Het bestuderen van radiobronnen wordt bedreigd door radiovervuiling van de mens. Op dit moment vormen de signalen van Glonass-satellieten, de Russische variant op het Amerikaanse plaatsbepalingssysteem GPS, een gevaar voor de gevoelige metingen gemaakt met behulp van radiotelescopen.
Om de storing te onderdrukken, ontwierp aio Sven Wallage een supergeleidend filter.
Supergeleiding is jarenlang de speeltuin geweest van fundamenteel fysisch onderzoek. Toen zo’n tien jaar geleden supergeleiding werd ontdekt bij vloeibare stikstof temperaturen, kwamen echter toepassingen in zicht. Voor de traditionele supergeleiders is een dure koeling nodig van lager dan tien Kelvin.
Amerika telt inmiddels de eerste miljonairs die rijk geworden zijn door supergeleiding. Ook Delft kende haar eigen vakgroep Supergeleiding bij Natuurkunde, waar veel materiaalonderzoek werd gedaan om te zoeken naar nieuwe supergeleiders die bij hoge temperaturen supergeleidend werden. Elektrotechnicus Sven Wallage doet zijn promotieonderzoek in een samenwerking tussen de vakgroep Supergeleiding bij Natuurkunde en de Microgolf Componenten groep bij elektrotechniek. Inmiddels is de vakgroep Supergeleiding omgedoopt tot Quantumtransport. Wallage, die in maart zijn laatste metingen verrichtte en eind mei promoveert, is de laatste die specifiek supergeleiding onderzoekt.
In tegenstellingen tot vele eerdere onderzoeken in supergeleiding, is Wallages werk puur toepassingsgericht. Supergeleiders zijn erg interessant voor microgolf systemen. Ze hebben lage verliezen, en dempen het signaal maar weinig. Daardoor zijn ze ook geschikt voor systemen met hoge schakelsnelheden, zoals in de telefonie. Op dit moment worden in Amerika basisstations voor de Amerikaanse variant van GSM getest die met supergeleidende filters werken.
Westerbork
Ook Westerbork was op zoek naar een filter dat geschikt was voor hoge frequenties. De sterrenwacht doet bijvoorbeeld onderzoek naar de spectraallijn van het hydroxyl (OH)-radicaal, een verbinding van zuurstof met waterstof. Deze spectraallijn bij 1612 MHz ligt zeer dicht in de buurt van de golflengtes van twee wereldwijde satelietcommunicatienetwerken: Glonass en het Iridium project van Motorola. Glonass wordt gebruikt voor plaatsbepalingen op aarde, het Iridium project wil mobiele telefonie overal op aarde mogelijk maken.
Voor astronomen zijn deze signalen storingen die ze het liefst wegfilteren. Wallage vertelt dat dat erg moeilijk is: ,,Glonass gebruikt van 1560 tot 1610 MHz, letterlijk vlak naast de frequentie waarop je wilt meten. Maar je kunt nietalles zomaar onderdrukken tot 1610 MHz, want bij 1420 MHz ligt weer een lijn die door waterstof veroorzaakt wordt. Het filter moet dus vrij precies alles onderdrukken tussen 1430 en 1600 MHz.”
Omdat de frequentie van Glonass zo dicht bij de hydroxyllijn ligt, moet het filter erg scherp afvallen op dat punt. Maar dat is niet het enige. Wallage: ,,Signalen zijn erg zwak in de radio-astronomie. Daarom gebruik je juist die grote telescopen. Je wilt dus niet dat je filter het normale signaal verzwakt wordt. De eis was dat het niet meer dan 0,2 dB mocht zijn, ongeveer 2,5 procent. Dat zijn erg zware eisen. Met klassieke materialen is dat niet mogelijk. Westerbork koelt al zijn versterkers om een lagere ruis te hebben. Daar passen supergeleiders dus prima bij.”
Modellering
Wallage vertelt dat het niet triviaal is om met supergeleiders elektronische componenten te maken. ,,Supergeleiders zijn geen perfecte geleiders. Een elektromagnetisch veld kan binnenin een perfecte geleider niet bestaan, het wordt altijd door een nieuwe rangschikking van de elektronen opgeheven. Een supergeleider sluit ook het veld uit, maar niet helemaal: aan de rand dringt een gedeelte van het veld toch de supergeleider binnen. Dit maakt de eigenschappen van een supergeleider wezenlijk anders.”
