wavefront sensing bij RF modulatiefrequenties, met hoge ruimtelijke en temporele resolutie.

• Hulpsystemen om vervormingen van spiegeloppervlakken lokaal te volgen.

• Inferentie van bundel- en spiegelvervorming binnen het volledige optische systeem uit golffrontsensorgegevens.

• Modellering van een complex opto-mechanisch systeem van 7 hangende spiegels met een nauwkeurigheid van sub-pm RMS and 10^-20m in the measurement zone.

• Contactloze actuatie van golffronten van de belangrijkste testmassa's (d.w.z. over een gebied van >50 cm).

• Adaptieve golffrontcorrectie in bundeltelescopen voor hulpsystemen.

• Vrije-vorm optiek met een golffrontkwaliteit vergelijkbaar met supergepolijste sferische of parabolische optiek.

5. Context van het technologiedomein thermische deformaties

Detectoren van zwaartekrachtgolven gebruiken krachtige laserstralen om de kilometerslange afstand tussen supergepolijste spiegels te meten. Het interferometrische proces vergelijkt twee bundels voor een differentiële meting. Om de interferometer de extreme gevoeligheid te laten bereiken die voor ET wordt beoogd, moeten de optische verliezen in het systeem niveaus van tientallen ppm bereiken en moet het golffront van de hoofdlaser onvervormd blijven om contrastdefecten op een vergelijkbaar niveau te bereiken. Hieronder staat een nadere toelichting.

Delen van het optische systeem in ET kunnen meerdere Megawatt (hierna: MW) continu laservermogen aan. Restabsorptie zorgt ervoor dat de optische testmassa's opwarmen en mechanisch vervormen, wat op zijn beurt leidt tot golffrontvervormingen en hoger optisch verlies door verstrooiing. Om dit effect te beperken, voorzien we een feedbacksysteem met gesloten lus dat continu de kwaliteit van de optische bundel meet en contactloze activering gebruikt om de vervorming van de testmassa's te corrigeren.

Soortgelijke systemen zijn ontwikkeld voor de huidige detectoren LIGO en Virgo, en we kunnen profiteren van ontwikkelingen in adaptieve optica op andere gebieden. We worden echter geconfronteerd met extra uitdagingen die specifiek zijn voor onze toepassingen: de vereiste golffrontnauwkeurigheid voor de hoofdbundel ligt op een niveau waarop gewone golffrontsensoren niet volstaan. Ruimtelijk opgeloste fase- en intensiteitsmetingen bij radiofrequenties en een hoge temporele en ruimtelijke resolutie zijn vereist. Daarnaast vereist de interpretatie van de sensorgegevens een gedetailleerd model van het dynamische gedrag van een complex opto-mechanisch systeem. De stralingsdruk van de laserbundel vormt een sterke elastische koppeling tussen de spiegels, waardoor een zeer complex opto-mechanisch systeem ontstaat dat zich uitstrekt over de gehele 10 km van ET. Zogenaamde parametrische instabiliteiten kunnen zich onder specifieke omstandigheden ontwikkelen en resonanties van de gekoppelde opto-mechanische resonatoren opwekken.

Last but not least hebben we alleen ervaring met contactvrije golffrontcorrectie bij kamertemperatuur, terwijl voor sommige systemen in ET een dergelijke actuatie nodig kan zijn bij of in de buurt van spiegels bij cryogene temperaturen (10K).

6. Gerelateerde projecten

In een aantal gerelateerde projecten is reeds vooronderzoek gedaan naar deze technologie:

• Finesse: Dit project ontwikkelt geavanceerde software voor het modelleren van het optische systeem in detectoren voor zwaartekrachtgolven. De software bevat veel speciale eigenschappen van de ET interferometers, zoals vervorming van het spiegeloppervlak, optische veren, RF detectie, complexe terugkoppelingsschema's en injectie van squeezed licht. De software wordt wereldwijd gebruikt in alle zwaartekrachtgolfprojecten. De projectontwikkeling wordt geleid en gecoördineerd door Nikhef in Amsterdam.

• Virgo Phase Camera: De Virgo gravitatiegolfdetector bij Pisa is een grote faciliteit die ondersteund wordt door een internationale samenwerking. Nikhef levert zogenaamde Phase Camera's voor de hoofdinterferometers. De Nikhef Phase Camera maakt gebruik van een scanning beam systeem en RF modulatie om ruimtelijk opgeloste metingen te doen van het golffront van verschillende RF componenten van de hoofdbundel. De eerste versie van de Phase Camera werkt in de Virgo-detector. Op Nikhef in Amsterdam loopt een onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma voor toekomstige upgrades van het systeem.

