Skip to main content
2020-03-28

Het ASPA-instrument had een vrij onconventioneel ontstaan in vergelijking met andere wetenschappelijke instrumenten die we bij het BIRA ontwikkelen. Het is ontworpen, gebouwd, getest en gebruikt zonder een specifiek budget. Toch is volgens mij de realisatie ervan een groot succes, gezien de beperkte middelen (zowel in tijd als geld) die beschikbaar waren. Dit kon alleen maar gebeuren dankzij de motivatie en de inzet van de engineeringafdeling, die de ideeën van enkele wetenschappers ondersteunde om een mooi concept op papier om te zetten in een robuust, functionerend en betrouwbaar instrument.

Sinds enkele jaren proberen mijn collega fysici Gael Cessateur en Hervé Lamy een specifiek kenmerk van het noorderlicht te meten: een subtiele polarisatie die onlangs werd ontdekt door een team wetenschappers van de Universiteit van Grenoble. Het feit dat sommige spectrale lijnen van het poollicht gepolariseerd zijn en andere niet is nog steeds een raadsel voor de wetenschappelijke gemeenschap. Vandaar de noodzaak die om meer experimenteel bewijs te verzamelen.
Gael en Hervé hadden een instrument ontwikkeld, “Premier-Cru”, waarvan het concept is geïnspireerd op het Franse instrument dat deze polarisatie voor het eerst detecteerde. Aangezien dit instrument nooit echt bevredigende resultaten had opgeleverd, stonden ze open voor nieuwe instrumentele concepten die de polarisatie van het poollicht nauwkeurig zouden kunnen meten.

Interdisciplinaire wetenschap met AOTF-filters

Ik was totaal onwetend over de fysica van het poollicht. Mijn expertise lag meer in de teledetectie van atmosferische spoorgassen met behulp van optische instrumenten. Het project waar ik het meest bij betrokken ben, namelijk ALTIUS, is een satellietinstrument waarvan het oorspronkelijke concept bestaat uit het gebruik van speciale spectrale filters, zogenaamde AOTF's, om de absorptie van natuurlijk licht (zon, sterren) door de atmosferische moleculen te analyseren. Deze filters werken volgens het principe van licht- en geluidsinteractie binnen een transparant kristal van telluriumdioxide (TeO2). De fundamentele fysica van deze interactie werd ontwikkeld door de Franse fysicus Leon Brillouin in de jaren 1920.

Eigenlijk is ALTIUS niet het eerste ruimte-instrument dat gebruik maakt van AOTF's, en het is ook niet de eerste keer dat het BIRA van deze filtertechnologie gebruik maakt. Inderdaad, AOTF's zijn gebruikt in planetaire missies zoals Venus Express, of ExoMars. Het is onnodig te zeggen dat er in het instituut nogal wat expertise aanwezig was, zowel op het gebied van het aansturen van deze filters, als op het gebied van het begrijpen van hun gedrag.

Het ALTIUS-concept heeft ook aanleiding gegeven tot de ontwikkeling van de NO2-camera. Oorspronkelijk een prototype van het zichtbare kanaal van ALTIUS, heb ik het laten evolueren tot een veldinstrument dat de hoeveelheid NO2 in kaart kan brengen. Dit is een schadelijke en vervuilende stof die ontstaat bij verbrandingsprocessen in bijvoorbeeld elektriciteitscentrales of steden. De NO2-camera is ook gebaseerd op een AOTF om spectrale beelden te maken van de onderzochte omgeving.

Door af en toe met Gael en Hervé te discussiëren, beseften we beetje bij beetje dat AOTF's eigenlijk de kern zouden kunnen vormen van een nieuw instrument, gewijd aan het meten van de polarisatie van het noorderlicht. Een van de kenmerken van een AOTF is dat het binnenkomende licht fysiek gescheiden wordt in twee componenten van loodrechte polarisatie. Deze eigenschap wordt meestal gebruikt om het licht te "reinigen" bij de doorgang doorheen de AOTF, waardoor er slechts één polarisatie overblijft voor verdere analyse. Hier konden we het echter volledig gebruiken.

ASPA moest snel opgroeien

De echte kick-off voor ASPA vond plaats in november 2019. Toen ben ik begonnen met het ontwerpen van het instrumentale concept, het verzamelen van datasheets van de opto-mechanische onderdelen, en het evalueren van de prestaties van het toekomstige instrument.

notes
Figuur 1: Eerste opto-mechanisch ontwerp van ASPA.

