SCHOTT solutions n° 1/2014 > Astronomía

DKIST
Con el DKIST será posible recopilar datos polarimétricos precisos, siguiendo la cadencia temporal necesaria, para captar la evolución de la estructura fina de las manchas solares (ver imagen) y finalmente entender su origen físico. Quelle: NSO/AURA/NSF/T. Rimmele

El sol en el punto de mira


SCHOTT ha fabricado una base de espejo hecha de vitrocerámica ZERODUR®, un material de alta tecnología, para el telescopio solar más grande del mundo, el DKIST (Daniel K. Inouye Solar Telescope). La ”mirada ardiente” sobre nuestra estrella central plantea retos especiales.


Bernhard Gerl

Toda la vida sobre la Tierra debe su existencia al sol. Pero, aparte de suministrarnos luz y calor, el sol lanza también contra la Tierra intensas lluvias de partículas, que amenazan a nuestros sensibles circuitos electrónicos y satélites e, incluso, a nuestras redes eléctricas. Por esta razón, los científicos quieren comprender mejor los complejos procesos que se operan sobre su superficie. Con este fin va a entrar en servicio en 2019 sobre el Haleakalã, una montaña de 3.000 m de altura en la isla hawaiana de Maui, el Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST, conocido antiguamente como ATST), que ha tenido un coste de 300 millones de dólares US. Responsable de las investigaciones es el National Solar Observatory, operado por la organización paraguas estadounidense AURA (Association of Universities for Research in Astronomy, Inc.).
Solar telescope
Está previsto que el telescopio solar más grande del mundo entre en servicio en 2019 sobre el Haleakalã, una montaña de 3.000 m de altura en la isla hawaiana de Maui. Foto: Brett Simison/NSO/AURA/NSF

Un telescopio solar superlativo


Su espejo monolítico de 4,26 m, fabricado en vitrocerámica ZERODUR®, convertirá a este telescopio en el mayor de su tipo. El enorme diámetro del espejo permitirá observar estructuras de 25 km de tamaño en el sol, que se encuentra a casi 150 millones de km. Esto equivale a distinguir un guisante a una distancia de 30 km. Su resolución es superior en un factor de 2,6 a la alcanzada por el hasta ahora mayor telescopio solar, el del Big Bear Solar Observatory, cerca de Los Ángeles. Los investigadores están sobre todo interesados en los procesos que se operan en el sol. Adicionalmente desean desarrollar capacidades para predecir el viento solar. Esperan que les proporcionen conocimientos que puedan también aprovecharse para las reacciones de fusión en la Tierra. La gran apertura del espejo permite asimismo una mejor resolución temporal y la observación de regiones espectrales estrechas, especialmente dentro del rango infrarrojo del espectro solar, que ha sido apenas investigado hasta la fecha.
DKIST
El DKIST – aquí en una vista en sección – dispone de una gran apertura de espejo, que permite una mejor resolución temporal y la observación de las regiones espectrales estrechas, en especial dentro del espectro infrarrojo. Fuente: LeEllen Phelps/NSO/AURA/NSF
A diferencia de los telescopios nocturnos, que captan avariciosamente cada fotón, los telescopios solares persiguen lo contrario. Cuando observas el sol, todo se calienta mucho. Para asegurarse de que las características de reproducción de imagen del espejo central no se verán alteradas, se fabrica el mismo en vitrocerámica ZERODUR® de SCHOTT, que presenta una dilatación térmica extraordinariamente baja. ”Prosigue la marcha triunfal de este material, porque si sumamos el Swedish Solar Telescope (diámetro de espejo 1 m) en la isla de La Palma, el New Solar Telescope junto al lago Big Bear, en California (1,6 m), el ”Sunrise”, que es transportado por un globo (1,1 m) y el telescopio alemán GREGOR, en la isla de Tenerife (1,5 m), los observatorios solares más grandes y modernos del mundo están equipados con bases de espejo de vitrocerámica ZERODUR®”, explica el Dr. Thomas Westerhoff, Senior Manager Strategic Marketing para el grupo de productos ZERODUR®.

