‘Een emeritaat komt altijd te vroeg’

Miljoenensubsidie voor koeling Einsteintelescoop, het artikel verschijnt een kleine zes weken voordat Marcel ter Brake officieel met emeritaat gaat. De UT-hoogleraar Energy, Materials and Systems werkte de afgelopen jaren aan het trillingvrij koelen van de beoogde Einsteintelescoop: een multimiljardenproject om zwaartekrachtsgolven te meten. Voor die hypercomplexe puzzel legden Ter Brake en zijn vakgroep al een belangrijk stukje in de afgelopen decennia. En er zijn er nog meer te leggen.

Niet voor de voeten lopen

Met dat in het achterhoofd, komt zijn emeritaat niet te vroeg? ‘Een emeritaat komt altijd te vroeg. Maar het is niet dat ik compleet stop, hoor. Ik begeleid nog drie promovendi momenteel en binnen de groep heb ik gezegd dat ik reactief beschikbaar ben – dus als het nodig is. Mijn onderzoekstaken zijn inhoudelijk al grotendeels overgenomen door Michiel van Limbeek en de voorzittershamer van de leerstoel EMS is inmiddels in handen van Hans van Oort. Eigenlijk doe ik sinds januari al zoveel mogelijk alsof ik er niet meer ben. Zo hebben we het georganiseerd.’

'Ik was als middelbare scholier geobsedeerd door het Apollo-programma. De Saturnus V-draagraket was zo hoog als de Domtoren in Utrecht'

Tot in den treure een academische carrière rekken, dat wil Ter Brake niet. ‘Er is meer in het leven dan de wetenschap. Ik kan ook gelukkig worden van tuinieren of een oude fiets opknappen. Ik hoop dat het Einsteintelescoopproject een succes wordt, maar ik heb absoluut vrede met het einde van mijn actieve wetenschappelijke carrière. Op een gegeven moment ga je de nieuwe garde voor de voeten lopen, dat wil ik niet.’

Apollo-programma

Zo is er een tijd van gaan, maar er was er ook een van komen. In 1975 begon Ter Brake met een studie technische natuurkunde aan de toenmalige Technische Hogeschool Twente. Hij haalde op de middelbare school hoge cijfers voor wiskunde en zijn broer studeerde ook aan de THT. Dat leek hem wel wat. De logische optelsom was een studie toegepaste wiskunde geweest. ‘Maar tijdens de voorlichtingsdagen kreeg ik tijdens het ochtendprogramma bij die opleiding op een schoolbord een gortdroge uitleg met vergelijkingen voorgeschoteld. Ik besloot, omdat ik er toch al was, ’s middags langs te gaan bij technische natuurkunde. Ik zag daar practica, met allerlei indrukwekkende apparatuur en metertjes, en was meteen verkocht.’

Eigenlijk begon het voor Marcel ter Brake met een fascinatie voor techniek. ‘En de ruimte. Ik was als middelbare scholier geobsedeerd door het Apollo-programma. De Saturnus V-draagraket was zo hoog als de Domtoren in Utrecht. Nog steeds vind ik het een technologisch kunststuk om zo’n gigantisch iets gecontroleerd de ruimte in te sturen. Het is mateloos fascinerend.’

Nul Kelvin

De rode draad in zijn carrière is echter kou en koeling. Richting het eind van zijn studie kwam Ter Brake voor zijn afstudeeropdracht terecht bij de vakgroep Lage Temperaturen. Daar kwam hij in aanraking met supergeleiding en het werken met temperaturen rond het absolute nulpunt – 0 Kelvin of -273 graden Celsius. ‘Supergeleiding is een apart fenomeen. Er is veel meer mee mogelijk dan de klassieke manier van geleiding via koper. Zeker na de ontdekking van supergeleiding in keramische materialen in 1986 – werkend bij de temperatuur van vloeibaar stikstof, 77 Kelvin – groeide mijn fascinatie voor het speelveld van veel stroom en een sterk magnetisch veld – en dat bij lage temperaturen.’

