Ningún invento ha tenido un impacto tan profundo en nuestra comprensión del Cosmos como el telescopio: desde sus humildes comienzos a principios del siglo XVII hasta los instrumentos contemporáneos de última generación, han transformado nuestra percepción del Universo y nuestro lugar en él.
En un devenir de avances tecnológicos estos instrumentos han ido de simples objetos a imponentes observatorios cósmicos. Mientras que el espejo del primer telescopio reflector de Newton tenía solo 3.3 centímetros de diámetro, los mayores telescopios reflectores individuales del mundo tienen ahora espejos de hasta ocho metros de diámetro.
Por ejemplo, el Very Large Telescope de Chile (Sudamérica), construido y operado por el Observatorio Europeo Austral (ESO), consta de cuatro telescopios, cada uno con un espejo primario de 8.2 metros de diámetro.
Hasta este momento el telescopio óptico de apertura única más grande del mundo es el Gran Telescopio Canarias, en las Islas Canarias, cuyos 36 segmentos forman un espejo de 10.4 metros de diámetro con una superficie colectora de luz de 78.5 metros cuadrados. Sin embargo, será eclipsado a finales de esta década por el Extremely Large Telescope de ESO, actualmente en construcción en el desierto de Atacama, en el norte de Chile, a una altitud de 5,000 metros. Su espejo primario tendrá casi 40 metros de diámetro y estará formado por 798 segmentos, que proporcionarán un área de captación de luz de 978 metros cuadrados, equivalente a cinco canchas de tenis. Cuando esté terminado, en 2028, uno de sus objetivos será estudiar en detalle los exoplanetas.
Lo anterior viene a cuento porque los investigadores José Antonio de Diego Onsurbe y Luis Carlos Álvarez Núñez, del Instituto de Astronomía, desarrollaron una técnica que permite la fabricación de espejos superligeros y de alta calidad en fibra de carbono, lo que puede impactar las observaciones astronómicas y hacer más eficientes los telescopios en general.
Contactados por Vértigo, los creadores de la técnica, de la cual recientemente se obtuvo la patente, en entrevista precisan que es posible crear espejos de manera sencilla para la fabricación de telescopios, cámaras fotográficas, sistemas ópticos o paneles solares.
Se trata de una innovación relevante, ya que se deja de lado el uso del vidrio, el cual requiere constantes procesos de pulido para ajustar su calidad óptica, una etapa que lleva tiempo y de la que deben estar pendientes los técnicos especializados en su desarrollo, por lo que fabricar uno solo puede tardar hasta cuatro semanas.
Cabe recordar que desde la época de Galileo los telescopios han utilizado vidrio en la elaboración de los espejos que permiten las observaciones astronómicas; inclusive dispositivos como el James Webb Space Telescope (observatorio espacial enviado por las agencias espaciales de Estados Unidos, Canadá y Europa) utilizan superficies reflejantes de vidrio —trabajado en técnicas diferentes—, por lo cual la propuesta universitaria tiene el potencial de revolucionar la construcción de este tipo de equipos.
Progreso
De Diego Onsurbe dice que el motivo inspirador de la investigación fue que los lentes de telescopios en general son bastante caros y tarda mucho su fabricación. “Por ello decidimos buscar una forma que fuera mucho más económica y rápida para obtenerlos. Los lentes o espejos son una pieza clave de cualquier telescopio; su fabricación demanda un proceso complejo que requiere de una gran precisión y tecnología. La materia prima principal es el vidrio óptico, que es cortado y pulido para darle la forma y tamaño deseado. Uno de los mayores desafíos en la fabricación de lentes es la precisión exigida en el proceso de pulido y la reducción de los costos de fabricación”.
Además, “los espejos normales de vidrio son muy pesados, pero aquí hablamos de uno que no pesa nada. La fibra de carbono se utiliza en raquetas de tenis porque es muy liviana. Son superligeros y dan ventajas en las aplicaciones aeroespaciales, monturas de los telescopios y equipos amateurs, permitiendo obtener imágenes de alta calidad para los interesados en observar el espacio”, agrega el doctor Álvarez Núñez.
