Protegiendo los Espejos Más Grandes del Mundo
Una mirada al sistema de soporte del espejo primario del Telescopio Magallanes Gigante
Cuando la luz de un objeto distante en el universo es captada por un telescopio, primero pasa por una superficie especial llamada espejo primario. Los espejos primarios suelen ser lo más grande posible para permitir al ojo humano escrutar los lugares más alejados del espacio. También deben ser lo más lisos posible, es decir, su superficie no puede tener imperfecciones de más de una milésima parte del espesor de un cabello humano. Fabricar un espejo primario con esas características es una hazaña de la ingeniería moderna que requiere muchos años de trabajo.
El Telescopio Magallanes Gigante tiene siete de los espejos primarios más grandes y pesados que se hayan diseñado, distribuidos en una superficie de 368 metros cuadrados en forma de flor. Cada uno tiene 8,4 metros de diámetro y pesa 17 toneladas. Si bien estos espejos primarios son sumamente importantes para las operaciones científicas del telescopio, el complejo proceso para transformar la luz recabada en datos científicos empieza en el sistema de soporte que los protege. Debajo del espejo primario monolítico, cuyo diámetro total es de 25,4 metros, se encuentran siete sistemas de soporte, también conocidos como celdas, que trabajan juntos para enfocar la luz, alinear los componentes ópticos y corregir las deformaciones que pueden sufrir las imágenes debido a la gravedad y a los cambios extremos de temperatura. Cada celda alberga la tecnología óptica más avanzada del mundo, como un sistema de control térmico y un sistema óptico activo.
Para cumplir los requisitos de control activo de un telescopio de gran apertura como el Telescopio Magallanes Gigante se necesitan grandes innovaciones tecnológicas. “Estos avances implican muchos riesgos técnicos que a su vez requieren cuidadosos procesos de elaboración de prototipos y realización de pruebas con los diseños de ingeniería”, afirma Trupti Ranka, ingeniera senior de sistemas de control del Telescopio Magallanes Gigante.
Cada sistema de soporte tiene que ser lo suficientemente compacto y liviano para que el telescopio sea rígido y estable y resista las variaciones en la calidad de las imágenes. Previo a los sistemas de soporte de los siete espejos, se construyó un prototipo a escala real para validar el diseño y someter a prueba su rendimiento. El prototipo incluye el hardware y el software que controlan la forma, la posición y el estado térmico del espejo primario de 17 toneladas del Telescopio Magallanes Gigante. Las sofisticadas tecnologías de control de cada sistema de soporte permiten dar forma y posicionar el espejo en tiempo real con una precisión de 200 nanómetros. De esta forma, los siete espejos primarios funcionan al unísono como si fueran un espejo monolítico de 25,4 metros.
Sistema óptico activo
Los mecanismos de soporte y control del espejo primario incluyen una serie de sistemas de interfaz que brindan soporte activo y estático. Los soportes activos constan de 170 accionadores neumáticos que sostienen y dan forma al espejo primario ejerciendo fuerza, mientras que otros seis accionadores lineales posicionan el espejo en un rango de 6 grados de libertad.
Los soportes activos sirven para controlar la forma y la posición del espejo primario, mientras que los soportes estáticos mantienen el espejo en su posición de reposo sobre amortiguadores de alambre. Al encontrarse en el desierto de Atacama, en Chile, una de las regiones con mayor actividad sísmica del mundo, el telescopio estará expuesto a frecuentes movimientos telúricos. Cuando haya un sismo, los más de 300 soportes estáticos del telescopio protegerán el espejo primario ejerciendo fuerza sobre su superficie posterior para levantarlo. De esa forma, también evitarán que el espejo sufra una tensión excesiva por la deformación térmica y elástica de la soldadura de acero. Trupti Ranka señala que para reducir el movimiento del vidrio durante los sismos, los accionadores también tendrán “amortiguadores que cumplen la misma función que los amortiguadores de un automóvil”.
Sistema de control térmico
Simulación de la magnitud de la distribución de gradiente espacial del coeficiente de refracción en la sección media de la cubierta del telescopio. El modelo informático de dinámica de fluidos del Telescopio Magallanes Gigante permite simular y analizar el entorno aero-óptico del observatorio. Créditos: Telescopio Magallanes Gigante – Corporación GMTO
“A medida que el aire se enfría por la noche, el desfase de temperatura entre el aire y el espejo primario genera turbulencia local. Con el fin de paliar ese efecto, llamado borrosidad, es importante igualar la temperatura del espejo con la del aire ambiente que lo rodea”, explica Ranka. Para ello, se recurre a un sistema de convección de tiro forzado en ciclo cerrado que mantiene el equilibrio térmico al interior de la cubierta y reduce los gradientes térmicos en toda la superficie del espejo primario. A esto se suman 14 unidades refrigerantes a base de CO2 –el primer sistema de este tipo usado en un telescopio– incorporadas al sistema de soporte que hacen circular el aire.
Pruebas de prototipo
En el Parque Tecnológico de la Universidad de Arizona, se sometió el prototipo a pruebas de funcionamiento, desempeño y seguridad usando un espejo sustituto de acero que simula la masa, el centro de gravedad y la rigidez del espejo primario. El año pasado, se demostraron las funciones sincronizadas de todos los componentes mediante una secuencia de elevación del espejo sustituto. “En esta secuencia, la carga del espejo sustituto se traspasa cuidadosamente de los soportes estáticos a los accionadores, que luego permiten moverlo de forma controlada”, agregó Ranka.
Secuencia de elevación del espejo sustituto en la que se lo despega de los soportes estáticos para efectuar una traslación sobre el eje Y a +/- 6 mm a una velocidad máxima de 50 μm/s y devolverlo a su posición nominal sobre los soportes estáticos. Créditos: Telescopio Magallanes Gigante – Corporación GMTO
De los siete espejos primarios, tres están listos y otros tres se encuentran en distintas etapas de fabricación en el Laboratorio de Espejos Richard F. Caris de la Universidad de Arizona. Está programado que el reciente espejo primario en quedar listo será incorporado al prototipo este año para la realización de pruebas más definitivas, y servirá de ensayo para los siguientes siete espejos primarios. Sobre estas pruebas, Trupti Ranka afirma: “Esta es nuestra única oportunidad para asegurarnos de que el sistema integrado de soporte del espejo pueda controlar la superficie óptica del espejo primario de forma adecuada”.
Para obtener más información sobre sobre la estructura de soporte del Telescopio Magallanes Gigante, explora la montura del telescopio y visita la galería de imágenes del proceso de fabricación.
