Een telescoop bouwen – De juiste ronding

In de vorige blog beschreef ik hoe we na een aantal zondagen hard zwoegen een holle spiegel hadden gemaakt. Nou ja, spiegel is misschien nog een groot woord. Onze ronde glasschijf (diameter 27 cm) spiegelt niet beter dan een gemiddelde ruit. Hoe we van glas uiteindelijk een echte spiegel maken is van latere zorg, want eerst moet ons kunststukje precies de juiste vorm krijgen. Heel erg precies.

Spiegel

Onze ‘spiegel’ spiegelt… een beetje.

De verrassend simpele methode waarmee we onze spiegel-in-spe de juist vorm geven – het over elkaar schuren van twee glazen schijven – zorgt ervoor dat een glasschijf perfect bol wordt terwijl de andere een holle vorm krijgt. Dat komt doordat een bol en een ‘hol’ (naast volledig vlakke oppervlaktes) perfect over elkaar heen glijden. Vreemd genoeg is altijd de onderste glasschijf die bol wordt, terwijl degene die er bovenop ligt hol wordt. Ik weet niet waarom dat zo is, maar deze ‘wet’ geeft ons controle over de vorm van het glaswerk. Wil je een ‘diepere’ kromming in de spiegel dan schuur je met de spiegel bovenop, terwijl schuren met de spiegel onderop een minder diepe holling oplevert.

Parabool schotelantenne

Een schotelantenne heeft een paraboolvorm. Deze focust al het licht (of in dit geval radiostraling) in één punt, de ontvanger in het midden. (Richard Bartz)

Helaas is een ronde vorm niet wat we nodig hebben! Een perfecte bol focust het licht dat we met onze spiegel willen opvangen niet… Met andere woorden, je kunt er niet scherp mee zien. Wat we nodig hebben is een zogenoemde parabool, een specifieke vorm die bijvoorbeeld schotelantennes hebben (zie afbeelding).

Gelukkig hebben we al die zondagen niet voor niets gewerkt, want weliswaar hebben we een verkeerde vorm, hij komt wel in de buurt van de parabool die we nodig hebben.

Het blijkt dat je door het over elkaar bewegen van de glasplaten in een bepaald patroon, precies de goede ‘afwijking’ kan krijgen van de bol. Dat paraboliseren doen we overigens niet meer met een slijppoeder, zoals eerder, maar met een veel fijner polijstmiddel. Door de schijven telkens in een specifieke W-vorm over elkaar te laten glijden, worden bepaalde delen van de spiegel ‘gespaard’ terwijl andere stukken wat intensiever behandeld worden. De vorm verandert langzaam in een parabool.

Pek, veren en telescoopspiegels

Het maken van een parabool gebeurt niet meer met de eerder gebruikte glasschijf. We gebruiken een schijf met daarop een laag pek.

Pek? Wacht even, wat was dat ook al weer? Pek is smerig… Ideaal om het samen met wat veren over iemand heen te gooien. De pikzwarte teerachtige substantie lijkt een vaste stof bij kamertemperatuur, maar blijft altijd een beetje vloeibaar. Dat maakt onder andere dit geweldige pekdruppelexperiment mogelijk – waarbij er sinds 1930 uit een trechter slechts negen pekdruppels dropen. Dat is pas een saai maar fascinerend experiment! Maar pek is ook ideaal voor het vormen van onze spiegel.

Pek is in zekere zin vast én vloeibaar. Je kunt er tijdens de laatste vormfase van de spiegel voorzichtig kracht mee zetten, maar tegelijkertijd vormt het zich precies naar de spiegel. Dit fijne krachtenspel zorgt ervoor dat je extreem kleine aanpassingen kunt doen aan de holling van je spiegel. De vorm van onze spiegel wijkt uiteindelijk, als het goed is, maximaal zo’n 100 tot 200 nanometer af van een perfecte parabool. Dat is pakweg een vijfhonderdste deel van de dikte van een haar! En dat met handenarbeid!