Na zijn afstuderen bleef hij aan bij de vakgroep Lage Temperaturen om te promoveren. Diezelfde vakgroep die een kweekvijver bleek voor UT-hoogleraren als Dave Blank, Guus Rijnders, Hans Hilgenkamp, Bennie ten Haken, Alexander Brinkman, Mark Huijben en Gertjan Koster. ‘Er zijn er meer, in totaal een stuk of tien, ik heb een slide met een heel overzicht’, zegt Ter Brake.

Zijn promotie in 1986 was gericht op het ontwerp en realisatie van een gesteente-magnetometer gebaseerd op SQUIDs: Superconducting Quantum Interference Devices. Na zijn promotie richtte Ter Brake zich op het gebruik van de hoge-temperatuur keramische SQUIDs voor het meten van biomagnetische signalen. Het was de opmaat voor werk aan cryokoelers, die in de industrie ontwikkeld waren voornamelijk voor militaire doeleinden. ‘Die konden wij gebruiken voor medische doeleinden’, vertelt Ter Brake. ‘De uitdaging lag daarbij in het onderdrukken van storing, elektromagnetische storing, trillingen en temperatuurfluctuaties. Daar waren we succesvol in, maar mij leek de vereiste koeltechniek qua afmetingen veel te groot voor de koeling van zo’n SQUID dat maar ruwweg een vierkante centimeter was.’

Trillingvrij koelen

Ter Brake richtte zich daarom op microkoeling en ontwikkelde met collega’s een thermische, trillingvrije compressortechnologie. ‘Koeling is in de regel gebaseerd op expansie van gecomprimeerd gas, waardoor het afkoelt. Zo werkt het ook in een koelkast thuis, waar een mechanische compressor wordt gebruikt. We kwamen tot een prototype van een relatief kleine sorptiecompressor die gebruikmaakt van actieve kool. Gas kan geadsorbeerd worden aan die kool. Door de kool vervolgens warm te stoken, komt dat gas vrij en kan in een beperkt volume een hoge druk worden opgebouwd. Als je dat gas vervolgens over een flow-restrictie laat expanderen koelt het af. Daarmee hebben we een koeler die thermisch wordt aangedreven en afgezien van een paar ventieltjes geen bewegende onderdelen bevat.’

Dat systeem trok rond de millenniumwisseling de aandacht van een delegatie van de European Space Agency (ESA) die de UT bezocht. ‘ESA was op dat moment bezig met de Darwinmissie, om de dampkring van aardeachtige planeten te bestuderen. Een zestal spiegels in de ruimte en een centrale beam combiner zouden samen een soort telescoop vormen om straling afkomstig van dergelijke planeten te kunnen analyseren. Maar de achtergrondstraling van de bij de planeet behorende ster moest wel onderdrukt worden. Daarvoor was het stelsel van zes spiegels en de beam combiner bedoeld. Aan het eind van de beam combiner zat een detector die gekoeld moest worden tot circa 4 Kelvin. We ontwikkelden in een aantal opvolgende ESA projecten de daarvoor vereiste technologie. Een belangrijke eis is dat het systeem een lancering kan overleven. Ook dat is gelukt.’

De Darwinmissie kwam bij ESA echter nooit van de grond. Dat gold ook voor de toepassing van dezelfde Twentse koelingstechnologie in de Extremely Large Telescope in Chili. Maar wat in het vat zat, verzuurde niet. Het was uiteindelijk het nationale instituut voor subatomaire fysica Nikhef dat in 2018 aanklopte bij Ter Brake en de betrokkenheid bij het Einsteintelescoopproject ontstond.

Toekomstmuziek

Die Einsteintelescoop moet ofwel in Sardinië of in het grensgebied van Zuid-Limburg, België en Duitsland terechtkomen. Dat als tunnel in driehoekvorm, met ‘armen’ van tien kilometer lang, op twee- tot driehonderd meter diepte. In de drie buizen die de zijden van de driehoek vormen, worden laserstralen gelijktijdig afgevuurd. Zo'n laserstraal wordt gesplitst in twee bundels en die worden aan de uiteinden van elke 'arm' in de ondergrondse kamer teruggekaatst door spiegels. Dat allemaal om zwaartekrachtsgolven te detecteren en observeren.

