Los avances de los materiales mejoran nuestra visión del cosmos

El telescopio, Los dispositivos, espectrómetros y otros instrumentos que la humanidad lanza al espacio se encuentran entre nuestras herramientas de descubrimiento más sofisticadas y, a su vez, están construidos con nuestros materiales más sofisticados.

POR JAMES A. MONROE ALLVAR

Es extraño que el estudio de los materiales se haya entrelazado con el estudio de nuestro universo. De manera un tanto paradójica, mejorar nuestra comprensión de los átomos nos ha permitido responder preguntas sobre el cosmos. Aunque la humanidad siempre ha mirado con asombro las estrellas, nuestra comprensión de ellas se ha visto limitada por nuestro conocimiento de geometría, álgebra, física y materiales. A lo largo de la historia, el descubrimiento de nuevos materiales permitió construir los instrumentos astronómicos más avanzados de la época. Estos instrumentos avanzados informaron y mejoraron la capacidad predictiva de nuestros modelos físicos, geométricos y algebraicos.

La Figura 1 proporciona una visión general de cómo la evolución de la tecnología de los materiales impulsó nuestra capacidad de crear instrumentos astronómicos cada vez más estables que nos han permitido mirar más profundamente en el espacio. Al principio, nuestros antepasados ​​miraban al cielo a simple vista donde observaban patrones. Los cúmulos de estrellas fluían y menguaban regularmente con las estaciones. Prestar especial atención a su aparición, movimiento y desaparición a lo largo del tiempo proporcionó una ventaja a los antiguos cazadores-recolectores que aprenderían cuándo necesitaban almacenar recursos para el invierno. Las sociedades agrícolas que surgieron más tarde también utilizaron estas constelaciones para ayudarles a cronometrar sus ciclos de siembra y cosecha. La madera y la piedra eran los materiales más avanzados de la época. Aunque es un tema controvertido, los menhires como Stonehenge y el Anillo de Brodgar pueden haber sido algunos de los primeros observatorios cosmológicos. La colocación de las piedras requeriría confiar en el orden de metros para ser precisa.

Con el paso del tiempo, la combinación de metales como el cobre y el zinc produjo aleaciones de bronce blandas, moldeables y maleables. Estas nuevas aleaciones permitieron crear los primeros instrumentos de astrolabio, que requerían estabilidad a escala milimétrica para convertir con precisión el tiempo en latitud y viceversa. El astrolabio y su sucesor, el sextante, permitieron una navegación exitosa por los mares.

Con el tiempo, la creación de lentes de vidrio ópticamente transparentes permitió la primera observación ampliada de los cuerpos celestes. Cuando se combinaron con carcasas de bronce y hierro mecanizadas con precisión micrométrica, estas lentes permitieron la creación del primer telescopio. Después de que Galileo desarrollara mejoras en el telescopio con fines militares, los dirigió hacia el cielo e identificó múltiples lunas que rodeaban a Júpiter.

En los 400 años siguientes, nuevos descubrimientos y mejoras en las tecnologías de nuevos materiales impulsaron exploraciones adicionales de nuestro universo. Isaac Newton inventó el newtoniano reflexivo telescopio con un espejo de metal con espéculo. Este metal de espéculo se fundió y pulió fácilmente hasta convertirlo en grandes espejos con una precisión de micrones que impulsó los más potentes telescopios de los siglos XVIII y XIX. La década del siglo XX continuó evolucionando con nuevos avances en vidrio, el desarrollo de revestimientos reflectantes y la llegada de materiales compuestos. Estos avances finalmente lograron la estabilidad necesaria para el diseño, la creación y el despliegue del Espacio Hubble. Telescopio, lanzado en 1990 (Figura 2).

Un desafío clave para lograr los estrictos requisitos de estabilidad para el Hubble y otros vehículos espaciales. Los telescopios son afectados y es la forma en que los materiales tienden a expandirse con los cambios de temperatura. Esta expansión térmica puede desenfocar los delicados instrumentos espaciales. Una vez más, los avances en la tecnología de materiales ayudaron a resolver el problema.