Massaproductie telescoop

Massaproductie is ook maar saai. (Smithsonian Institution Archives)

Na de commentaren van de bezorgde buurvrouw, werpt nu ook de buurman aan de andere kant een vraag over de schutting: “Dus jullie bouwen een telescoop, maar die kun je toch gewoon kopen?” Eh ja, natuurlijk kun je een telescoop kopen. Voor een paar honderd euro ben je klaar, en heb je een prima telescoop. Daarmee kun je tijdens heldere nachten al op planetenjacht. Maar het gaat ons nu juist óók om het bouwproces. En met een beetje mazzel kunnen we op ambachtelijke wijze zelfs een kwalitatief betere telescoop maken als die je op internet kunt bestellen.

Of al die slijp- en polijstsessies succes hadden is nog niet duidelijk. We moeten nu controleren of de vorm van onze spiegel daadwerkelijk een parabool is. En het zou natuurlijk maar suf zijn als we hiervoor de testbank van de behulpzame mensen van Kijkerbouw in Gent zouden gebruiken. Nee, wij moeten per se zelf een testbank bouwen.

Een telescoop bouwen – Een trillende naald

Lees hier het vorige deel van mijn telescoopblog: Poedertjes uit Gent

De buurvrouw kijkt een beetje bezorgd over de heg. Al een tijdje heeft ze Andrés en mij in de tuin bezig gezien met een groot blauw olievat, verschillende poedertjes, glasschijven en een plantenspuit. Dat kán niet pluis zijn.

Verdachte praktijken, 'Wat ben jij aan het doen!?'

Verdachte handelingen in de tuin: ‘Wat spook jij uit!?’

Dan heeft ze eindelijk de moed om te vragen wat we aan het doen zijn. “O dat. We bouwen een telescoop”, zeg ik. Een beetje verward staart ze ons aan. Ik begrijp dat dit niet bepaald verhelderend werkt. Ik vertel over ons telescoopbouwproject, en de slijpsessie waar we mee bezig zijn.

Tijdens het slijpen gaan we onze telescoopspiegel-in-wording te lijf met de pakweg vijf verschillende poedertjes die we netjes uit de telescoopwerkplaats van Kijkerbouw in Gent hebben meegekregen. De poedertjes bestaan uit fijne korreltjes van het ultraharde siliciumcarbide (bíjna zo hard als diamant). We gebruiken de grootste ‘korrel’ eerst en werken richting de steeds fijnere poeders.

De spiegel in wording (rechts) en de tool op de werkbank. Het slijppoeder is alom aanwezig.

De spiegel in wording (rechts) en de tool op de werkbank. Het slijppoeder is alom aanwezig.

De missie is relatief simpel. We nemen onze zogenoemde tool, een glasschijf met ongeveer dezelfde diameter als onze spiegel, en zetten die vast op onze werkbank (aka olievat). Bovenop de tool strooi ik het grofste slijppoeder dat we hebben meegekregen. Ik spuit er een beetje water bij en we zijn klaar voor het slijpen.

Ondertussen neemt Andrés de spiegel, die nog geen spiegel is, nog even onder de loep. Je kunt met een vergrootglas zien dat de matte glasplaat nog vol oneffenheden zit. Als we een dieptemeter voorzichtig over de spiegel schuiven springt de naald heftig heen en weer (het apparaat meet oneffenheden tot honderdsten van een millimeter), het reliëf is dus ook meetbaar.

Spiegelinspectie!

Spiegelinspectie!

Het slijpen gaat beginnen. Precies zoals we eerder in Gent te werk zijn gegaan. We bewegen de glasplaten over elkaar heen, terwijl we steeds van richting veranderen. Eerst de spiegel bovenop, dan onderop. Het slijppoeder dat tussen de platen zit diept de spiegel langzaam uit en door de steeds fijnere poeders wordt hij als het goed is steeds gladder.

Het valt niet mee. Soms is het enorm zwoegen om de glasplaten over elkaar te schuren. Ze komen zelfs even vast te zitten. Onze meester Jean Pierre Grootaerd had ons hier al voor gewaarschuwd met doemscenario’s van mensen die de platen met grof geweld van elkaar probeerden te hameren.

