Een telescoop bouwen – Spiegeltje, spiegeltje…

Ik kijk door het ronde raampje van een olijfgroen, zoemend apparaat naar binnen. Ik moet een beetje aan zo’n ouderwetse duikhelm denken. Maar achter het raampje zit geen duiker. Ik zie een paar metalen onderdelen, het meest opvallend is een soort bakje dat helder gloeit.

De opdampmachine creëert een vacuüm, waarin door verhitting aluminium verdampt. Dat zet zich op glas af als een superdun laagje.

Deze ‘duikhelm’ is in werkelijkheid een vacuümkamer en staat in de sterrenkijker-werkplaats van Kijkerbouw, in de kelder van de Universiteit van Gent. Achter de knoppen staat Jean Pierre Grootaerd. Hij maakt van de door ons nauwkeurig geslepen ronde glasplaat een spiegel, die het hart van onze telscoop in aanbouw gaat vormen.

In het gloeiende bakje ligt een stukje aluminium. Het verdampt (kookpunt bij normale druk is zo’n 2500 graden) en verspreidt zich als aluminiumgas in de vacuümkamer. Daar hangt ondersteboven een rond stuk glas. Ik kan dat niet zien door het raampje, maar het is net zo’n plaat als waar wij dagen lang op zwoegden om het in de goede vorm te krijgen. Op dat glas zet het aluminium zich af als een laagje van tientallen nanometers dik. Ter vergelijking, een menselijke haar is al gauw duizend keer dikker.

We bedienen ons van het gemak: na het minutieuze slijp- en polijstwerk, na het nota bene zelf bouwen van een Focaulttest (om de vorm van het glas te bepalen), doen we deze stap níet zelf.

In de geopende opdampmachine is een ‘verse’ spiegel te zien (niet onze).

Scheerspiegel plus

Helaas waren we niet bij het spiegelen van onze eigen spiegel. Dat deed Jean Pierre later zelf. Als onze spiegel een tijdje later thuis wordt bezorgd, zijn we tevreden: het glas heeft een laagje glimmend aluminium en een beschermende coating.

Check check, spiegel check.

Het hart val de telescoop is nu af, ook al is het nog lang geen telescoop. Wat we nu hebben is eigenlijk een soort zelfgemaakte scheerspiegel. Hij lijkt te werken, ik zie perfecte vergroting van mezelf (met stoppelbaard).

Sterren zijn nog niet binnen bereik. Daarvoor heeft de telescoop een frame nodig, waarmee we de spiegel nauwkeurig op de hemel richten. Een bouwproject dat zeker nog een aantal zondagen gaat opeisen.

Perspectief

Om de spiegel van onze telescoop even in perspectief te zetten: zie hieronder een vergelijking met de állergrootste telescopen die momenteel in ontwikkeling zijn. Tja, we kunnen wat wat betreft de grootte (27 centimeter) niet echt op tegen de 39,3 meter grote European Extremely Large Telescope of de 30 meter grote Thirty Meter Telescope, maar we zijn wel véél eerder klaar. Ha!

 

Vergelijking van de hoofdspiegels belangrijkste telescopen in aanbouw. (Cmglee/Roel van der Heijden via CC BY-SA 3.0)

 

 

Een telescoop bouwen – Vlammende test

De nagloed van de oerknal, Viagra en, ja, zélfs de Post-It is per toeval ontdekt. Ook in ons telescoopbouwproject sloeg serendipiteit toe: we bouwden per ongeluk een warmtecamera. En we wilden alleen maar de vorm van onze telescoopspiegel (in aanbouw) testen. Niet nuttig, maar wel retecool. Check dit filmpje:

Nee, deze telefoon is níet uitgerust met een warmtecamera-app. Ook met het blote oog is de opstijgende warmte van de aansteker te zien! Je moet dan wel op de goede manier in ons magische glas kijken. Ik doe een poging om het uit te leggen.

De ‘rook’ is de hete lucht van de aansteker. En deze verstoort de nauwgezette focus van onze spiegeltest. Die test bestaat uit een ledlampje, een scheermesje, zeer veel geduld en gepriegel om ze in exact de goede positie te krijgen.

Die goede oude Foucault

Nog niet afgehaakt? Ik ga nog wat dieper. Want wat we hier doen is testen of onze spiegel eigenlijk wel een parabool is. De goede oude Léon Foucault (ja, ook de man die met het slinger bewees dat de aarde draait) bedacht een slimme test in de 19e eeuw. Hiermee is precies te bepalen waar de focus van een holle spiegel (of glas) ligt. In de afbeelding hieronder zie je wat er gebeurt.

De Foucaulttest laat licht via twee spiegels over een scheermesje vallen. Het scheermesje laat alleen het licht door dat precies op dit punt gefocust is. Wikibob via CC BY-SA 3.0

Wij deden een aantal metingen, en zo wisten we de focus van verschillende delen van de spiegel. Van de binnenste regio tot aan de randen. Dat is overigens een paar woensdagen priegelen geweest. De positie van het lampje, de spiegel en een nauwkeurig beweegbare scheermesjesopstelling. Het komt allemaal ontzettend precies. Je verstoort zo’n meting al door simpelweg over het laminaat te lopen.

 

Het mesje.

De reflectie!

Het bionische oog.

De opstelling.

Toegegeven, onze eigen test was een beetje houtje-touwtje, maar het werkt! Ik ga je de details van de test besparen. We maten verschillende brandpuntsafstanden tot op honderdsten van millimeters. Dan is het nog een kwestie van de meetwaarden invullen in de computer en die vertelt je welke vorm je spiegel heeft.

Ja, we hadden ook gewoon de kant-en-klare Foucaulttest van de telescoopwerkplaats Kijkerbouw in Gent kunnen gebruiken. En OK, dat hebben we ook gedaan. Maar enkel als second opinion. Ik zweer het!

Enne, die spiegel?

De brandende vraag is natuurlijk of onze spiegel de goede vorm heeft. Onze eigen metingen geven een zegen. En ook in België krijgen we groen licht. Yes! Het oppervlak benadert de vorm van een parabool.

De warmtecamera wordt afgebroken, het was een mooi speeltje. Maar we gaan door naar de volgende fase: het écht spiegelend maken van het glasoppervlak. Dat laten we voor de verandering maar eens meteen over aan professionals. Wordt vervolgd.

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.

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.

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.

Als pek ook maar een beetje warm wordt begint het meteen te vloeien.

Het pekdruppelexperiment met onderzoeker John Mainstone in 1990. (The University of Queensland)

De ‘W-vorm’ voor het paraboliseren van onze spiegel.

Een pannetje warme pek. Onze ‘pekschijf’ wordt gegoten.

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 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 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 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!

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…’

‘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 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

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 vrije 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)

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…

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 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.

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