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ASTROFÍSICA

Made in Brazil

Universidades y empresa del interior paulista desarrollan un brazo mecánico para los telescopios que se instalarán en el mayor observatorio de rayos gamma

Fotomontaje de cómo sería el observatorio CTA...

DESY/ Milde Science Comm./ Exozet Fotomontaje de cómo sería el observatorio CTA…DESY/ Milde Science Comm./ Exozet

El brazo metálico responsable del sostén y el posicionamiento de la cámara de dos toneladas de peso de los telescopios de mediano porte del Cherenkov Telescope Array (CTA), un emprendimiento internacional que pretende construir el mayor observatorio de rayos gamma en 2020, se fabricará de acuerdo con las especificaciones de un prototipo de esa estructura que se desarrolló en el estado de São Paulo. El soporte mecánico made in Brazil, una concepción que demandó el trabajo de los últimos cuatro años del equipo de Luiz Vitor de Souza Filho, del Instituto de Física de São Carlos en la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en colaboración con la Universidad Federal del ABC (UFABC) y una empresa de São José dos Campos, Orbital Engenharia, se impuso a otro proyecto rival francés, que también desarrolló una estructura similar, y resultó escogido para equipar a 40 telescopios que se montarán y operarán en el observatorio. “Nuestro prototipo cumplió con todas las exigencias solicitadas”, afirma Souza Filho, quien contó con dos partidas de financiación de la FAPESP para el diseño y construcción del brazo metálico.

La estructura, con formato tubular, está fabricada con acero al carbono, pesa 4,5 toneladas, con una altura de 16 metros (m) y está compuesta por la unión de 84 piezas distintas. En noviembre del año pasado, se la envió, desmontada, a Alemania para su ensamble con el resto de los componentes del prototipo de telescopio de 12 m de diámetro y que se la sometiera a pruebas. El soporte se mostró extremadamente estable, tal como se requiere de un componente cuya función principal consiste ne conectar la base donde se encuentra el espejo a la cámara del telescopio, manteniendo a ambas partes en la alineación correcta. “Funciona bien”, dice el físico de partículas Stefan Schlenstedt, del Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy), un centro de investigación en los alrededores de Berlín, responsable del desarrollo de los telescopios de mediano porte del CTA. “Esperamos que Brasil pueda financiar al menos 25 de esas estructuras”. Las demás, según Schlenstedt, aunque se construyan en el exterior o con el aporte monetario de otros colaboradores del CTA, deberán ser idénticas a ese diseño, con la misma calidad del prototipo fabricado en el interior paulista. El costo de fabricación del brazo mecánico creado por el IFSC y Orbital, una empresa que se dedica esencialmente a la construcción de paneles solares para satélites, es de alrededor de 500 mil reales por unidad. El proyecto de desarrollo del prototipo de la estructura de apoyo de la cámara del telescopio fue objeto de un pedido de patente presentado por sus creadores.

Prototipo del telescopio de 12 m (a la izq.): la estructura creada en Brasil, formada por  tubos plateados, conecta el  espejo a la cámara

Ronald Nones Borduni/Orbital Prototipo del telescopio de 12 m: la estructura creada en Brasil, formada por  tubos plateados, conecta el  espejo a la cámaraRonald Nones Borduni/Orbital

Con un presupuesto total estimado en 270 millones de euros, el CTA es un consorcio internacional integrado por 1.200 científicos e ingenieros de 170 instituciones de investigación y 31 países. Su objetivo consiste en la instalación de alrededor de 120 telescopios del tipo Cherenkov, ideal para efectuar observaciones en rayos gamma de los fenómenos más energéticos del Universo, tales como la colisión de partículas de materia oscura, la naturaleza de eventos capaces de acelerar a los rayos cósmicos (como el choque de estrellas y la influencia de agujeros negros supermasivos) y acontecimientos que violan la constancia de la velocidad de la luz. Los telescopios serán de tres tamaños: los mayores tendrán 24 m, los de tamaño mediano llegarán a 12 m, y los menores, medirán 4 m. Aproximadamente 70 serán de tamaño pequeño y 40, de tipo intermedio. Los grandes, probablemente no llegarán a la decena de unidades.

Cada tipo de telescopio observa eventos en diferentes bandas de energía, entre algunas pocas decenas de gigaelectronvoltios (GeV) y 100 teraelectronvoltios (TeV), y ofrece un campo de observación distinto. “Las energías mayores las captan los pequeños telescopios y los grandes captan las menores”, explica Souza Filho. Cuando se encuentren 100% operativos, los instrumentos de observación del CTA incrementarán 10 veces la capacidad de los físicos y astrofísicos para registrar eventos de alta energía en las frecuencias de rayos gamma, según argumentan los patrocinadores del consorcio.

Sitios en Atacama y La Palma
Los telescopios del CTA estarán distribuidos en dos emplazamientos astronómicos, uno en el hemisferio Sur y otro en el hemisferio Norte. En julio de este año, el consorcio internacional determinó los sitios probables donde se los montará. Un conjunto o array de 100 telescopios (de los cuales 25 son de porte medio) se instalarán en Paranal, en el desierto de Atacama, en Chile, donde funciona una de las unidades del Observatorio Europeo del Sur (ESO). Un segundo set, menor, integrado por 20 telescopios (15 de ellos de tamaño intermedio), se montará en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma, un concurrido centro de observaciones astronómicas en las Islas Canarias, España, ubicado a 2.400 metros por encima del nivel del mar.