'Helemaal trillingvrij bestaat niet. Zelfs moleculaire trillingen van het spiegeloppervlak kunnen het signaal verstoren'

Dat is allemaal nog toekomstmuziek. Volgend jaar of in 2026 wordt duidelijk waar de Einsteintelescoop komt, pas in 2030 start de bouw. Waar Ter Brake en zijn vakgroep – samen met de Twentse spin-off bedrijven Demcon kryoz en Cooll – al wel aan werken, is de koeling van de spiegels in deze gigantische installatie. ‘Bij het Nobelprijswinnende LIGO-project was er een relatieve afstandsverandering waarneembaar van 10^-20. Het is haast niet voor te stellen hoe klein dat is… Maar voor de verbeelding: neem de afstand van de aarde tot de zon – 150 miljoen kilometer – daarvan moet je dan een verandering van 1,5 nanometer kunnen meten… Absurd eigenlijk!’

De gevoeligheid van de Einsteintelescoop zal voor een belangrijk deel worden bepaald door de ruis gegenereerd door de thermische beweging van het oppervlak van de spiegels. Om die thermische ruis te onderdrukken moeten de spiegels worden afgekoeld tot richting het absolute nulpunt, legt de hoogleraar uit. ‘Helemaal trillingvrij bestaat niet. Zelfs moleculaire trillingen van het spiegeloppervlak kunnen het signaal verstoren. Daarom moeten we zelfs deze minuscule trillingen onderdrukken.’

'Die bolletjes van coronavirussen? We zouden ze nooit hebben zien muteren zonder trillingvrije cryogene technologie'

MRI-scan

Het vergde decennia geduld om richting deze toepassing te werken – en de hoogleraar zal nog tot lang na zijn emeritaat geduld moeten bewaren om zijn werk toegepast te zien in de Einsteintelescoop. Hij werpt zelf de vraag op: ‘Je zal wel denken, wat heb je eraan? In het geval van de Einsteintelescoop krijgen we meer informatie over het ontstaan van het heelal, maar ontdekken we wellicht meer toepassingen voor de technologie. CERN was niet alleen de plek waar het Higgsdeeltje werd ontdekt, maar ook waar het internet werd uitgevonden. Als mijn onderzoek eens ter sprake komt op een feestje met de vraag waar het allemaal goed voor is, vraag ik mensen of ze weleens een MRI-scan hebben gehad. Zo ja, dan lag je op zo’n twee centimeter afstand van een supergeleidende spoel. En die bolletjes van coronavirussen? We zouden ze nooit hebben zien muteren zonder trillingvrije cryogene technologie.’

Verwonderen

‘Warm lopen voor kou’ is dan ook de meer dan logische titel voor zijn afscheidsrede. En zelf oogt hij allerminst klaar om te stoppen. Tijdens het interview schetst hij driftig de krachten van supergeleiding uit op een A4’tje. ‘Er wordt me thuis weleens verweten dat ik constant aan het nadenken ben’, zegt hij – en opnieuw pakt hij het al bijna volgekrabbelde A4’tje om een Newtonpendel te tekenen. ‘Daar lag ik nog even wakker van, waarom de middelste balletjes niet bewegen als je één van de buitenste ertegenaan laat tikken. De verklaring ligt in het feit dat behoud van impuls maar de helft van het verhaal is.’

Zijn nieuwsgierigheid zal hij blijven behouden, zoveel is wel duidelijk. ‘Wat je enorm moet stimuleren bij kinderen is het stellen van waaromvragen’, besluit hij. ‘Nooit zeggen dat iets een stomme vraag is, het is zo zonde om nieuwsgierigheid de kop in te drukken. Je moet je altijd blijven verwonderen.’