Dit is van belang voor toepassingen in de microgolffrequenties, vertelt Wallage. Microgolven kun je opwekken in metalen doosjes, resonatoren. Een bekend voorbeeld is de magnetron. Als je een metalen doosje hebt ter lengte van een halve golflengte, dan kan die golf daarin een staande golf vormen. De frequentie van die microgolf hangt dus af van de lengte van het doosje. Omdat een supergeleider anders reageert op een elektromagnetisch veld dan een perfecte geleider, moet de lengte van zo’n doosje anders zijn om een bepaalde frequentie te krijgen.
Om precies te achterhalen hoe hij zijn supergeleidende componenten moest dimensioneren, probeerde Wallage de eigenschappen ervan met de computer te simuleren: ,,Dat is een gigantische klus. Een volledig elektromagnetisch model kost erg veel tijd. Voorheen is een dergelijk model wel ontworpen voor geïntegreerde optische toepassingen. Maar in de supergeleider moet alles op dertig nanometer bekend zijn, dat is enorm veel kleiner dan de golflengte en dus het doosje, die in de orde van centimeters liggen. Je moet dus die centimeters opdelen in enorm veel kleine stukjes. Dat maakt de berekeningen lastiger: een enkele simulatie kost uren.”
Doosje
Wallage ontwierp eerst een filter met discrete elementen, spoeltjes en condensatoren. Voor hoge frequenties moeten die componenten erg klein zijn. Het cruciale probleem daarbij is dat supergeleiders als dunne films gemaakt worden en dus tweedimensionaal zijn. Wallage: ,,In een plat vlak kun je alleen een spoel met meer windingen maken als je door middel van een brug weer naar de buitenste winding gaat. Daardoor worden je spoelen niet ideaal, ze krijgen teveel parasitairecapaciteit. Ook onze condensatoren konden wij niet maken. De dunne films waren gewoon niet goed genoeg. In deze richting kwamen we dus vast te zitten.”
Wallage is toen gaan kijken naar een ander systeem: golfgeleiders. Net als in een magnetron kan een elektrisch veld in een golfgeleider resoneren omdat er een staande golf in past. Voor de frequentie van die staande golf veranderen de elektrische eigenschappen – die ene frequentie wordt onderdrukt. Dat resulteert dus in een filter dat een bepaalde frequentie onderdrukt.
Als golfgeleider gebruikt Wallage twee parallelle strips van supergeleidend materiaal. Deze twee lange stroken van supergeleidend materiaal liggen naast elkaar en zijn omringd door materiaal dat aan de aarde is verbonden. ,,Je kunt voor zo’n golfgeleider uitrekenen hoe het circuit eruitziet als je dat met normale condensatoren en spoelen zou moeten maken.”
Het circuit is zo niet te maken, maar Wallage gebruikt het als een model om zijn golfgeleider door te kunnen rekenen. Zo kon hij bijvoorbeeld een filter met verschillende golfgeleiders tegelijkertijd doorrekenen. ,,De stroken van supergeleidend materiaal zijn redelijk makkelijk te maken in films van de supergeleider. Uiteindelijk hebben we een prototype gemaakt dat bij 3 GHz werkte, zeg maar het dubbele van de frequentie die we nodig hadden. Het resultaat was bijna te goed om waar te zijn, we konden aan alle zware specificaties voldoen. De supergeleider bleek erg goed op een perfecte geleider te lijken, behalve dat de centrale frequentie iets verschoven lag.”
De karakteristieke vorm van Wallages filter bleek uitstekend voorspeld te zijn door zijn simulaties, behalve de centrumfrequentie. Vanwege het succes van het filter koos Wallage ervoor om het filter ingewikkelder te maken. ,,In de elektronica kun je met meer elementen een beter filter maken. We kozen daarom uiteindelijk voor acht gekoppelde lijnen. Zo konden we helemaal goed aan de specificaties voldoen.”