De particular ayuda son los materiales con un coeficiente de expansión térmica (CTE) insignificante, como las aleaciones de hierro y níquel comúnmente conocidas como Invar, el producto cerámico de vidrio y aluminosilicato de litio ZERODUR de Schott, la cartera de vidrio de expansión ultrabaja de Corning y los compuestos de fibra de carbono.

Cada material debía descubrirse, desarrollarse e integrarse en nuevas plataformas complejas para capturar imágenes de alta calidad desde el espacio.

Felices accidentes

A medida que los requisitos de estabilidad de los instrumentos astronómicos se vuelven más estrictos, el CTE de los materiales que componen estos instrumentos tiene un mayor impacto en el rendimiento. Curiosamente, muchos de estos materiales que permiten una expansión baja y controlada se originaron a partir de observaciones fortuitas.

Por ejemplo, Charles-Edouard Guillaume, que ganó el Premio Nobel en 1920 por descubrir la aleación de hierro y níquel que se convirtió en Invar, describió en su conferencia Nobel una observación casual durante su trabajo elaborando estándares de longitud para la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. «Llegó a la Oficina Internacional una barra de acero que contenía un 30% de níquel y comprobé que su expansibilidad era aproximadamente un tercio menor que la del platino», escribió Guillaume. «La continuación de un estudio así iniciado era un buen augurio y lo proseguí con obstinada obstinación».

El origen de la tecnología vitrocerámica es igualmente único. Donald Stookey, un químico de Corning en la década de 1950, estaba tratando térmicamente vidrio durante la noche cuando el horno falló y se sobrecalentó. Cuando descubrió que el horno estaba demasiado caliente, esperaba encontrar un charco de vidrio en el suelo del horno. Para su sorpresa, el vaso estaba en la misma forma en que lo dejó, pero se había vuelto blanco. La siguiente sorpresa surgió cuando sacó el vidrio del horno con unas pinzas, resbaló y cayó al suelo. Esperaba que el cristal se rompiera en un millón de pedazos. En cambio, rebotó por el suelo y permaneció intacto.

Posteriormente, la investigación reveló que se habían formado cristales cerámicos dentro del vidrio debido a las altas temperaturas del horno. El resultado fue un compuesto vitrocerámico fuerte y resistente. Además de introducir cacerolas de vitrocerámica en los hogares, un estudio más detallado de este nuevo material permitió controlar su expansión térmica al controlar la cantidad de cristalización cerámica. Esto llevó a la creación de ZERODUR, un material de vidrio apreciado por su baja expansión térmica. Actualmente, los segmentos del espejo primario y el espejo secundario monolítico del Extremely LargeTelescopioen Chile se fabrica con vidrio ZERODUR, o este «accidente afortunado», como lo describió Stookey.

Un descubrimiento más reciente en la ciencia de los materiales condujo a los primeros metales a granel con expansión térmica negativa y sintonizable. En 2010, James A. Monroe era un estudiante de posgrado en la Universidad Texas A&M que trabajaba en el desarrollo de aleaciones. Mientras estaba en una conferencia, asistió a una presentación con mediciones experimentales que indicaban que los átomos de un metal en particular se acercaban entre sí cuando el metal se calentaba, una propiedad denominada expansión térmica negativa. Monroe no creía que esto fuera posible, aunque, de ser cierto, podría conducir a la creación de materiales que se encogen cuando se calientan y se expanden cuando se enfrían.

Al regresar a la universidad, Monroe trabajó con sus asesores Ibrahim Karaman y Raymundo Arróyave para descubrir con éxito el comportamiento del metal en grandes piezas de material a base de titanio que, en 2014, condujo al lanzamiento de una nueva clase de metales denominada ALLVAR Alloys.

