Microgate ayuda a explorar el espacio profundo para desvelar los secretos del Universo

Figura 1. Microgate construye espejos con lentes adaptativas muy avanzadas para el ELT del ESO. Las lentes, que incorporan módulos convertidores CC/CC de alta densidad, corrigen las perturbaciones atmosféricas para extraer más luz, logrando así imágenes de mayor resolución.

Las lentes adaptativas que emplean tecnologías de conversión de potencia de precisión permiten realizar descubrimientos revolucionarios

Microgate, fundada en 1989 por los hermanos Vinicio y Roberto Biasi, basó al principio su reputación en el suministro de dispositivos de temporización de gran exactitud para deportes profesionales y carreras de competición. La empresa centró sus esfuerzos en un alto grado de precisión, de ahí que pronto llevara su tecnología a la exploración espacial a partir de la formación avanzada de Roberto sobre lentes adaptativas, que inspiró el diseño de un sistema de control con un motor lineal destinado a grandes telescopios terrestres.

Exploración del espacio profundo con enormes telescopios

El Observatorio Europeo Austral (ESO, por sus siglas en inglés) es una organización intergubernamental de investigación astronómica terrestre formada por 16 estados miembros que trabaja con Microgate en la construcción del espejo adaptativo para la nueva generación de Telescopios Extremadamente Grandes (ELT).

Los nuevos ELT utilizan espejos primaries cuyos diámetros son del orden de 30 metros, o en el caso del ESO-ELT un diámetro aún más impresionante de 39 metros. El objetivo de estos telescopios es capturar la luz procedente del pasado distante para conocer mejor el origen del Universo. Esto exige contar con un espejo primario de gran tamaño que recoja los pocos fotones que se pueden capturar procedentes de estrellas y galaxias lejanas. A diferencia de los telescopios espaciales Hubble o James Webb, este método terrestre de explorar el espacio profundo ofrece varias ventajas. Según The Astronomy Enthusiast, los telescopios terrestres tienen como ventaja su tamaño: el telescopio terrestre más grande es 23 veces más grande que el Hubble. Los telescopios terrestres también se pueden instalar en cualquier lugar del planeta y se pueden modernizar fácilmente con la tecnología más avanzada, mientras que sus homólogos en el espacio son mucho más difíciles de mantener y actualizar una vez lanzados.

Figura 2. Los telescopios del ESO ayudaron a Andrea Ghez y Reinhard Genzel a recibir el Premio Nobel de Física en 2020 por el descubrimiento de un gigantesco agujero negro en el centro de la
Vía Láctea.

Los telescopios existentes del ESO han permitido hacer descubrimientos revolucionarios. Por ejemplo, en las instalaciones de la organización, los astrónomos siguieron el movimiento de las estrellas en el campo gravitacional extremo en el centro de nuestra galaxia, lo cual demostró la existencia de un gigantesco agujero negro. Este descubrimiento fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2020.

Las sofisticadas lentes adaptativas compensan las aberraciones del frente de onda y mejoran la visibilidad

El ESO-ELT se halla en la cima del Cerro Armazones en el desierto de Atacama (Chile) a una altitud de unos 3.000 metros. La selección del emplazamiento de estas instalaciones depende mucho de la calidad de la luz visible.

Esto se debe a que la luz atraviesa la atmósfera está sometida a una perturbación denominada aberración del frente de onda. Gracias a la tecnología de Microgate, la luz capturada se refleja del espejo primario a un espejo secundario adaptativo que está deformado físicamente con el fin de restaurar el conocido como efecto de onda “plano”. En el caso del proyecto ESO-ELT, Microgate suministra todo el hardware y software de control en tiempo real para deformar el espejo mecánicamente y manipular el frente de onda entrante físicamente con el fin de corregir estas perturbaciones atmosféricas y mejorar la calidad de la imagen.

Controlar la forma geométrica del espejo exige utilizar motores de bobina de voz lineales sin contacto que se basan en un concepto similar al de un altavoz (ver un vídeo corto de demostración).

Figura 3. El espejo secundario o adaptativo se fabrica con un cristal muy especializado cuyo grosor es de unos 1,9 milímetros. Las bobinas de color cobrizo representan los motores lineales.

El espejo adaptativo tiene 2,4 metros de diámetro y está fabricado con un cristal muy especializado cuyo grosor es de 1,9 milímetros. Los motores de bobina de voz son accionados por un driver de corriente preciso y una serie de imanes permanentes que se hallan en la parte posterior del espejo y proporcionan la fuerza necesaria para deformar el cristal. Este proceso se aplica a lo largo de toda la superficie mediante 5.316 motores separados a una distancia entre ejes, o paso, de unos 30 milímetros.