Zaagmachine
Wallage was vorig jaar mei vol goede moed: ,,Als het bij een hogere frequentie lukt, dan moet het bij een lagere frequentie toch ook kunnen. Normaal wordt de elektronica moeilijker met hogere frequenties.”
Om de lagere frequentie, dus een grotere golflengte, te bereiken had Wallage grotere supergeleidende films nodig. ,,Maar vanaf dat moment kregen we alleen maar slechte films van de leverancier, waarna we een andere leverancier moesten zoeken. Daarna ging een zaagmachine stuk en plotseling was het december. Als klap op de vuurpijl viel toen mijn testkoeler uit.”
Wallage, die in april zijn deadline had voor zijn proefschrift, brak het zweet uit: ,,Het woord ‘even’ zal ik niet meer gebruiken. Een vakgroep heeft natuurlijk geen ‘time to market’ maar ik had wel een ‘time to appliance’: Westerbork zit wel op je te wachten. Vier jaar lijkt onwaarschijnlijk veel tijd, maar daardoor neem je als aio snel veel te veel hooi op je vork.”
Uiteindelijk wist Wallage nog op de valreep zijn filter af te krijgen. Ook had hij nog tijd voor de ultieme test: ,,Woensdag26 maart zijn we naar Westerbork gegaan. We mikten de telescoop op een hemellichaam en maten het signaal. We richtten een radiozender van 1,5 GHz op de schotel en keken vervolgens of het filter het goed deed. Dat ging perfect.”
Het filter kan in de toekomst gebruikt worden om de telescoop te verfijnen. De eerste metingen met het filter door astronomen zijn inmiddels ook naar tevredenheid afgerond. Volgens Wallage is het moeilijk concurreren met de siliciumindustrie: ,,Met een lage weerstand alleen kom je er niet. Je zult ook elektronica moeten leveren die de siliciumindustrie niet kan maken. Dit filter is daar een voorbeeld van. Maar in Delft zal die ontwikkeling niet meer verder gaan. Op het gebied van hoge temperatuur supergeleiding doe ik in Delft het licht uit.”
Het bestuderen van radiobronnen wordt bedreigd door radiovervuiling van de mens. Op dit moment vormen de signalen van Glonass-satellieten, de Russische variant op het Amerikaanse plaatsbepalingssysteem GPS, een gevaar voor de gevoelige metingen gemaakt met behulp van radiotelescopen. Om de storing te onderdrukken, ontwierp aio Sven Wallage een supergeleidend filter.
Supergeleiding is jarenlang de speeltuin geweest van fundamenteel fysisch onderzoek. Toen zo’n tien jaar geleden supergeleiding werd ontdekt bij vloeibare stikstof temperaturen, kwamen echter toepassingen in zicht. Voor de traditionele supergeleiders is een dure koeling nodig van lager dan tien Kelvin.
Amerika telt inmiddels de eerste miljonairs die rijk geworden zijn door supergeleiding. Ook Delft kende haar eigen vakgroep Supergeleiding bij Natuurkunde, waar veel materiaalonderzoek werd gedaan om te zoeken naar nieuwe supergeleiders die bij hoge temperaturen supergeleidend werden. Elektrotechnicus Sven Wallage doet zijn promotieonderzoek in een samenwerking tussen de vakgroep Supergeleiding bij Natuurkunde en de Microgolf Componenten groep bij elektrotechniek. Inmiddels is de vakgroep Supergeleiding omgedoopt tot Quantumtransport. Wallage, die in maart zijn laatste metingen verrichtte en eind mei promoveert, is de laatste die specifiek supergeleiding onderzoekt.
In tegenstellingen tot vele eerdere onderzoeken in supergeleiding, is Wallages werk puur toepassingsgericht. Supergeleiders zijn erg interessant voor microgolf systemen. Ze hebben lage verliezen, en dempen het signaal maar weinig. Daardoor zijn ze ook geschikt voor systemen met hoge schakelsnelheden, zoals in de telefonie. Op dit moment worden in Amerika basisstations voor de Amerikaanse variant van GSM getest die met supergeleidende filters werken.
