Materiales

ESO quiere realizar en la próxima década un nuevo proyecto astronómico con un espejo de 42 m, denominado Extremely Large Telescope. Foto: ESO
Gerhard Samulat

Engañando a la naturaleza

La vitrocerámica Zerodur® lleva cuatro décadas proporcionando la máxima precisión.

Hace cuarenta años nació un nuevo material: una vitrocerámica bautizada con la marca comercial Zerodur®. Este nombre es al mismo tiempo también su lema: utilizando una tecnología de procesos ingeniosa, un equipo de desarrolladores de SCHOTT, encabezado por el Dr. Jürgen Petzoldt, un experto en materiales y físico, logró producir un material con un coeficiente de dilatación cercano a 0. Al hacerlo, estos expertos de la empresa de Maguncia en cierto modo engañaron a la naturaleza, porque normalmente todas las sustancias se dilatan con el calor y se contraen con el frío. En el caso de la vitrocerámica Zerodur® ocurre algo distinto: las fluctuaciones de temperatura apenas la afectan y conserva siempre su estabilidad de forma.

El secreto radica en la mezcla equilibrada de cristalitas de 30 a 50 nm de tamaño, incrustadas en una matriz vítrea de óxidos de litio, aluminio y silicio. Mucho antes de que la palabra de moda ”nanotecnología” estuviera en boca de todos, SCHOTT ya trabajaba con esta técnica.
La vitrocerámica Zerodur® se puede mecanizar con una elevada precisión (Derecha). Encuentra una gran variedad de aplicaciones: en proyectos como el Very Large Telescope, del ESO, para el que SCHOTT fabricó bases de espejo de 8,2 m de diámetro (Izquierda). Foto (Izquierda): W. Feldmann, Foto (Derecha): SCHOTT
Gracias a sus excelentes propiedades como material (es isótropo, homogéneo y, además, se presta óptimamente para el pulido) encuentra una gran demanda para numerosas aplicaciones. Muestra sus bondades especialmente allí donde es importante una precisión máxima, por ejemplo, en la óptica, en la que sólo media una longitud de onda entre la luz y la sombra. Allí todo depende a menudo de unas milésimas de milímetro.

El impulso para el desarrollo de este material único lo dio (¿a quién le puede asombrar?) la ciencia, concretamente, la astronomía. En los años 1960 existía el riesgo de que Alemania perdiera comba internacional en este campo. Por esta razón, el Observatorio de la Universidad de Heidelberg se dirigió a SCHOTT y le pidió desarrollar una base de espejo para un gran telescopio. Tras unos tests iniciales, el grupo de trabajo en torno a Petzoldt dio la luz verde y SCHOTT recibió en noviembre de 1968 el encargo por parte del Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg, que había sido fundado a raíz de estas discusiones.
Vitrocerámica Zerodur® como disco circular para aparatos litográficos, donde es fundamental la máxima exactitud de forma. Foto: SCHOTT/T. Bauer
Pero hasta obtener el instrumento acabado, todavía se tuvo que recorrer un largo camino: casi 150 especialistas trabajaron durante más de 9 meses hasta que el componente central del primer gran telescopio alemán estuvo listo: una base de espejo con visos de romper récords, gracias a su diámetro de más de 3,6 m y sus casi 60 cm de espesor. “Todos estábamos muy orgullosos de los resultados de nuestro equipo, nada corrientes en los años 60”, subraya Petzoldt, que posteriormente formaría parte del Consejo de Dirección de SCHOTT y fue responsable en el mismo, entre otros, de la I+D.

