Bijlage 2 R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope: – Technologiedomein

R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope

Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D regeling technologiedomeinen Einstein Telescope De openstellingstermijn, zoals bedoeld in artikel 8, lid 1 van de R&D regeling technologiedomeinen Einstein Telescope voor het technologiedomein Trillingsvrij koelen loopt vanaf het moment van publicatie van deze R&D regeling tot en met 24 november 2023 om 23:59. Het subsidieplafond, zoals bedoeld in artikel 11, lid 2 van de R&D regeling technologiedomeinen Einstein Telescope bedraagt € 2.585.000,00

• 1. Introductie Om de Einstein Telescope mogelijk te kunnen maken moeten er manieren komen om grote spiegels tot 10K trillingsvrij te koelen. In deze openstelling kunnen partijen aanvragen indienen voor projecten die bijdragen aan de ontwikkeling en kwalificatie van trillingsvrije koelingseenheden die gekoppeld kunnen worden aan een Einstein Telescope-achtige omgeving. Deze eenheden moeten tevens voorzien in de strenge lage trillingsvereisten die nodig zijn voor het realiseren van de Einstein Telescope. Hieronder staat een nadere toelichting.
• 2. Uitdaging samengevat De geplande strategie voor de koeling van de spiegels in een Einstein Telescope is een combinatie van cryo-koelers met ultra-lage trillingen, actieve trillingsisolatie van de cryo-cooler cold head en thermische verbinding met lage stijfheid om deze te verbinden met de cryogene payload.
• 3. Uitdaging van de trillingvrije koelunits in meer detail De Einstein Telescope (ET) zal naar verwachting drie detectoren moeten hebben met kernoptieken die werken bij 10K. Om deze reden zullen er 12 UHV cryostaten met een groot volume (10m3) moeten worden gebouwd, die elk een cryogene payload omringen die bestaat uit een spiegel (200kg massa, monokristallijn siliciumsubstraat met een diameter van 450 mm) en de ophanging en besturing daarvan. Na de initiële afkoeling moet de bedrijfstemperatuur van de payload alleen worden gehandhaafd via geleiding door thermische verbindingen met een zeer lage stijfheid (heat links), om ervoor te zorgen dat de prestaties van de telescoop niet worden beïnvloed door trillingen van de cryogene installatie. In dit scenario is de beschikbaarheid van ultralage cryokoelers en actieve trillingsisolatoren die compatibel zijn met de UHV-omgeving bij lage temperaturen essentieel. De in bestaande installaties (bijvoorbeeld een bestaand Japans observatorium voor zwaartekrachtgolven genaamd KAGRA) bereikte ruis van de cryogene installatie en bleken niet compatibel met de eisen van de Einstein Telescope zoals die nu bekend zijn. Om die reden zijn er stillere cryokoelers en beter presterende trillingsisolatie voor de warmteverbindingen nodig. Dat is waar deze openstelling voor trillingsvrij koelen zich op richt. Een koeleenheid zal uiteindelijk in een opzet voor een Einstein Telescope moeten komen. Hieronder staat een schematische weergave hiervan. Dit is bij de huidige kennis het Europese ontwerp waarnaar gestreefd wordt. De positie van de koeler is hieronder weergegeven (zie rode kadering):
• 4. Specifieke doelstelling voor deze openstellng In deze openstelling kunnen partijen een aanvraag indienen voor R&D-projecten die bijdragen aan de oplossing voor deze bovenstaande uitdaging. Het beoogde project moet in ieder geval het volgende bevatten:
• • Het ontwerp en productie van drie prototypes van koelunits op een niveau dat compatibel is met cryogene spiegel ruisverplaatsingen van gelijk of lager dan 10-18m/sqrt(Hz) bij Hz.
• • Elke koeleenheid moet in drie fasen koelvermogen kunnen leveren, waarbij in minder dan vier weken 10K, 20K en 50K (of lager) worden bereikt, waarna stabiele bedrijfsomstandigheden worden bereikt met de volgende koelvermogens:
• ○ Minimaal 50 mW bij een temperatuur onder 10K
• ○ Minimaal 0,5 W bij een temperatuur onder 20K
• ○ Minimaal 2,5 W bij een temperatuur onder 50K
• • De thermische massa van de drie bovengenoemde fasen is respectievelijk:
• ○ 8 kg silicium, 20 kg koper en 40 kg aluminium
