Elektronica verdringt staal

De eerste parabool is zo’n vijftig jaar geleden neergezet in Dwingeloo. Dit apparaat werd in de jaren zestig opgevolgd door de zogeheten WSRT, ofwel de Westerbork Synthesis Radio Telescope. De Geus: “Dat is een serie van veertien telescopen die synchroon met elkaar werken. Ze staan op een rechte lijn met een lengte van 3 kilometer. Met in totaal veertien antennes kun je –heel simpel gezegd - waarnemingen verrichten alsof je een schotel met een diameter van 3 kilometer tot je beschikking hebt.” In 1970 werd de serie antennes officieel in gebruik gesteld. Omdat de paraboolantennes met elkaar in fase moesten werken, waren speciale maatregelen nodig. Zo moesten de verbindingen tussen het waarnemingsstation en de antennes allemaal even lang zijn. “Realiseer je wat dat betekent: van de buitenste telescoop naar het midden is een afstand van 1,5 kilometer. Die kabellengte hadden we dus nodig om de buitenste telescopen aan te sluiten op het waarnemingsstation. De paraboolantennes in het midden werden ook gekoppeld met kabels van 1,5 kilometer, die dan maar werden opgerold”, aldus De Geus. De antennes van Westerbork hebben elk een doorsnede van 25 meter. Het vergroten van die maat is zowel praktisch als economisch geen haalbare kaart. De Geus: “Het maken van zulke grote staalconstructies kost veel te veel geld. Tegenwoordig kunnen we met elektronische technieken veel verder gaan. Je plaatst dan een heleboel kleine antennes, verspreid over een uitgestrekt gebied en de gegevens die zo’n installatie opvangt verwerk je met een snelle computer. De antennes in kwestie kunnen geheel langs elektronische weg worden ingesteld op een bepaalde plek aan de hemelkoepel. Doordat er geen bewegende delen meer zijn, gaat zo’n antenne veel minder snel kapot dan een stalen constructie die je steeds moet draaien.” Doordat gebruik wordt gemaakt van elektronische antennes en een dito verwerking van de ontvangen signalen, hoeft er ook niet meer voor gezorgd te worden dat alle kabels even lang zijn. “Met zo’n matrix van kleine antennes maak je het jezelf een stuk eenvoudiger”, zegt Bouwe Schipper, hoofd van de sectie beheer van Astron. “Uiteindelijk maken we gebruik van vierkante antennes, de zogeheten ‘tegels’, die voor een bedrag van ongeveer 100 euro per stuk gemaakt kunnen worden. Dat prijspeil hebben we nu nog niet bereikt, hoor. We zitten er nu denk ik een factor honderd boven. Maar nieuwe technieken drukken de kostprijs sterk naar beneden.” Het project wordt uitgevoerd in een aantal stappen, die tenslotte leiden tot het zogeheten Square Kilometer Array ofwel SKA. Dit is een verzameling kleine antennes die via een zeer breedbandige verbinding aan elkaar is gekoppeld. De Geus: “Aan het woordje Kilometer kun je zien dat het een puur Nederlands project is. Dit is tevens een bewijs waarmee een klein land kan laten zien wat het waard is.” Als opstapje naar SKA wordt momenteel gewerkt aan de ontwikkeling van Lofar, ofwel het Low Frequency Array. Dit zijn groepjes eenvoudige antennes die met elkaar worden gekoppeld tot een matrix. Met behulp van zo’n array kunnen specifieke metingen aan het heelal worden verricht. Astron ontwikkelt alle onderdelen die voor de telescoop van de toekomst nodig zijn zelf. “De industrie kan ons wat dat betreft nog niet goed helpen. Er is wel heel veel gebeurd op het terrein van hoogfrequente halfgeleiders, kijk alleen maar naar de IC’s die worden gebruikt in mobiele telefoons, maar onze eisen liggen hoger. De ontvangers die wij willen bouwen, moeten 1000 tot 10.000 keer zo gevoelig zijn als de ontvangstmodule van een GSM-toestel”, zegt De Geus. Astron ontwikkelt ook eigen halfgeleiders, waarbij het materiaal gallium-arsenide veruit de voorkeur heeft. “We nemen de onhandige eigenschappen van GaAs, zoals hoge prijs en brosheid, voor lief. Het is het enige materiaal dat snel genoeg werkt naar onze zin en dat ook nog eens bij zeer lage temperaturen zijn werk blijft doen. De circuits lopen bij onze installatie op een temperatuur van een graad of 15 boven het absolute nulpunt. Die koeling wordt verkregen met hulp van een gesloten systeem”, zegt De Geus. Het SKA krijgt een topologie die nog het meest weg heeft van een zeester. Vanuit een centraal punt worden kromme lijnen uitgezet en op bepaalde afstanden komt een antennecomplex te staan. De Geus: “Hoe je dat gaat vormgeven is een beetje afhankelijk van hoeveel fondsen je ter beschikking hebt. Moet het op een koopje dan worden er drie armen gerealiseerd. Heb je meer geld dan komen vijf armen binnen bereik. Helemaal luxe wordt het, wanneer je zeven armen kunt bouwen. De buitenste antennes staan op een cirkel met een straal van ongeveer 50 kilometer. Het hele complex kan, door de draaiing van de aarde, worden beschouwd als een langzaam roterende schotelantenne. Dit is uiteraard een zeer vergaande simplificatie. In een paar uur kun je zo een compleet plaatje maken, dat je na een aantal bewerkingsslagen met een computer mooi kunt visualiseren.” Alle antennes bij