Pero los esfuerzos han tenido su recompensa: este instrumento sigue proporcionando resultados de máximo nivel en la actualidad. Con su ayuda los astrónomos de la Sociedad Max Planck descubrieron, por ejemplo, el mayor agujero negro conocido. Este monstruo galáctico, que todo lo engulle y a cuya influencia no puede sustraerse ni siquiera la luz, se encuentra a 3,5 millardos de años luz de la Tierra, en la constelación de Cáncer y, según los cálculos de los astrónomos, es unos 18 millardos de veces más pesado que nuestro sol.
Un aparato de medición electrónico explora la geometría de la superficie de la vitrocerámica Zerodur® Foto: SCHOTT/S. Oelsner
No es de extrañar que tras esta historia de éxito llamaran muchos otros observatorios a la puerta de SCHOTT. Hoy en día, los componentes principales de casi todos los telescopios reflectores más importantes del mundo están realizados en vitrocerámica Zerodur®. Este es también el caso del mayor telescopio reflector del mundo, el Gran Telescopio Grantecan, en la isla canaria de La Palma, y de los 2 telescopios KECK de 10 m en Hawai. Además, también lo es del telescopio solar Big Bear, en el estado de California, y del observatorio volante SOFIA, alojado en un reactor Jumbo de la Agencia Aeroespacial Alemana y de la NASA.

En la aeronáutica y la astronáutica se rentabiliza el hecho de que el material se deje mecanizar bien con técnicas de afino. Mediante la eliminación del material en el reverso de las bases de espejo, los ingenieros de SCHOTT consiguen fabricar sustratos de espejo ultraligeros, que aun así son extraordinariamente sólidos. En caso necesario incluso se puede atacar Zerodur® químicamente, para obtener estructuras de milímetros de espesor, lo que hace posible delicadas ópticas para satélites.

Preparada para múltiples aplicaciones

Por esta razón, seguirá sin haber apenas alternativas para los grandes telescopios futuros. Los EE.UU. planean junto con Canadá un telescopio de 30 m de diámetro y el Observatorio Europeo Austral ESO incluso uno de 42 m. Para ambos hay previstos algunos cientos de segmentos de espejo, cuya producción en masa podría asumir SCHOTT.

Aun así, la vitrocerámica Zerodur no es sólo adecuada para escrutar con ojo certero el espacio exterior. También tiene campos de aplicación con los pies puestos sobre la tierra. El nexo de unión es siempre la óptica. Un ejemplo: en Alemania, la Oficina Federal de Cartografía y Geodesia, junto con el Centro de Investigaciones de Geodesia por Satélite, miden con alta precisión el movimiento de rotación de la Tierra con un láser anular montado sobre una estructura de soporte maciza en vitrocerámica. Estas mediciones son sumamente importantes para la navegación de barcos, aviones, coches y satélites.
El núcleo del giroscopio láser más preciso del mundo, en la Estación Fundamental Wettzell (Alemania), es un disco vitrocerámico de 4,25 m de diámetro. Cuatro barras adicionales de Zerodur® amplían a 4 x 4 m² la superficie delimitada por unos rayos láser de trayectorias enfrentadas. Foto: Fundamentalstation Wettzell
También en la fabricación de chips semiconductores la precisión es una prioridad máxima. Los tamaños de estructura sobre los discos de silicio están encogiendo hasta alcanzar el orden de unos pocos manómetros (millonésimas de milímetro). Para exponer las llamadas obleas se necesita luz de una longitud de onda igualmente pequeña, para la que no hay materiales capaces de transmitirla, con lo cual quedan descartadas las lentes. Por esta razón, la industria de semiconductores está trabajando cada vez más con sistemas de espejos, como ya lo vienen haciendo desde hace años los astrónomos. El material de SCHOTT es aquí también el elegido, debido a su estabilidad dimensional. La razón es que el más mínimo error en una máscara se multiplica millones de veces en la producción en masa de componentes para computadoras.

Las pantallas planas de LCD (Liquid Crystal Display) para TVs, ordenadores portátiles y teléfonos móviles se fabrican hoy en día de forma similar a los chips para computadora, porque también están compuestos por miles o, incluso, millones de circuitos para la generación de los colores. Por esta razón, muchos fabricantes destacados optan también por producir sus pantallas de cristal líquido con ópticas reflectantes Zerodur®.

No hay límites impuestos a la imaginación. El Dr. Thorsten Döring, Director de Proyectos de SCHOTT, ya tiene otros sectores en el punto de mira: ”La creciente presión para fabricar con una precisión cada vez mayor hace que aumente la demanda de componentes Zerodur® en la mecánica de precisión y la tecnología de medición”, asegura. Los siguientes capítulos de la historia de la vitrocerámica parecen programados de antemano para el éxito.