Un equipo del centro Goddard crea el Unobtainium

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Un equipo del centro Goddard crea el Unobtainium

Por : Carlos M. Luque 01-10-2010

Un grupo de científicos crea un material aparentemente imposible de obtener y lo bautiza como el mineral de la película "Avatar".

Traducido para Astroseti por Ernesto Avelino Sáez Buitrago

Space Daily

30 de Septiembre de 2010

Imagina que tienes que hacer el chasis de un coche sin la ayuda de un plano y ni siquiera una lista de materiales recomendados para su construcción. En cierto sentido, eso es precisamente lo que un equipo de científicos de la NASA, pertenecientes al Goddard Space Flight Center en Maryland, han tenido que hacer para diseñar la increíble estructura que forma parte de los 9 sistemas fabricados con tecnologías de innovación  del Integrated Science Instrument Module (ISIM). De la misma manera que el chasis de un coche sostiene el motor y otros componentes, el ISIM acogerá cuatro instrumentos de altísima sensibilidad, además de otros dispositivos electrónicos y sistemas instrumentales que volarán en el James Webb Space Telescope, el próximo observatorio espacial de referencia de la NASA.
 
Empezando de cero y sin ninguna experiencia que les sirviera de ayuda, los ingenieros diseñaron el ISIM con un material nunca manufacturado anteriormente y luego decidieron probar su capacidad para soportar las súper-frías temperaturas que encontrará el observatorio cuando alcance su órbita, a 1,5 millones de kilómetros de la tierra. Allí estará expuesta a temperaturas del orden de 27º Kelvin (-246º Centígrados), más frío aún que la superficie de Plutón. "Es la primera gran estructura espacial hecha de composite que permanecerá en un entorno tan hostil", afirmó Jim Pontius, responsable de la ingeniería mecánica del ISIM
 
El test de 26 días fue concebido específicamente para comprobar si la pieza, que tiene el tamaño aproximado de un coche, se distorsiona y contrae tal y como se pensaba, cuando pasa de una temperatura ambiente hasta tal grado de congelación. Esta cuestión es de una importancia crucial ya que los instrumentos científicos deben mantener una posición específica en la estructura para ser capaces de recibir la luz captada por el espejo principal del telescopio, que tiene 6,5 metros de diámetro. Si el armazón se encogiera o sufriera torsiones de forma impredecible a causa del frío los instrumentos no podrían mantenerse en la posición adecuada para poder obtener los datos: desde los primeros brillos posteriores al big bang hasta la formación de sistemas solares aptos para albergar vida.
 
Ray Ohl, el ingeniero óptico que lidera el equipo de integración óptica y test del ISIM  declaró que “las tolerancias son mucho más restrictivas que en el telescopio espacial Hubble y los requerimientos ópticos para el Webb son, si cabe, más difíciles de alcanzar”. A pesar de los repetidos ciclos de pruebas la estructura en forma de viga diseñada por los ingenieros de Goddard no se ha agrietado. Se contrae solamente 170 micrones, tal y como estaba previsto -el ancho de la punta de una aguja- cuando alcanza los 27º kelvin (-246º Centígrados). Esto es, muy por debajo de los 500 micrones del requerimiento de diseño.
 
"Será imposible volver a alinear los instrumentos en órbita si la estructura se mueve demasiado", dijo Eric Johnson, el jefe de proyecto de la estructura del ISIM. "Esta es la razón por la que necesitamos cerciorarnos acerca de si la hemos diseñado bien".
 
Obteniendo el Unobtainium
 
Alcanzar este hito fue una de los objetivos principales del equipo del centro Goddard. En cada uno de los niveles, "hemos ido un paso más allá tecnológicamente: empezando por el tipo de material que podríamos usar para construir el ISIM y terminando por cómo podríamos probarlo una vez ensamblado", y añadió Pontius: "los desafíos tecnológicos han hecho que el programa atrajera a la gente".
 
Uno de estos primeros desafíos que afrontó el equipo nada más que la NASA otorgase al centro Goddard el liderazgo en el diseño del ISIM, fue precisamente el de identificar un material apropiado para la estructura que asegurase el alineamiento criogénico preciso de los instrumentos y su estabilidad. A esto había que sumar que fuese capaz de sobrevivir a las tensiones gravitacionales extremas que iba a sufrir durante el lanzamiento. Una búsqueda exhaustiva en la literatura técnica en pos del posible material candidato no dio resultados positivos, dejando al equipo ante una sola alternativa: desarrollar su propio material "hecho a propósito", al que los miembros del equipo terminaron aludiendo jocosamente como Unobtainium que traducido al castellano podríamos llamar Noobtenio: "el no obtenido" (*)
 