elkaar leveren een gigantische hoeveelheid gegevens, die via een breedbandig netwerk naar een centrale plaats worden gestuurd om daar verwerkt te worden. Voor die verwerking bouwt Astron een eigen computercluster, met onderdelen die zijn geoptimaliseerd voor bepaalde taken. “De nadruk ligt aan het begin van het proces op signaalverwerking. De binnenkomende gegevens moeten een paar simpele bewerkingen ondergaan die je een gewone microprocessor maar heel moeilijk kunt laten doen. Een digitale signaalprocessor (DSP) is voor zo’n taak veel beter geschikt. Ik zeg wel ‘simpele bewerkingen’, maar daarbij moet je wel bedenken dat het er heel veel zijn en dat ze ook nog eens in korte tijd uitgevoerd dienen te worden”, zegt Kjeld van der Schaaf, computerdeskundige van Astron. In ontwikkeling is een systeem dat uit zoveel nodes bestaat, dat iedere aangesloten antenne een eigen verwerkingseenheid tot zijn beschikking heeft. Er wordt geëxperimenteerd met een cluster bestaande uit onder Linux werkende pc’s. Een opstelling, die erg veel lijkt op een zogeheten Beowulf-cluster, waarmee men in academische kringen op goedkope wijze een systeem met de kracht van een supercomputer kan bouwen. Van der Schaaf: “Nee, ik zou het geen Beowulf-cluster willen noemen. Bij die manier van werken is het de sport om een grote verwerkingskracht te krijgen met vrijwel verwaarloosbare kosten. Ga maar na, ze pakken pc’s die er toevallig toch al staan, zetten daar Open Source software op die niets kost. Vervolgens knopen ze aan de achterkant wat ‘touwtjes’ en klaar. Wij werken anders. Iedere pc in de cluster krijgt een eigen, zeer snelle communicatiekaart. Al die kaarten worden op een speciale manier met elkaar verbonden. De vakman spreekt hier van een torus-interconnectie, wat je je visueel kunt voorstellen als kabels die met elkaar de vorm van een autobinnenband hebben.” Het nieuwe antennecomplex zal uiteindelijk bestaan uit honderd antennevelden, elk met honderd antennes. “Ga dus maar uit van 10.000 antennes, aangevuld met een aantal extra exemplaren waardoor je op 13.000 stuks in totaal uitkomt. Elke antenne produceert per seconde 2 GB meetgegevens. In het centrale verwerkingspunt komt dus iedere seconde een datavloed van 26 terabyte binnen. De enige manier om dat een beetje netjes te transporteren wordt geboden door glasvezelkabels. In samenwerking met Lucent, KPN Research en de TU Eindhoven zijn we bezig om een infrastructuur te ontwerpen die zo’n breedbandige datastroom kan verwerken”, zegt De Geus. Ervaring met glasvezelverbindingen doet Astron momenteel op, doordat gebruik wordt gemaakt van een breedbandig kanaal van Global Crossing. Deze infrastructuur, die is gehuurd door SurfNet, wordt gebruikt om een aantal radiotelescopen in Europa met elkaar te verbinden. Zo ontstaat een virtuele radiotelescoop met een zeer grote diameter. De glasvezelkabel heeft een bandbreedte van 400 gigabit per seconde per vezel. “Om de totale bandbreedte van zo’n kabel te vergroten, is het ook mogelijk om met verschillende kleuren laserlicht te werken. Je krijgt dan een veelvoud van de oorspronkelijke capaciteit. Wij stellen wel bijzondere eisen aan het datatransport. De gegevens moeten bijvoorbeeld absoluut in de vorm van een ‘stream’ binnenkomen. Pakketjes die uit volgorde binnenkomen, wat op internet bijvoorbeeld niet erg is, kunnen wij absoluut niet gebruiken”, aldus Schipper. Moet een gewone radiotelescoop mechanisch op een bepaald punt aan de hemel worden gericht, bij het nieuwe antenne-array neemt software die taak voor zijn rekening. “Die manier van werken maakt het ook mogelijk om gelijktijdig een aantal waarnemingen te doen. Wat helemaal mooi is, is de filtermogelijkheid die de software je biedt. Je kunt je antennes ongevoelig maken voor een bepaald plekje aan de hemelkoepel, waardoor je stoorsignalen zo goed mogelijk kunt uitfilteren”, aldus De Geus. De signalen die met een radiotelescoop worden ontvangen zijn zeer veel zwakker dan de signalen die uit ongewenste bron komen. Rondom de antennes wordt dan ook een stralingsvrije zone in stand gehouden, waarin het niet is toegestaan om van een zender (bijvoorbeeld een mobiele telefoon) gebruik te maken. Dit is ook een van de redenen dat de installaties zijn en worden gebouwd in het noorden van het land, waar de bevolkingsdichtheid nu eenmaal een stuk lager ligt dan in de Randstad. “In feite zouden we onze nieuwe antennecomplexen overal kunnen neerzetten, maar in een rustige omgeving werk je wel het lekkerst. Voor die omgeving krijgt ons werk ook nog een extra bij-effect. Als we toch gleuven laten graven voor het leggen van glasvezelkabels is het voor gemeenten en andere instellingen een koud kunstje om er zelf een kabel bij te laten leggen. Zij krijgen dan op goedkope wijze een breedbandige infrastructuur. Voor het noorden van Nederland kan dat een enorme economische impuls betekenen. Zou je het aanleggen van de infrastructuur overlaten aan de marktpartijen, dan kun je nog wel een jaar of 20, 25 wachten”, aldus De Geus.