Al snel besefte ik dat het poollicht niet altijd de felle ‘gordijnen’ zijn die in de lucht dansen en die we allemaal kennen van documentaires. Ik moest er zeker van zijn dat het concept gevoelig genoeg zou zijn, in ieder geval tot enkele realistische helderheids-niveaus. Betaalbare detectoren die zeer zwakke signalen kunnen detecteren zijn niet echt gebruikelijk. Hierdoor moest ik het optische ontwerp zodanig uitwerken dat de fotonen niet verloren zouden gaan doorheen het instrument (verzwakking door de optica en de AOTF). Het cruciale punt was de focus van de lichtbundels op de kleinst mogelijke hoeveelheid pixels in de detector, uiteraard op basis van betaalbare optische elementen.

Aspa diagram
Figuur 2: Back-end optische lay-out van ASPA: een pupil bepaalt het gezichtsveld van het instrument, de groene stukken zijn de lenzen, en het gele object vertegenwoordigt de AOTF. De blauwe en roze stralen vertegenwoordigen de twee polarisatietoestanden.

De bouw van het instrument bleek een race tegen de klok te zijn! Hervé was van plan om eind februari in Skibotn (in het noorden van Noorwegen) zich bij twee Franse teams te voegen. Het doel was om ASPA ook tegen die tijd klaar te hebben.

CAD ASPA
Figuur 4: Het CAD (Computer-Aided Design)-model van ASPA.

In december waren de ingenieurs Sophie Berkenbosch en Jurgen Vanhamel al begonnen met het bedenken van de elektronische sturingen die de AOTF's van ASPA aandrijven. In januari waren de meeste opto-mechanische onderdelen aangekocht en geleverd aan het BIRA. Hierdoor kon de assemblage van de elementen beginnen. Ondertussen had Claudio Queirolo (B.USOC-operator en ingenieur) een CAD-model (Computer-Aided Design) van het instrument gemaakt, waardoor een definitief beeld ontstond van de afmetingen. Dit was nodig om verder te kunnen met de assemblage van het instrument in een thermische box. Deze laatste hadden we kunnen recupereren van een ander instrument. Ingenieur Pepijn Cardoen nam vervolgens de plaatsing van alle onderdelen in de behuizing voor zijn rekening: RF (Radio-Frequentie)-sturingen, versterkers, thermische sensoren, verwarming, inclinometers en ventilatoren werden gemonteerd naast de optische modules.

after integration
Figuur 5: ASPA na de integratie. Credit: Gaël Cessateur.

Parallel aan het werk op de hardware ontwikkelde ingenieur Roland Clairquin een besturings- en acquisitiesoftware vanaf nul. Hierbij werd ervoor gezorgd dat alle benodigdheden om het instrument operationeel te maken in zijn code werden geïmplementeerd. In de eerste week van februari was een eerste versie van de software beschikbaar en kon het instrument een minimum aan laboratoriumtests ondergaan. Tot mijn grote opluchting werkte alles verrassend goed: de code was bijna foutloos, de uitlijning van de optische elementen kwam overeen met de tekeningen, en het gedrag van de AOTF's was net als in mijn computermodel! Het enige wat we niet konden testen was de werking van het instrument in de winterse omstandigheden..

Vervolgens, een week voor de missie, toen het instrument en alle apparatuur was ingepakt en klaar om naar Noorwegen te worden verscheept, begonnen de problemen...

Om onze apparatuur in Noorwegen te krijgen, dat buiten Europa ligt (in de wereld van de grenscontrole en de tarieven, in ieder geval), moesten we het "ATA-carnet" van de Kamer van Koophandel bekomen. Niet de snelste procedure. Het duurde een week en 350 EUR om het te ontvangen. We kregen het slechts een paar dagen voordat we vertrokken, en de enige verzendmogelijkheid die toen nog overbleef was DHL Express: "24 uur levering, waar ook ter wereld". Wel, vergeet die belofte maar!