Cuando se utiliza para fabricar instrumentos astronómicos, esta tecnología de material única ayuda a compensar la expansión de otros materiales y componentes propensos a un comportamiento de expansión térmica más convencional. Hoy, estas nuevas aleaciones se están integrando en los controles térmicos del coronógrafo en el espacio Nancy Grace Roman de la NASA.Telescopio. Estas aleaciones también prometen permitir futuros instrumentos astronómicos con estabilidad térmica en la escala picómetro cuando se combinen con otros materiales de última generación.

Estado actual del arte

Lanzado a finales de 2022, el James Webb SpaceTelescopio combinó varias tecnologías de materiales de última generación para obtener las imágenes más profundas de nuestro universo hasta la fecha. La Figura 3 compara la resolución del Espacio Hubble Telescopio al Webb.

Una de las características distintivas del Webb SpaceTelescopio es su parasol en forma de vela. Varias tecnologías de ciencia de materiales se integraron en el escudo para mantener el telescopio a –388 °F (–233 °C), mientras que el lado del sol experimenta 185 °F (85 °C).

La resistencia y durabilidad del escudo provienen de la poliimida Kapton, que es un termoplástico muy flexible que permite que el protector solar se lance en estado plegado y se despliegue en su camino hacia su lugar de descanso en Lagrange Point L2. Las cinco láminas de poliimida del escudo están recubiertas con aluminio para brindar reflectividad y dopadas con silicio para permitir que el escudo libere el calor almacenado más fácilmente. La forma única del protector solar combinada con estos revestimientos avanzados irradia el calor del sol hacia el espacio en lugar de transferirlo al espacio.

El Webb fue diseñado para cumplir con un requisito de estabilidad de 51 nm. Este estricto requisito significa que el parasol no podría superar completamente la inestabilidad resultante de fluctuaciones y gradientes de temperatura muy pequeños que se presentarían en las grandes superficies.

En el Telescopio espacial Webb los segmentos de espejo rígidos y livianos están hechos de berilio chapado en oro para brindar reflectividad, mientras que su estructura de soporte está hecha principalmente de un compuesto de fibra de carbono de baja expansión térmica (Figura 4).

Se desarrollaron compuestos especiales de fibra de carbono con una expansión térmica cercana a cero para superar los efectos perjudiciales de estas fluctuaciones de temperatura. También se requirieron nuevas técnicas de fabricación y sistemas de prueba de alto rendimiento para garantizar que la estructura de soporte fuera lo suficientemente estable como para cumplir con el exigente requisito de estabilidad a escala nanométrica.

Desde polímeros recubiertos hasta berilio y compuestos de fibra de carbono, los materiales utilizados para ensamblar el Webb Space Telescopiohan superado los límites de lo que los materiales más avanzados de hoy pueden permitir.

Ahora los científicos están llevando nuevos materiales a nuevos extremos en el espacio romano Nancy Grace de la NASA. Telescopio,      estabilidad subnanométrica. Más allá de estas misiones actuales, las prioridades futuras descritas en el Estudio Decenal sobre Astronomía y Astrofísica 2020 de las Academias Nacionales incluyen la capacidad de obtener imágenes y caracterizar directamente planetas similares a la Tierra en las zonas habitables de estrellas distantes; Esta aspiración requerirá instrumentos con estabilidad de clase picométrica.

Se necesitarán nuevos materiales y procesos de fabricación para alcanzar este requisito de estabilidad del picómetro. Cuando se combinan creativamente, los materiales nuevos y existentes pueden permitir las imágenes más profundas y claras de nuestro universo.

Fuente: James A. Monroe es un científico convertido en empresario. Recibió su doctorado en ingeniería mecánica de la Universidad Texas A&M y fundó ALLVAR después de ayudar a descubrir aleaciones de expansión térmica negativa y personalizadas.

Expresiones de gratitud

El autor desea agradecer a Matthew East y David Musgraves por sus contribuciones a este artículo.