• ○ 40 kg aluminium
• ○ 130 kg aluminium
• • Onder bedrijfsomstandigheden moeten de trillingen op het niveau van de cold finger (contactpunt met spiegelophanging) lager zijn dan 2x10-8m/sqrt(Hz) voor alle frequenties boven 1 Hz en onder 5x10-6m rms. Tijdens de afkoelperiode gelden er geen strenge trillingseisen.
• • De te ontwikkelen koeleenheid moet compatibel zijn met vloeibare stikstof als backend-koelbron.
• • De koelunits dienen te kunnen functioneren in een geïntegreerd systeem. Als onderdeel van deze aanvraag dient de aanvrager deze geïntegreerde werking te kwalificeren en valideren.
• 5. Context van het technologiedomein trillingsvrij koelen Hieronder is de context weergegeven waarin de trillingsvrije koeleenheid gaat opereren. Waarneming van zwaartekrachtgolven is alleen mogelijk als de trilling van de spiegels miljarden keren wordt verminderd in vergelijking met de huidige stilste onderzoekslaboratoria. Hoewel deze uitstekende prestaties met de huidige detectoren bij kamertemperatuur zijn bereikt, brengt de werking onder cryogene temperaturen nieuwe uitdagingen met zich mee en is de controle en beheersing van geïntroduceerde trillingen van cruciaal belang. De geplande strategie voor de koeling van de spiegels is een combinatie van cryo-koelers met ultra-lage trillingen, actieve trillingsisolatie van de cryo-cooler cold head en koude overbrengingen met lage stijfheid om deze te verbinden met de cryogene payload. Er is gekozen voor een mono-kristallijne silicium vezels voor de ophanging van de ET-kernoptieken, omdat dit materiaal de beste prestaties levert in termen van hoog efficiënte warmte-extractie uit de spiegel bij 10K en de laagst mogelijke mechanische demping, een eigenschap die cruciaal is om de wetenschappelijke doelen te bereiken van het project. Binnen dit domein zijn onder andere deze uitdagingen te onderkennen: De projecten moeten zijn gericht op de volgende verbeteringen:
• • Spiegel gekoeld tot cryogene temperatuur, vrijwel zonder mechanisch contact: spiegel opgehangen in UHV-omgeving via vier dunne en lange vezels;
• • Grote onderdrukking van trillingen afkomstig van de cryogene koeler;
• • Verkorting van de afkoeltijd voor een hogere werkcyclus van de telescoop;
• • Ontwikkeling en productie van mono kristallijne silicium vezels;
• • Beheersing van ijsfilmvorming op het spiegeloppervlak.
• • De saffiervezels die in KAGRA worden gebruikt zijn niet ideaal voor ET omdat de thermische geleidbaarheid van het materiaal aanzienlijk daalt onder 20K. Silicium is een beter materiaal in termen van thermische eigenschappen en mechanische demping. De productie is op dit moment de grootste uitdaging op weg naar een praktische implementatie.
• • De ET cryogene payload zal een paar honderd kg massa toevoegen (bijna een factor 10 groter dan in KAGRA) om tot 10K afgekoeld te worden. Methoden en technologieën (coatings met hoge emissiviteit, stralingswarmtewisselaars met hoog rendement, enz.) om de afkoeltijd te minimaliseren zijn van het grootste belang om de telescoop een hoge inschakelduur te garanderen.
• • Standaard superisolatie (MLI of vergelijkbaar) is niet compatibel met de spiegelomgeving vanwege de vereisten voor vervuiling. Er moet worden gezocht naar een alternatieve ontwerpoplossing.
• • Dunne ijslaagvorming (nanometerniveau) op het spiegeloppervlak zal naar verwachting de prestaties van de telescoop verminderen. Er moeten methoden en strategieën worden ontwikkeld om de ijsvorming te minimaliseren en het oppervlak periodiek te regenereren.
• 6. Gerelateerde projecten In een aantal gerelateerde projecten is reeds vooronderzoek gedaan naar deze technologie:
• • ET Technologies: In dit project is gerelateerd aan trillingsvrij koelen gewerkt aan de koude aansluiting van koeler naar vacuümsysteem en de cold finger van koude leidingen naar spiegel.
• • E-TEST: In dit project is gerelateerd aan trillingsvrij koelen gewerkt aan het cryo shield en de spiegelophanging.
• • ETpathfinder: In dit project – tevens de R&D faciliteit voor de Einstein Telescope – kan de opstelling worden geïntegreerd en getest.