 

Het DHL-avontuur

Het begon met een DHL-medewerker die de pakketten kwam ophalen, en zich realiseerde dat hij ze niet kon meenemen omdat een van de pakketten zwaarder was dan 30 kg, iets wat duidelijk was aangegeven op de verzendingsopdracht. Ten tweede, nadat een vrachtwagen ons materiaal kwam ophalen, kregen we een eerste telefoontje met de vraag om een pro-forma factuur, iets wat je niet nodig zou moeten hebben als je een ATA-carnet hebt. De dag erna, op vrijdag, bleek dat de ATA-carnet verloren was gegaan... om het later die namiddag toch weer terug te vinden. Vervolgens was het douanekantoor echter gesloten voor het weekend.

Maandag waren de drie pakketten nog steeds bij DHL Brussel, en ze dwongen ons om een valse pro-forma factuur aan te maken om zodoende de douane formaliteiten in orde te krigen. Omdat de douane om 12 uur 's middags sluit, hebben ze de zending uiteindelijk ingepland voor de dag erna. Op dinsdag passeerden de drie pakjes eindelijk de douane, klaar om 's nachts verzonden te worden... maar woensdag bleek dat één van de drie pakjes (die met de RF-apparatuur) onderweg was naar...hou je vast... Madrid! Desondanks besloten we toch terug te rijden van Skibotn naar Tromsø om de twee aangekomen pakketten op te halen, en de Universiteit van Tromsø te bezoeken om RF-apparatuur ter vervanging te vinden. Dankzij de vriendelijke medewerking van de Universiteit van Tromsø konden we het instrument woensdag toch opbouwen en opstarten, al was het niet onder ideale omstandigheden.

Assembly
Figuur 6: Druk bezig met de heropbouw van het instrument in de bungalow op woensdagavond.

Op donderdagmiddag kwam het laatste pakketje eindelijk in Tromsø aan. We gingen opnieuw terug naar Tromsø om het op te halen. Elke reis tussen Skibotn en Tromsø kostte ons veel tijd, brandstof en stress (honderden kilometers rijden in winterse omstandigheden boven de poolcirkel is iets wat Belgen niet gewend zijn). Tien dagen na de missie kregen we de rekening van DHL (zonder enige korting voor de ondermaatse dienst).

Icy Roads
Figuur 7: De rijomstandigheden tussen Skibotn and Tromsø...

Eind goed al goed voor ASPA?

Gelukkig hebben we geen goede kansen gemist om poollicht te observeren terwijl we in het ongewisse waren wat betreft de verzending van ASPA. Anderzijds hebben we ook geen intens poollicht gekregen tijdens de laatste drie nachten van de observatie. Zeer weinig aurora’s werden geobserveerd, terwijl er goed zicht was (geen wolken). De aurora’s waren allemaal van lage intentie en zeker onder de detectielimiet van ASPA. Het typische groene poollicht kan zo helder zijn als honderden kiloRayleigh (een eenheid om de helderheid van ‘airglow’ en poollicht te meten), maar hetgeen we zagen bleef onder de 1 kiloRayleigh, wat onze laagste detectielimiet is.

Wat mij zal bijblijven van deze missie is de geweldige inzet van veel getalenteerde mensen van het BIRA. Samen zijn we erin geslaagd om in amper twee maanden tijd een volledig nieuw instrument te ontwerpen, te bouwen en te testen! Ik ben natuurlijk een beetje teleurgesteld, vanwege het weinige en zwakke poollicht dat we tijdens de drie observatie-avonden met ASPA hebben gezien. Ik had graag met mooie resultaten willen terugkeren, om iedereen te laten zien dat het de moeite waard was om hard te werken om klaar te zijn voor de campagne. Maar de natuur (en ook DHL, blijkbaar) is onvoorspelbaar. De positieve zijde van eht verhaal: ASPA is nu op locatie en gebruiksklaar. We zullen dit najaar een tweede poging ondernemen en hopelijk krijgen we dan goede observatiecondities!

Measurements
Figuur 8: Het opzetten van ASPA voor een observatienacht in de koepel van het observatorium van Skibotn.
Aurora
Figuur 9: Een van de weinige aurora’s die we tijdens de campagne hebben gezien. Laat je niet misleiden door deze foto: met het blote oog was het poollicht slechts licht merkbaar.

 

News image 1
News image legend 1
Poollicht boven de Noorse Lofoten. Credit: Jeroen van Gent.
News image 2
News image legend 2
Figuur 1: Eerste opto-mechanisch ontwerp van ASPA.
News image 3
News image legend 3
Figuur 3: Het rode kruis toont de locatie van het observatorium dichtbij Skibotn waar de campagne plaatsvond.