Het punt is dat twee glasplaten die zó perfect op elkaar passen, de neiging hebben zich vacuüm zuigen. Als ik Jean Pierre hierover mail, en hem vertel dat we druk bezig zijn in de tuin, vertelt hij meteen wat we fout doen: ‘Je moet ook niet in de volle zon gaan slijpen! Het water verdampt door de hitte en en je glazen zitten plots muurvast…’

Ik weet wel wie ik het zware werk laat doen.

‘Slijp jij? Dan hou ik de parasol wel vast.’

Gelukkig hoeven wij geen hamers te gebruiken. Wij, en onze glasplaten bereiken heelhuids het einde van de laatste slijpronde. Tussendoor doen we nog een check op gladheid met onze dieptemeter. En de naald trilt niet meer! De spiegel is gladder geworden. Na het fijnste slijppoeder, volgt er nog een polijststap met een nog veel fijner polijstmiddel. Nu is ons het gebruik van de dieptemeter verboden, dat zou namelijk krasjes opleveren.

We merken dat we – afgezien van onze werkzaamheden in de volle zon – bij ieder poeder minder werk hoeven te verrichten, en dat het glas minder mat wordt. Uiteindelijk glijdt de (bolle) tool bovenop de (holle) spiegel vanzelf precies naar het midden, en dat lijkt ons een goed teken.

Zondagsslijpers

Natuurlijk zijn Andrés en ik letterijk en figuurlijk ‘zondagsslijpers’, het slijpproces neemt zo maanden in beslag. Het kan veel sneller. Jean Pierre liet weten dat hij eens een spiegel in een dag heeft geslepen… Respect.

Na enkele maanden zijn wij nu ook op dat punt, en het resultaat liegt niet. Voor ons ligt warempel een spiegelende glasplaat! Met een sterk vergrootglas kunnen we geen oneffenheden meer ontdekken. Het is ongelofelijk hoe je met zo’n simpele procedure blijkbaar zo’n precisie kan bereiken.

En ja hoor, de spiegel spiegelt!

En ja hoor, de spiegel spiegelt na de laatste polijststap. Overigens is dit alleen maar het bewijs dat de glasplaat glad is, de échte spiegelende laag wordt hier bovenop gedampt en is van aluminium.

Maar we zijn er nog lang niet, want we hebben als het goed is een vrijwel perfect holle spiegel gemaakt. En dat terwijl we eigenlijk een parabolische spiegel moeten hebben… Wat!!? Tja, hoe dat zit leg ik uit in de volgende blog. Ik vrees dat we nog een paar middagen in de tuin nodig hebben.

Lees hier het volgende deel van mijn telescoopblog: De juiste ronding

We ontvangen 1,9 kilo zonne-energie per seconde

Als een batterij leegloopt lopen er negatieve elektronen en positieve ionen naar de pluspool. De batterij raakt hierbij geen deeltjes kwijt.

Een tijd geleden schreef ik hier dat een batterij zwaarder wordt als je hem oplaadt. Niet doordat er elektronen bijkomen, maar vanwege het feit dat meer energie óók meer massa betekent. Je kunt dat uitrekenen met Einsteins formule E = m*c2 .

Daarop kreeg ik recent een enigszins bezorgde reactie van Erik Schoenmakers:

Ik vind het een interessant gedachte experiment. Er zit mij echter iets dwars. Stel dat ik een windturbine/zonnecollector zou aansluiten op een batterij met een enorm grote capaciteit. Volgens jouw redenatie betekent dit dat de massa tijdens het opladen gaat toenemen. Na verloop van tijd zal de massa van de aarde dus ook aanzienlijk toenemen. Hierdoor zal o.a. de zwaartekracht en de eclips die de aarde om de zon maakt veranderen. Gaan we nu ten gevolge van het elektrische rijden een nieuwe ijstijd tegemoet?

Natuurlijk wil ik dat ook weten en ik neem de rekenmachine ter hand.