Ilustración de un agujero negro supermasivo: el CTA estudiará la actividad de esos succionadores de materia, que pueden acelerar a los rayos cósmicos

ESO/L. Calçada Ilustración de un agujero negro supermasivo: el CTA estudiará la actividad de esos succionadores de materia, que pueden acelerar a los rayos cósmicosESO/L. Calçada

Quien contempla la gran estructura tubular no se asombra debido a su apariencia sencilla. Un lego diría que parece estar constituida por la unión de dos trípodes gigantes dotados de algunas singularidades. En su parte inferior, dispone de seis pies, cuatro gruesos y dos delgados, que encastran en la placa donde se encuentra el espejo del telescopio. En la parte superior hay 10 puntos de apoyo, cuatro principales y seis auxiliares, que se conectan con la cámara o con el soporte de la cámara. “No se trata de una estructura convencional, cuyo proyecto y fabricación sean sencillos”, explica el ingeniero mecánico Celio Costa Vaz, presidente de Orbital, quien participó directamente en el desarrollo del prototipo. “Tenía que cumplir una serie de prerrequisitos específicos”.

La más draconiana de las exigencias estaba referida a la estabilidad y a la precisión del brazo mecánico luego de instalarlo en el telescopio. La estructura debía sostener las 2 toneladas de peso de la cámara sin deformarse más que 19 milímetros (mm), ser resistente a la nieve y soportar vientos de hasta 200 kilómetros por hora. Una vez en funcionamiento, su vibración no debería sobrepasar de 3 mm. “En 50 segundos, el telescopio gira hacia cualquier posición y la estructura de soporte de la cámara tiene que mantenerse estable”, comenta Ronald Cintra Shellard, investigador del área de la física experimental de altas energías del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), de Río de Janeiro, que representa a Brasil en el consejo financiero del CTA.

Una estructura cerrada, sólida, sería más fácil de proyectar, pero limitaría el campo de visión del espejo del telescopio. Esto motivó que los científicos de la USP y los ingenieros de Orbital optasen por la fabricación de un brazo mecánico tubular, hueco. “De esta manera, la sombra que genera la estructura afecta a menos del 10% del área del espejo”, dice el físico Marcelo Leigui de la UFABC, otro de los investigadores participantes en el proyecto.

074-077_Braço de telescópio_235Plug and play
Otras exigencias menores también encauzarán el trabajo de concepción y fabricación del brazo mecánico. Los telescopios del CTA se instalarán en dos sitios con acceso relativamente difícil. En ese contexto, la estructura de sostén de la cámara debía ser fácil de transportar y montar, prescindiendo de un mantenimiento constante y ofreciendo una vida útil de al menos dos décadas. “Por eso es que desarrollamos una estructura de tipo plug and play”, dice, en tono de broma, Vaz, de Orbital. Las secciones del soporte tubular se montan por medio de 584 tornillos. Las piezas de acero al carbono se galvanizaron en caliente por inmersión, una técnica que incluso garantiza la protección de las caras internas de los tubos. Si se mantiene el cronograma inicial, el prototipo del brazo mecánico para telescopios de 12 m que fuera desarrollado por el núcleo São Carlos-São José dos Campos, probablemente se enviará durante el segundo semestre de 2016 hacia su emplazamiento austral del CTA, en el desierto de Atacama.

Según el físico Souza Filho, del IFSC, no resultó sencillo hallar en Brasil un socio privado dispuesto a participar en el proceso de creación del brazo mecánico. “Además de Orbital, otras empresas poseen capacidad técnica para la concepción de un proyecto de tales características”, afirma el investigador de la USP de São Carlos. “Sin embargo, la mayoría no están en condiciones de abrir espacio en su línea de producción, volcada a la fabricación de productos comerciales, para invertir en el desarrollo de una estructura destinada a un fin muy específico”. En sus contactos con firmas de ingeniería, Souza Filho relata que conoció una empresa que, como en el caso de Orbital, disponía de todas las condiciones para la concepción y construcción del proyecto del brazo mecánico para el telescopio del CTA. Sólo había un problema: su línea de producción está prácticamente monopolizada por la fabricación de antenas parabólicas, un mercado con gran demanda en el país.

Más allá de haber diseñado y fabricado el prototipo del brazo mecánico que equipará a los telescopios de 12 m del CTA, Brasil también colabora en los proyectos de los telescopios de pequeño y gran porte del futuro observatorio de rayos gamma. Investigadores del CBPF y de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) trabajan en el desarrollo y la construcción de las placas de interfaz de los dispositivos mecánicos que realizan el alineamiento de los espejos de los telescopios de 24 m. La astrofísica Elisabete de Gouveia Dal Pino, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP, coordina la intervención nacional en el Astri Mini-Array, un emprendimiento que contempla la instalación de nueve telescopios de 4 m en el emplazamiento del CTA en Paranal, Chile, entre 2016 y 2017. Con un costo de alrededor de 3 millones de euros, la FAPESP financia la construcción en Italia de tres telescopios pequeños que estarán destinados a ese primer conjunto del CTA, basados en un prototipo concebido por el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia, y con la participación de ingenieros brasileños en la iniciativa.

Proyectos
1. Diseño y construcción del prototipo del Cherenkov Telescope Array Observatory (n° 2010/19514-6); ModalidadApoyo a la Investigación – Regular; Investigador responsable Luiz Vitor de Souza Filho (IFSC-USP); Inversión R$ 128.568,00
2. Desarrollo y construcción de un prototipo de la estructura de los telescopios del CTA (n° 2012/22540-4); Modalidad Apoyo a la Investigación – Regular; Investigador responsable Luiz Vitor de Souza Filho (IFSC-USP); Inversión R$ 406.449,00

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