Westerbork
Ook Westerbork was op zoek naar een filter dat geschikt was voor hoge frequenties. De sterrenwacht doet bijvoorbeeld onderzoek naar de spectraallijn van het hydroxyl (OH)-radicaal, een verbinding van zuurstof met waterstof. Deze spectraallijn bij 1612 MHz ligt zeer dicht in de buurt van de golflengtes van twee wereldwijde satelietcommunicatienetwerken: Glonass en het Iridium project van Motorola. Glonass wordt gebruikt voor plaatsbepalingen op aarde, het Iridium project wil mobiele telefonie overal op aarde mogelijk maken.
Voor astronomen zijn deze signalen storingen die ze het liefst wegfilteren. Wallage vertelt dat dat erg moeilijk is: ,,Glonass gebruikt van 1560 tot 1610 MHz, letterlijk vlak naast de frequentie waarop je wilt meten. Maar je kunt nietalles zomaar onderdrukken tot 1610 MHz, want bij 1420 MHz ligt weer een lijn die door waterstof veroorzaakt wordt. Het filter moet dus vrij precies alles onderdrukken tussen 1430 en 1600 MHz.”
Omdat de frequentie van Glonass zo dicht bij de hydroxyllijn ligt, moet het filter erg scherp afvallen op dat punt. Maar dat is niet het enige. Wallage: ,,Signalen zijn erg zwak in de radio-astronomie. Daarom gebruik je juist die grote telescopen. Je wilt dus niet dat je filter het normale signaal verzwakt wordt. De eis was dat het niet meer dan 0,2 dB mocht zijn, ongeveer 2,5 procent. Dat zijn erg zware eisen. Met klassieke materialen is dat niet mogelijk. Westerbork koelt al zijn versterkers om een lagere ruis te hebben. Daar passen supergeleiders dus prima bij.”
Modellering
Wallage vertelt dat het niet triviaal is om met supergeleiders elektronische componenten te maken. ,,Supergeleiders zijn geen perfecte geleiders. Een elektromagnetisch veld kan binnenin een perfecte geleider niet bestaan, het wordt altijd door een nieuwe rangschikking van de elektronen opgeheven. Een supergeleider sluit ook het veld uit, maar niet helemaal: aan de rand dringt een gedeelte van het veld toch de supergeleider binnen. Dit maakt de eigenschappen van een supergeleider wezenlijk anders.”
Dit is van belang voor toepassingen in de microgolffrequenties, vertelt Wallage. Microgolven kun je opwekken in metalen doosjes, resonatoren. Een bekend voorbeeld is de magnetron. Als je een metalen doosje hebt ter lengte van een halve golflengte, dan kan die golf daarin een staande golf vormen. De frequentie van die microgolf hangt dus af van de lengte van het doosje. Omdat een supergeleider anders reageert op een elektromagnetisch veld dan een perfecte geleider, moet de lengte van zo’n doosje anders zijn om een bepaalde frequentie te krijgen.
Om precies te achterhalen hoe hij zijn supergeleidende componenten moest dimensioneren, probeerde Wallage de eigenschappen ervan met de computer te simuleren: ,,Dat is een gigantische klus. Een volledig elektromagnetisch model kost erg veel tijd. Voorheen is een dergelijk model wel ontworpen voor geïntegreerde optische toepassingen. Maar in de supergeleider moet alles op dertig nanometer bekend zijn, dat is enorm veel kleiner dan de golflengte en dus het doosje, die in de orde van centimeters liggen. Je moet dus die centimeters opdelen in enorm veel kleine stukjes. Dat maakt de berekeningen lastiger: een enkele simulatie kost uren.”
Doosje
Wallage ontwierp eerst een filter met discrete elementen, spoeltjes en condensatoren. Voor hoge frequenties moeten die componenten erg klein zijn. Het cruciale probleem daarbij is dat supergeleiders als dunne films gemaakt worden en dus tweedimensionaal zijn. Wallage: ,,In een plat vlak kun je alleen een spoel met meer windingen maken als je door middel van een brug weer naar de buitenste winding gaat. Daardoor worden je spoelen niet ideaal, ze krijgen teveel parasitairecapaciteit. Ook onze condensatoren konden wij niet maken. De dunne films waren gewoon niet goed genoeg. In deze richting kwamen we dus vast te zitten.”