Stel, we bouwen een apparaat waarmee we alle zonne-energie op aarde kunnen omzetten in elektriciteit en bovendien stoppen we al die energie in een batterij en doen daar niets mee. Natuurlijk een niet erg realistisch scenario, aangezien we óók nog een beetje willen genieten van de zon, we geen 100 procent efficiënte zonnecellen zullen bouwen en we energie uit onze megabatterij ook weer willen gebruiken (waardoor hij weer lichter wordt). Hoeveel zwaarder wordt de aarde van dit meest extreme gedachte-experiment?

De Ivanpah-centrale zet zonne-energie van een groot gebied om in elektriciteit. (BrightSource)

De Ivanpah-centrale in Californië zet zonne-energie van een groot gebied om in elektriciteit. (BrightSource)

Ik zie dat de aarde zo’n 173.000 terawatt aan energie van de zon ontvangt. Elke seconde is dat dus 173.000.000.000.000.000 joule. Pakken we nu Einsteins formule (E = m*c2) dan kunnen we uitrekenen hoeveel zwaarder de aarde elke seconde wordt. Ik kom op ruim 1,9 kilo. Iedere seconde zou onze superinstallatie 1,9 kilo zwaarder worden van alle zonne-energie die we erin opslaan!

Dat lijkt misschien veel, maar het is op de (weeg)schaal van de aarde een peulenschilletje. Met deze gewichtstoename wordt de aarde jaarlijks ruim 60.000 ton zwaarder. Dat is 0,000000000000001 procent van het gewicht van onze planeet. 

De aarde wordt elke seconde ruim 1,2 kilo zwaarder doordat ze ruimtestof opvangt.  (NASA)

De aarde wordt elke seconde ruim 1,2 kilo zwaarder doordat ze ruimtestof opvangt. (NASA)

Zou het erg zijn als de aarde zoveel zwaarder wordt? Nee, waarschijnlijk niet. Sterker nog, deze 60.000 ton zit precies in de orde van gewichtsverandering van de aarde door andere effecten. In dit artikel op techniekblog Gizmodo wordt daar wat dieper op ingegaan, maar hier is een korte samenvatting: 

De planeet vangt ieder jaar zo’n 40.000 ton aan kosmisch stof op, maar zij wordt ook 160 ton zwaarder door de langzame opwarming (ook weer een gevolg van Einsteins wet!). Verder verliest de kern energie en dus gewicht; 16.000 ton per jaar en is de zwaartekracht niet sterk genoeg om te voorkomen dat er jaarlijks 95.000 ton aan waterstof en 1600 ton aan helium uit de bovenste lagen van de atmosfeer ontsnappen.

Het netto-effect zou volgens het stuk een gewichtsverlies zijn van zo’n 50.000 ton per jaar. Uiteindelijk zou de fictieve batterij er dus voor zorgen dat de aarde min of meer op gewicht blijft!

De Nieuws BV: The Imitation Game

Bij De Nieuws BV

Bij De Nieuws BV

Dinsdag 6 januari was ik te gast bij het Radio 1-programma De Nieuws BV om te vertellen over de film The Imitation Game, die ik de dag ervoor al had gezien. Speelt Benedict Cumberbatch een goede wiskunde Alan Turing? Klopt de wetenschap? En in hoe verre hebben de filmmakers hun ‘artistieke vrijheden’ gebruikt?

Klik hier om de uitzending te luisteren én te zien.

Waarom drinken we zoveel koffie?

Bertram+de Leeuw

Bertram+de Leeuw

Ik slurp de hele dag vrolijk aan mijn koffiemok, maar waarom eigenlijk? Het antwoord is te vinden in het tweede vragenboek van Kennislink dat net in de winkels ligt: Waarom drinken we zoveel koffie?

Samen met 18 andere redacteuren heb ik de 101 beste lezersvragen uit het archief van Kennislink gevist en beantwoord. Het boek is een vervolg op het vorig jaar verschenen Waarom worden mannen kaal?

Uiteindelijk behandelde ik met hulp van wetenschappers de volgende vragen:

  • Hoe landt een vlieg op het plafond? (pagina 16)
  • Kun je op een duizendste verliezen? (pagina 44)
  • Waarom kunnen we de oerknal zien? (pagina 136)
  • Waarom draait de aarde? (pagina 151)
  • Waarom is water blauw? (pagina 198)
  • Wat is de hoogst haalbare parachutesprong? (pagina 223)
  • Kunnen we Mars leefbaar maken? (pagina 238)

Je kunt hier meer informatie vinden en het boek bestellen.