• ETpathfinder: deze faciliteit in Maastricht is de belangrijkste O&O-infrastructuur voor de ET in de EMR Euregio. Het bestaat uit twee complete interferometers, met cryogene kernoptiek, met hetzelfde complexiteitsniveau als een zwaartekrachtgolfdetector. De spiegels worden opgehangen in een ultrahoog vacuüm door gebruik te maken van de modernste technologie. De interferometerconfiguraties zullen verschillen van de optische lay-out van ET, maar de infrastructuur zal het testen van geavanceerde optische sensoren en mogelijk nieuw ontwikkelde actuatoren mogelijk maken.

ARTIKEL II

Deze regeling treedt in werking met ingang van de dag na de datum van uitgifte van de Staatscourant waarin zij wordt geplaatst.

Deze regeling zal met de toelichting in de Staatscourant worden geplaatst.

De Minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap, E.E.W. Bruins

TOELICHTING

Achtergrond

Op basis van het positieve advies van de Adviescommissie Nationaal Groeifonds (hierna: NGF) heeft het kabinet op 12 juli 2022 besloten tot een gefaseerde financiering voor de bouw van de zogenoemde Einstein Telescope (ET). Aan het project ET is een bijdrage van € 42 miljoen uit het NGF toegekend voor de voorbereidingsfase van het project (2022 – 2028). In deze voorbereidingsfase geldt een tweeledig doel. Het eerste doel is ervoor te zorgen dat de ET in de Euregio Maas-Rijn (hierna: EMR) wordt gebouwd. Over de definitieve locatie voor de bouw van de ET moet in Europees verband nog een keuze worden gemaakt. Een alternatieve locatie is Sardinië in Italië. De NGF-middelen zijn voor een deel bedoeld voor een haalbaarheidsstudie. Het tweede doel is dat het bedrijfsleven op een effectieve manier wordt betrokken. Deze regeling ziet op dit tweede doel.

De ET wordt een ondergrondse detector voor zwaartekrachtsgolven. In deze detector kunnen hoogwaardige krachtige laserstralen heen en weer kaatsen tussen ijskoude en trillingvrij opgehangen spiegels aan de uiteinden van kilometerslange ondergrondse tunnels. Die tunnels zullen ongeveer elk 10 kilometer lang zijn en bevinden zich 200 tot 300 meter onder de grond. Zwaartekrachtsgolven die de aarde passeren, veroorzaken minieme variaties of trillingen in die laserstralende spiegels. Die variaties kunnen wetenschappers met uiterst gevoelige interferometers onderzoeken. Uit voorlopig onderzoek lijkt de EMR-grensregio geologisch uitstekend geschikt om deze detector te huisvesten vanwege de uiterst stille en stabiele ondergrond. Daarbij ligt Zuid-Limburg midden in een technologieregio met hoogwaardige onderzoeksinstituten en hightechindustrie onder meer geconcentreerd rond Aken, Eindhoven en Leuven. Juist dit laatste sluit aan bij het doel van deze regeling om ook te zorgen dat het bedrijfsleven betrokken gaat worden.

Investeringen in de ET passen uitstekend in de nationale beleidscontext. Er ligt een bredere investeringsopgave voor onderzoeks- en innovatie ecosystemen, waardoor benodigde technologieën sneller en beter kunnen worden ontwikkeld én doorontwikkeld richting (markt)toepassingen. Voor de realisatie van de ET zijn uiterst geavanceerde instrumenten en technologieën nodig die nu nog in ontwikkeling zijn. Deze regeling richt zich op een aantal specifieke technologieën of technologiedomeinen zoals die in deze regeling zijn vastgesteld. De lijst van technologiedomeinen is tot stand gekomen in nauw overleg met betrokken wetenschappers en het Limburgs Instituut voor Ontwikkeling en Financiering (hierna: LIOF). LIOF voert de regeling uit namens de minister. Het zijn allemaal technologieën die uiteindelijk nodig kunnen zijn voor de realisatie van de ET.

Wijziging

Deze regeling wijzigt de R&D-regeling Einstein Telescope. Deze wijziging is benodigd voor de openstelling van de R&D-regeling voor subsidieaanvragen voor het technologiedomein thermische deformaties. Binnen dit domein is er een specifieke uitdaging waarbij de inbreng van het bedrijfsleven is gewenst. Deze uitdaging is: ‘We hebben ruimtelijk opgeloste, zeer nauwkeurige metingen van de optische fase op verschillende locaties nodig. Er moet een gedetailleerd opto-mechanisch model worden gebruikt om een globaal detectie- en regelsysteem te ontwerpen. We moeten informatie over individuele defecten afleiden uit de globale toestand van de interferometer. Tot slot moeten we contactloze actuatoren ontwikkelen die de gemeten optische defecten in-situ kunnen verminderen of compenseren.’ Deze uitdaging wordt nader uitgewerkt in bijlage 6. Voor deze uitdaging is een bedrag van € 2.500.000,00 beschikbaar.

De Minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap, E.E.W. Bruins