Prijsuitreiking de heer W. van Cappellen

Considerans, uitgesproken door prof.dr. A. Yarovoy,
bij ASTRON te Dwingeloo op 25 juni 2019

Voorzitter, dames en heren,

In zijn vergadering van 25 januari 2019 heeft het bestuur van de Stichting Wetenschappelijk Radiofonds Veder besloten de Vederprijs 2018 toe te kennen aan ir. Wim van Cappellen, "voor zijn ontwerp en realisatie van een grensverlegende breedband phased array-ontvanger in het focale vlak de Westerbork Radiotelescopen".

In de huidige tijd is er sprake van een grote vooruitgang in de astronomie, en wellicht het beste voorbeeld hiervan is de recente publicatie van de "foto" van een zwart gat. Dit is zeker een hoogtepunt te noemen in het onderzoek naar het heelal. Maar de kennis die we hebben op het gebied van de astronomie komt niet vanzelf. Met elke poging om nieuw onderzoek te verrichten naar het heelal komen nieuwe uitdagingen voor de meetaparatuur. De technologie van de telescoopsystemen moet in hetzelfde tempo als het enthousiasme van de astronomen voortbewegen, een uitdaging die bijna de grenzen van de realiteit voorbijgaat.

De hedendaagse astronomische onderzoeken eisen veel meer van de technologie dan een aantal jaren geleden. Zo is er voor onderzoek naar het gedrag van waterstof bij de vorming van sterren meetapparatuur nodig die een groot gebied kan observeren, oftewel onder een grote hoek kan observeren. Daarnaast worden steeds verder afgelegen gebieden doelwit van onderzoek in de astronomie. Omdat de op aarde waargenomen stralingsintensiteit van verder af gelegen gebieden kleiner is dan van nabijgelegen gebieden, moet de apparatuur uit steeds zwakkere waarnemingen een beeld kunnen vormen. En daarnaast wil men een beeld met steeds hogere nauwkeurigheid. De bijdrage van de huidige telescopen neemt af, naarmate het "makkelijker" onderzoek voltooid wordt.

Nederland is beroemd om haar onderzoek in het veld van radioastronomie. ASTRON heeft wereldwijd een leidende positie in de ontwikkeling en het bedrijf radiotelescopen. Twee goede voorbeelden van de technische vooraanstaandheid van radiotelescopen ontwikkeld door ASTRON zijn de Westerbork Synthese Radio Telescoop en LOFAR, de Low Frequency Array. De WSRT heeft de wetenschap meerdere decenia lang gediend en is in staat om daarmee door te gaan. Maar om aan de hedendaagse standaard te voldoen had het een technologische verbetering nodig. Daarbij waren de voornaamste gewenste eigenschappen de mogelijkheid om een groter deel van de hemel gelijktijdig te kunnen observeren, de mogelijkheid om verscheidene objecten in het heelal gelijktijdig en onafhankelijk te onderzoeken, en het verbreden van de bandbreedte. Om deze verbeteringen te realiseren is in 2006 een nieuw ambitieus project opgestart door ASTRON, genaamd APERTIF (aperture tile in focus). Dit project werd door Wim van Cappellen geleid.

Wim is afgestudeerd aan de Technische Universiteit Delft in het gebied van elektromagnetische golven en antennes, en heeft daarbij het judicium Cum Laude behaald. Het onderwerp van zijn masterthesis was de verstrooing van UWB-pulsen op een metalen plaat. Zo werd hij bekwaam op het gebied van UWB-elektromagnetisme en signaalverwerking — de fundamentele basis voor zijn verdere werk met radiotelescopen. Na een korte periode bij Thales Nederland (toen Hollandse SignaalApparaten) is hij overgestapt naar ASTRON om aan UWB antenne arrays te werken. Zijn eerste grote project was de lage frequentie (30-90MHz) LOFAR actieve antenne array. Dit array bestaat uit V-vormige dipoolantennes en maakt breedbandig onderzoek van de hemel mogelijk, met een grote openingshoek. De volgende logische stap was om dezelfde technologie toe te passen om de capaciteiten van de Westerbork Radiotelescopen te vergroten. Het baanbrekende idee hierbij was om een breedbandig groothoek array te plaatsen in het focale vlak van de reflector. Dit idee vormde de basis van het project APERTIF.

Deze combinatie van breedband antenne array en groothoek scan is zeer uitdagend. Het fundamentele probleem daarbij is dat omwille van het vermijden van zogeheten "grating lobes" in de stralingpatronen van de antenne, de antenne-elementen in het array een onderlinge afstand kleiner of gelijk aan de helft van de golflengte moeten hebben, welke in het geval van de Westerbork Radiotelescoop varieert van anderhalf meter tot anderhalf centimeter. Antenne-elementen met een grootte van anderhalf centimeter zijn niet in staat de elektromagnetische golven op de medium en lage frequenties gebruikt door de Westerbork Radiotelescoop te meten, terwijl antenne-elementen die wel in staat zijn deze frequenties te meten, niet op een onderlinge afstand van anderhalve centimeter kunnen worden geplaatst. Om dit probleem op te lossen heeft Wim gekozen om gebruik te maken van de verbonden dipool array technologie. Deze technologie is decennialang onderzocht door de luchtmacht, maar daarbij waren ze niet in staat om arrays te maken met hoge efficiëntie, waardoor de arrays een hoge ruistemperatuur hadden, wat ze onbruikbaar maakte voor de astronomie. Om uiteindelijk te slagen in zijn missie moest Wim meerdere engineeringproblemen oplossen. Eén daarvan is dat een array in het focale vlak veel grotere afmetingen heeft dan de eerder gebruikte feeding horn antenna. Als resultaat daarvan ontstond er een staande elektromagnetische golf tussen de reflector en het focale vlak, waardoor precieze calibratie noodzakelijk was. Andere uitdagingen die opgelost moesten worden om APERTIF tot een succes te maken waren onder andere: het verminderen van de (ruis)temperatuur, digitale antenna bundelforming, koeling, verwerking van grote datastromen, en nog meer.

Nadat deze uitdagingen door Wim waren overwonnen, is er sprake van een enorme verbetering van de radiotelescoop. De zogeheten "field of view" is vooruitgegaan van 0.3 graad2 naar 8 graad2, wat een gigantische verbetering is. Daarnaast is de bandbreedte van 160 MHz naar 300 MHz vergroot. Een andere verbetering is de efficiëntie die van 55% naar 75% is gestegen. Met al deze veranderingen is de nieuwe radiotelescoop een grote verbetering ten opzichte van zijn voorganger.

Het APERTIF-waarneemsysteem is op donderdag 13 september 2018 officieel in gebruik genomen. Dat betekent een nieuwe start voor het systeem in Westerbork, maar tegelijkertijd een succesvolle afronding van de ontwikkeling van APERTIF.

Dat alles maakt Wim tot een goede onderzoeker en ontwerper, die in staat is gebleken om baanbrekend werk te verrichten op het gebied van de radiosystemen, dus "in het hart van Veder". De Vedercommissie was dan ook unaniem van mening dat dit werk zonder twijfel de Vederprijs verdient.

Mag ik dan nu de voorzitter van het Vederfonds, mevr. Françoise Kosters, vragen om de prijs te komen overhandigen.


Wim van Cappellen en Françoise Kosters