11 minuten gewichtsloos

Op 11 september 2014 vloog ik mee met een paraboolvlucht van ESA en Novespace. Wat een fantastische ervaring. Door het vliegtuig tijdens de vlucht op te trekken en het vervolgens in een glijvlucht een ‘parabool te laten vliegen’ maken de piloten alles en iedereen aan boord gewichtsloos. 22 seconden lang. Deze stunt werd maar liefst 31 keer herhaald. In totaal ben ik ruim 11 minuten gewichtsloos geweest, een geweldig gevoel. Zie hier een korte impressie.

Een leuk trucje, de menselijke centrifuge. Bijzonder genoeg werd ik er niet duizelig van:

En zo ziet dat eruit vanaf m’n voorhoofd:

Je kunt dat ook herhalen met een aantal mensen, maar dan is draaien wel een stuk ‘zwaarder’:

Pas als je naar buiten kijkt zie je goed wat het vliegtuig doet. Praktisch neerstorten…

Het leukst is vrij spelen in de zogenoemde ‘free floating zone’:

“Kom maar naar het plafond, daar is het iets rustiger.”

Laatste vlucht

De vlucht was onderdeel van de 61e parabolische vluchtcampagne van ESA . Het was de laatste vlucht van de ‘A300 Zero-G’, een toestel uit 1973 en tevens de oudste nog vliegende Airbus. Vanaf volgend jaar heeft Novespace, het bedrijf dat de vluchten uitvoert, de beschikking over een nieuwere Airbus A310.

Deze capriolen worden voornamelijk uitgevoerd voor wetenschappelijk onderzoek. In totaal waren er tien teams van wetenschappers aan boord, die onder andere onderzoek deden naar het oriëntatievermogen van proefpersonen, veranderingen in hersenactiviteit door gewichtsloosheid, vloeistofdynamica en een apparaat voor een toekomstige Marsmissie.

Dat weerhield de wetenschappers (en journalisten) er niet van te genieten van het leukste gevoel in de wereld: gewichtsloosheid. Wederom, een impressie. De foto’s zijn van ESA/Anneke Le Floc’h.

Zo werkt een paraboolvlucht:

In eerste instantie ervaren alle passagiers normale zwaartekracht (1 g). Het vliegtuig vliegt rechtdoor op ongeveer 6 kilometer hoogte.

Vervolgens trekt het toestel op, tot de neus een hoek van maar liefst 47 graden bereikt. Steil omhoog. Tijdens deze periode van 18 seconden ervaren we 1,8 g, je bent dan bijna twee keer zo zwaar. Ik hou mijn hoofd stil omdat deze fase een beruchte ziekmaker is.

Als de piloot ‘injection’ over de intercom roept, gaan de motoren van het vliegtuig uit en volgt toestel een glijvlucht in de vorm van een parabool met de top op 8,5 kilometer hoogte. In pakweg een halve minuut is het vliegtuig 2,5 kilometer gestegen! Vervolgens daalt het weer snel. Gedurende de gehele parabool, zowel het stuk omhoog als omlaag, ervaart iedereen gewichtsloosheid (0 g). Dat duurt 22 seconden.

De piloot moet weer optrekken en er volgt weer een periode van 1,8 g, van ongeveer 18 seconden. Het vliegtuig is dan weer op 6 kilometer hoogte en iedereen kan zich voorbereiden op het volgende speelkwartier, ongeveer een minuut later.

Een telescoop bouwen – Poedertjes uit Gent

De een puzzelt, de ander verspeelt zijn tijd aan Candy Crush. Andrés en ik besloten iets anders met onze vrij tijd te gaan doen: het bouwen van een telescoop. Waarom? Simpel, omdat het gaaf is! Deze blog geeft een idee van hoe je zelf een telescoop bouwt.