A través de la modelización matemática, el equipo descubrió que combinando dos materiales distintos de composite, podrían crear un sistema formado por fibra de carbono y una resina con base de éster cianato, que podría ser ideal para fabricar los tubos cuadrados de 75 mm de diámetro de la estructura. ¿Cómo iban después a ensamblarse esos tubos unos con otros?. De nuevo a través de la modelización matemática se encontró que las piezas podrían unirse usando una combinación de juntas y grapas de aleación de níquel y unas placas de composite de formas especiales, unidas con un novedoso proceso adhesivo, de manera que distribuyeran suavemente las cargas del lanzamiento, sosteniendo los instrumentos en localizaciones precisas. Lo que ha sido todo un desafío de ingeniería ya que diferentes materiales reaccionan de manera distinta a los cambios de temperatura.
 
"Primero hicimos las piezas pequeñas y luego las grandes, haciendo los test sucesivamente para ver si las teorías de fallo eran correctas. Fuimos mirando dónde podría estar equivocado el diseño", explicó Pontius. Y añadió: “incorporando las lecciones aprendidas en la estructura definitiva de vuelo alcanzamos los requerimientos y validamos las pruebas de lo que al final fue nuestro bloque construido por aproximación”.
 
Haciendo el frío más frío
 
Paul Cleveland, un técnico especialista del centro Goddard involucrado en el proyecto comentó: “no estábamos seguros de poder llevar el simulador a una temperatura lo suficientemente baja. Para la mayoría de las naves espaciales la capacidad que tiene la cámara del simulador, que alcanza los 100º Kelvin (-173º Centígrados) es suficiente, pero el telescopio Webb va a soportar una temperatura constante de 39º Kelvin (-234º Centígrados) cuando alcance su órbita en el espacio profundo”.
 
El grupo fabricó una especie de envoltura en forma de lata de atún, enfriada con Helio en la que luego metieron el armazón, y la introdujeron en la cámara de vacío, que tiene más de 8 metros de diámetro. "Cuando trabajas a temperaturas tan bajas las leyes físicas cambian", afirmó Cleveland. “Cualquier cosa, incluido cables o pequeñas aberturas en la cámara, pueden crear una incorregible fuente de calor. Al final estas jugando una partida muy difícil de ganar, un solo vatio puede hacer que la temperatura suba 20 grados. No tuvimos más remedio que ponernos a tapar meticulosamente todas las fisuras y pequeños agujeros". Con todo bien sellado y el ISIM seguro dentro de su envoltura de helio, los técnicos comenzaron a succionar aire de la cámara para crear un alto grado de vacío. A continuación activaron los paneles de nitrógeno para enfriarla a 100º Kelvin (-173º Centígrados) y empezaron a inyectar helio dentro de la envoltura hasta alcanzar la temperatura idónea.
 
Para medir la reacción de la estructura a medida que se iba enfriando por debajo de la temperatura de congelación, el equipo usó una técnica de fotogrametría: la ciencia que consiste en medir con precisión por fotografía. De todas formas, aseguró Ohl, "el uso de esta técnica es todo menos algo rutinario cuando la llevas a cabo en un ambiente congelado y sin aire". Para poder proteger dos cámaras de gama comercial del frío extremo, las metieron dentro de unos envases especialmente diseñados para ello y las colocaron al final de un brazo motorizado. A medida que el brazo iba haciendo amplios giros en el interior de la envoltura de helio, las cámaras efectuaban disparos a través de una ventana reflectante de cristal recubierta de oro, a unos objetivos en forma de pastilla de hockey atornillados en los tubos de composite del ISIM. Con las imágenes obtenidas el equipo podría determinar con precisión si se movían las marcas y, si así era, por cuanto.
 
"Pasó la prueba muy bien, el test ha sido un éxito total", afirmó Pontius, refiriéndose al insignificante encogimiento detectado. Una vez rebasada esta prueba tan crítica los miembros del equipo han advertido que su trabajo puede servirle de mucho a la NASA en el futuro. Muchas de las misiones científicas proyectadas operarán en el espacio profundo y, por consiguiente, tendrán que ser probadas bajo extremas condiciones criogénicas. Mientras tanto las instalaciones servirán para realizar pruebas a otros sistemas del telescopio Webb, como, por ejemplo, el llamado plano posterior, la estructura a la que los 18 segmentos del espejo principal están atornillados. “Necesitamos caracterizar también su deformación a temperaturas criogénicas”, añadió Ohl, para terminar.

Artículo original:

- Goddard Team Obtains The 'Unobtainium' For NASA's Next Space Observatory (Fuente: Space Daily)

(*) Nota del Editor: el término Unobtainium es popular en la literatura fantástica y de ciencia ficción, habiendo sido utilizado recientemente en la película Avatar. En la versión doblada al español se refieren al mismo como Inobtanio.

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