Los científicos deseaban alcanzar coeficientes de dilatación en el ámbito de ± 30∙10– 9 por Kelvin, pero SCHOTT ha alcanzado incluso +6∙10– 9 por Kelvin, con una desviación de sólo 3∙10– 9 para todo el material. Si se aumentara su temperatura 10 Kelvin, un tramo de vitrocerámica ZERODUR® de 100 m de longitud se dilataría tan solo 0,6 mm.
SCHOTT solutions Ausgabe 1-2014
La fabricación de la base de espejo ha representado un reto especial para los ingenieros de SCHOTT, tanto por las extraordinarias exigencias planteadas a su colada (ver la fotografía de arriba) como por el procesado del mismo en forma de elemento asférico fuera de eje. Fotos: SCHOTT/C. Costard
Los espejos de los telescopios solares han de satisfacer exigencias mecánicas especialmente grandes, porque observan el sol cuando sale y deben estar perpendiculares con respecto al mismo. El espejo DKIST tiene un espesor de tan solo 7,5 cm, para facilitar su refrigeración desde atrás, pero aun así su peso propio es de casi 3 t, que debe soportar sin deformarse. Le ayudan 120 actuadores traseros, que contrarrestan la flecha que inevitablemente se produce.

Las propiedades de la vitrocerámica ZERODUR® son sólo un aspecto; las especificaciones fijadas por los científicos para el material del espejo han representado también un verdadero reto. ”Desde el proyecto de 8 m, que requirió la fabricación de cuatro espejos primarios de 8,2 m de diámetro, que eran las bases de espejo monolíticas más grandes jamás coladas, ningún otro encargo nos ha exigido y nos ha ayudado a avanzar más en términos de tecnología. Podremos aprovechar de forma intensiva las tecnologías que hemos desarrollado para satisfacer otras solicitudes de clientes”, explica Thomas Werner, Director del Proyecto en SCHOTT. La vitrocerámica ha de ser extraordinariamente homogénea, porque los bullones y las inclusiones provocarían la dispersión de la luz, reduciendo el contraste. SCHOTT ha conseguido fabricar una base de espejo en la que el número máximo de bullones por unidad de volumen es un orden de magnitud menor y el tamaño de bullón admitido en la capa crítica ha sido reducido en un factor de 2,5.
ZERODUR
Gracias a la base de espejo de 4,26 m, realizada en vitro-cerámica ZERODUR®, el DKIST será el mayor telescopio solar del mundo. El monolito, que pesa casi 3 toneladas, tiene un espesor de tan solo 7,5 cm (ver la fotografía de arriba). Foto: SCHOTT/C. Costard
El diseño especial del telescopio también ha tenido consecuencias para el espejo. Como no debía haber más espejos secundarios proyectando sombras en el camino óptico del telescopio, ha sido necesario tallar el espejo con la forma de un elemento asférico fuera de eje, lo cual significa que la superficie tiene un radio de curvatura distinto en el centro que a lo largo de los bordes exteriores y que, además, este ”centro” no se encuentra en el centro geométrico del espejo. Como consecuencia de esta talla la luz es reflejada hacia un lado. La consecución de esta forma poco corriente ha supuesto un esfuerzo fuera de lo común. Sin embargo, ha valido la pena, vista la satisfacción del cliente. Joseph McMullin, Responsable del Proyecto DKIST: ”Fabricar una base de espejo según las especificaciones requeridas ha sido, sin duda, un gran reto tecnológico. SCHOTT ha demostrado ser el partner perfecto para nuestro proyecto. Realmente ha hecho una gran labor”.

El espejo inició a finales de enero un viaje en un transporte pesado de unas seis semanas de duración, que le llevaría desde Maguncia a Bremerhaven, después en barco a través del Atlántico y por el canal de Panamá y, desde allí, a Los Ángeles. Para resistir el a menudo fuerte oleaje del Atlántico y el posterior viaje por carretera hasta Tucson, Arizona, fue depositado sobre un sistema amortiguador especial. Con arreglo al plan, una vez haya sido pulido y montado exitosamente, el espejo comenzará a reflejar la primera luz en 2019, para así poder observar con precisión nuestro sol.
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ZERODUR® Glass Ceramic