Een grote Dobsontelescoop. (Halfblue)

Een grote Dobsontelescoop. (Halfblue)

We volgen het concept dat de Amerikaanse uitvinder John Dobson midden jaren 50 uitdacht en dat inmiddels verreweg de populairste methode is om in je garage een telescoop van formaat te bouwen.

Afgelopen winter begonnen we met informatie zoeken. We bestelden een aantal boeken over telescoopbouw en leefden ons uit op google. Opvallend was dat binnen het Nederlandse taalgebied de edele kunst van het telescoopbouwen vooral in België lijkt te worden beoefend.

Wat we toen nog niet wisten is dat we op een mooie dag in april naar het Vlaamse Gent zouden rijden. Jean Pierre Grootaerd van Kijkerbouw zou ons daar ondersteunen met het maken van het eerste en belangrijkste onderdeel van onze telescoop: de spiegel.

Hoewel de eerste telescopen lenzen hadden om het licht te concentreren is het makkelijker om een holle spiegel te gebruiken. De telescoop kan zo gemakkelijker opgeschaald worden. En hoe groter de diameter van de telescoop, hoe meer licht hij vangt en hoe gevoeliger hij wordt.

We gaan het helemaal zelf doen. We beginnen met een platte doorzichtige glasschijf die we handmatig (!) aan een kant hol gaan maken. Van te voren hebben we bij Jean Pierre aangegeven wat voor spiegel we willen. Ruwweg geldt dus, groter is beter. Maar groter is ook moeilijker. Imperfecties die tijdens het slijpen ontstaan, zijn moeilijker weg te werken. We besluiten om een middelgrote spiegel te maken met een doorsnede van 27 centimeter.

Deze glasschijf is voor een iets ambitieuzer project...

Deze glasschijf is voor een iets ambitieuzer project…

Nadat we een tour hebben gemaakt langs de uitgebreide faciliteiten van Kijkerbouw – ik zou het bijna als een soort ambachtelijke telescoopfabriek bestempelen, daarover later meer – komen we in onze werkplaats. Tussen de werkbanken, lege telescoopbuizen en glasschijven worden we aan het werk gezet.

Het doel is simpel. We nemen onze glasschijf en strooien daarop wat poeder van siliciumcarbide (dat spul is zo hard dat er kogelvrije vesten van gemaakt worden). We maken het nat met een plantenspuit beginnen met een ándere glasschijf over de bovenkant van onze spiegel in spe te wrijven. Steeds een stuk of tien, twintig keer in een richting, en dan een halve slag draaien en herhalen.

Er gebeurt iets wonderbaarlijks. De wrijving van het poeder zorgt ervoor dat de glasschijven slijten. De onderste schijf wordt daarbij altijd hol (wat we willen voor spiegel), de bovenste wordt bol. Dat heeft te maken met het feit dat een perfect bol en perfect hol voorwerp precies over elkaar heen kunnen vallen. Zitten er oneffenheden in de vorm van de schijven, dan zullen ze vanzelf in dit proces weggeslepen worden.

Door twee glasschijven over elkaar heen te schuren wordt de onderste bol, de bovenste hol.

Door twee glasschijven over elkaar heen te schuren wordt de onderste hol, de bovenste bol.

Het is best flink werken, die twee schijven steeds over elkaar heen wrijven. Zeker als het water steeds opdroogt en de wrijving toeneemt. Maar na vier keer pakweg een half uur te hebben gezwoegd (waarbij de spiegel om beurten boven en onder ligt) slaagt onze schijf voor de tussentoets. Met een dieptemeter kunnen we de curve precies bepalen. De meter wijst 0,91 millimeter aan. Over de hele glasschijf gerekend betekent dat het midden van de schijf pakweg 2 millimeter lager ligt dan de randen.

We komen deze dag niet verder dan twee ‘schuurpoedertjes’. De overige poedertjes – met een steeds fijnere korrel – gaan mee naar Nijmegen, samen met het olievat dat de volgende slijpsessie gaat dienen als werktafel.

Andrés, het olievat en ik op weg naar huis.

Andrés, het olievat en ik op weg naar huis.

Lees hier het volgende deel van mijn telescoopblog: Een trillende naald