Wallage is toen gaan kijken naar een ander systeem: golfgeleiders. Net als in een magnetron kan een elektrisch veld in een golfgeleider resoneren omdat er een staande golf in past. Voor de frequentie van die staande golf veranderen de elektrische eigenschappen – die ene frequentie wordt onderdrukt. Dat resulteert dus in een filter dat een bepaalde frequentie onderdrukt.
Als golfgeleider gebruikt Wallage twee parallelle strips van supergeleidend materiaal. Deze twee lange stroken van supergeleidend materiaal liggen naast elkaar en zijn omringd door materiaal dat aan de aarde is verbonden. ,,Je kunt voor zo’n golfgeleider uitrekenen hoe het circuit eruitziet als je dat met normale condensatoren en spoelen zou moeten maken.”
Het circuit is zo niet te maken, maar Wallage gebruikt het als een model om zijn golfgeleider door te kunnen rekenen. Zo kon hij bijvoorbeeld een filter met verschillende golfgeleiders tegelijkertijd doorrekenen. ,,De stroken van supergeleidend materiaal zijn redelijk makkelijk te maken in films van de supergeleider. Uiteindelijk hebben we een prototype gemaakt dat bij 3 GHz werkte, zeg maar het dubbele van de frequentie die we nodig hadden. Het resultaat was bijna te goed om waar te zijn, we konden aan alle zware specificaties voldoen. De supergeleider bleek erg goed op een perfecte geleider te lijken, behalve dat de centrale frequentie iets verschoven lag.”
De karakteristieke vorm van Wallages filter bleek uitstekend voorspeld te zijn door zijn simulaties, behalve de centrumfrequentie. Vanwege het succes van het filter koos Wallage ervoor om het filter ingewikkelder te maken. ,,In de elektronica kun je met meer elementen een beter filter maken. We kozen daarom uiteindelijk voor acht gekoppelde lijnen. Zo konden we helemaal goed aan de specificaties voldoen.”
Zaagmachine
Wallage was vorig jaar mei vol goede moed: ,,Als het bij een hogere frequentie lukt, dan moet het bij een lagere frequentie toch ook kunnen. Normaal wordt de elektronica moeilijker met hogere frequenties.”
Om de lagere frequentie, dus een grotere golflengte, te bereiken had Wallage grotere supergeleidende films nodig. ,,Maar vanaf dat moment kregen we alleen maar slechte films van de leverancier, waarna we een andere leverancier moesten zoeken. Daarna ging een zaagmachine stuk en plotseling was het december. Als klap op de vuurpijl viel toen mijn testkoeler uit.”
Wallage, die in april zijn deadline had voor zijn proefschrift, brak het zweet uit: ,,Het woord ‘even’ zal ik niet meer gebruiken. Een vakgroep heeft natuurlijk geen ‘time to market’ maar ik had wel een ‘time to appliance’: Westerbork zit wel op je te wachten. Vier jaar lijkt onwaarschijnlijk veel tijd, maar daardoor neem je als aio snel veel te veel hooi op je vork.”
Uiteindelijk wist Wallage nog op de valreep zijn filter af te krijgen. Ook had hij nog tijd voor de ultieme test: ,,Woensdag26 maart zijn we naar Westerbork gegaan. We mikten de telescoop op een hemellichaam en maten het signaal. We richtten een radiozender van 1,5 GHz op de schotel en keken vervolgens of het filter het goed deed. Dat ging perfect.”
Het filter kan in de toekomst gebruikt worden om de telescoop te verfijnen. De eerste metingen met het filter door astronomen zijn inmiddels ook naar tevredenheid afgerond. Volgens Wallage is het moeilijk concurreren met de siliciumindustrie: ,,Met een lage weerstand alleen kom je er niet. Je zult ook elektronica moeten leveren die de siliciumindustrie niet kan maken. Dit filter is daar een voorbeeld van. Maar in Delft zal die ontwikkeling niet meer verder gaan. Op het gebied van hoge temperatuur supergeleiding doe ik in Delft het licht uit.”
Comments are closed.