La nueva técnica utilizada por este par de científicos se llama “replicación de espejos” e implica poner resina sobre un molde con una estructura tipo panal creada mediante impresión 3D. A diferencia de los tradicionales, este método de replicación óptica elimina la necesidad de un pulido posterior, optimizando así el procedimiento de producción de espejos.
“Los métodos tradicionales de producción requieren varias etapas sobre un estrato de vidrio de calidad y el lapso para hacerlo ronda el orden de cuatro semanas. En tanto, en la técnica que hemos desarrollado con base en fibra de carbono y resinas e impresiones 3D el periodo de fabricación es de tres a cinco días; implica un ahorro en tiempo y dinero”, comparte Álvarez.
Los expertos trabajan desde 2016 en la creación de la técnica o más bien de “una variante”, la cual los llevó al desarrollo de las membranas de fibra de carbono; se dieron cuenta de que los espejos con este material tenían un potencial alto de calidad, por lo que en 2019 comenzó la fase de patentamiento.
De Diego precisa que, por el momento, su fabricación se limita al tamaño de los moldes 3D que pueden imprimirse —de 20 centímetros— para los espejos, pero a futuro es posible escalar y elaborarlos de dimensión profesional; es decir, de uno a seis metros.
Frente a la creciente demanda de espejos más grandes, ligeros y duraderos para observaciones astronómicas avanzadas, incluyendo las robóticas y extraterrestres, la replicación se perfila como una solución esencial en el progreso tecnológico de los instrumentos de observación.
Ambos investigadores consideran que su aportación es sustancial, ya que la tecnología de replicación óptica ahora será más eficiente y atractiva; al presente la fabricación de espejos mediante fibras de carbono y resinas necesitaba de un trabajo posterior de pulido de la superficie de los lentes, lo cual aumenta su costo y el tiempo de creación; por el contrario, el procedimiento ideado por los universitarios no requiere de procesos extra de manufactura, es decir, no se demandan sistemas de alta temperatura (hornos al vacío), ni se necesita pulir la superficie de los lentes ni quitarles la impronta de posibles deformaciones.
Por ello concluyen que la nueva variante lograda en la UNAM, la cual no precisa de otros métodos de perfeccionamiento, representa un paso adelante en esta tecnología.
En efecto, esta innovadora forma de la tecnología de la replicación óptica firmada por los investigadores de la UNAM, y en particular del Instituto de Astronomía, representa un cambio de paradigma porque estos espejos creados a partir de fibra de carbono y resinas tiene una amplia funcionalidad, ya que se utilizarán en óptica convencional, fotografía, telescopios personales, grandes sistemas de observación astronómica y telescopios espaciales, porque estos espejos son más ligeros y fáciles de manipular en gravedad cero e incluso para aquellos de altas energías, o sea, los telescopios Cherenkov que captan los efectos o estallidos de los rayos Gamma, un tipo de radiación que permite estudiar los procesos físicos que liberan más energía en el Universo, entre los que se encuentran las explosiones de supernovas, los agujeros negros, los microcuásares y los núcleos activos de galaxias. Incluida la búsqueda de materia oscura y el estudio de la posible estructura cuántica del espacio-tiempo.
Nuestros ojos en el Universo
Aunque mucho más pequeños que sus primos terrestres, los telescopios espaciales funcionan en lugares donde la atmósfera terrestre no obstruye la visión del Cosmos. Hay más de dos docenas en funcionamiento, siendo el Hubble el más conocido y el nuevo James Webb el mayor. El espejo primario de Webb está formado por 18 segmentos hexagonales que juntos forman un espejo de 6.5 metros de diámetro, frente a los 2.4 metros del Hubble. Esto da a Webb un área de captación de luz de unos 25 metros cuadrados, seis veces la del Hubble. Los espejos superligeros de fibra de carbono de la UNAM pueden contribuir a la mayor eficiencia de estos sistemas de observación astronómica espaciales.