El espejo adaptativo flota físicamente sobre el campo magnético generado por los motores de bobina de voz. Cada bobina permite controlar la corriente de manera local para deformar el espejo y corregir la forma. Esto se consigue utilizando un número equivalente de sensores capacitivos o de posición de alta sensibilidad cuya exactitud es del orden de nanómetros (millonésimas de milímetro). Por medio de sistemas electrónicos que funcionan a una frecuencia aproximada de 100 kHz, los ingenieros de Microgate pueden redefinir por completo la firma del espejo en un milisegundo.

Tras medir la divergencia, unos procesadores basados en FPGA aplican las instrucciones correctas al espejo en tiempo real y llevan el error de control a cero. El resultado es una imagen extremadamente nítida y limpia que se obtiene sin necesidad de lanzar un telescopio al espacio.

“Este proceso requiere la máxima precisión para corregir las aberraciones del efecto de onda”, declaró Gerald Angerer, ingeniero de desarrollo de hardware de Microgate. “Gracias a él podemos mejorar la resolución de la imagen de forma significativa”.

Los módulos de potencia de alta densidad son primordiales para las lentes adaptativas

Las dificultades de tipo energético que conlleva lograr tal nivel de precisión son considerables. Por ejemplo, la exactitud de la gestión térmica del sistema de lentes adaptativas es fundamental y exige mantener todas las superficies expuestas cerca de la temperatura ambiente para evitar turbulencias a nivel local. Como compensación, Microgate utiliza un sistema de refrigeración por gas mediante expansión directa para disipar térmicamente la electrónica de control del motor. Se han excluido otros materiales de refrigeración, como el agua o el glicol, ya que incluso una pequeña pérdida de refrigerante en el espejo primario podría provocar un daño catastrófico en todo el telescopio.

Las dificultades de alimentación son aún mayores debido al limitado espacio disponible para las soluciones de alimentación a causa de las restricciones impuestas por los miles de motores instalados en un pequeño espacio. Una opción anterior consistía en utilizar convertidores CC/CC remotos para alimentar los motores con un cableado largo y complejo.

Figura 4. Microgate utiliza los módulos de potencia CC/CC de la serie DCM3623 de Vicor para deformar mecánicamente el espejo y manipular físicamente el frente de onda entrante para corregir estas perturbaciones atmosféricas. Este proceso es primordial para que las lentes del telescopio produzcan una luz más intensa y en última instancia una mayor calidad de imagen.

Para optimizar este planteamiento, Microgate escogió los módulos de potencia CC/CC de la serie DCM3623 de Vicor. La placa del sistema de alimentación ahora está montada en la parte inferior de la placa refrigerante enfriada por gas y cada DCM3623 alimenta hasta 36 canales del motor, lo cual simplifica el cableado.

“Los módulos de alta eficiencia y alta densidad de potencia de Vicor son muy compactos, fiables y ocupan muy poco espacio en la placa del circuito”, declaró Angerer. “Estos convertidores de potencia miniaturizados son la mejor opción para nosotros. Hace más de 10 años que los utilizamos y no existe ningún sustituto comparable en la actualidad”.

Los módulos de potencia de Vicor ofrecen varias ventajas respecto a otras soluciones:

• Densidad de potencia: Los módulos de potencia de Vicor son compactos y extremadamente densos para cubrir la elevada demanda de energía de los espejos del ELT en un espacio muy pequeño.
• Eficiencia: Los módulos reducen las pérdidas de energía creadas en forma de calor, por lo que ayudan a mantener estable la temperatura del sistema óptico. Si el calor es excesivo podría afectar negativamente al rendimiento o distorsionar las lentes.
• Respuesta rápida frente a transitorios: La tensión de salida de los módulos de Vicor permanece estable dentro de una amplia banda de frecuencia, por lo que garantiza el funcionamiento preciso del motor incluso con variaciones rápidas de la carga.
• Bajo ruido electromagnético: Las interferencias electromagnéticas pueden afectar al sistema de enfoque y disminuir la calidad de la imagen.

Explorando juntos las nuevas fronteras del espacio profundo para mejorar nuestro mundo

Microgate está comprometida con la exploración del espacio profundo a través de la manipulación instantánea y precisa de unos espejos excepcionalmente complejos. Los módulos de potencia de Vicor están mejorando las lentes en estos telescopios de próxima generación con mayores niveles de densidad de potencia y fiabilidad. Dentro de un proceso de experimentación continua, Microgate está colaborando con Vicor y otras empresas de primera categoría para suministrar una electrónica de potencia para misiones críticas a organizaciones como el Observatorio Europeo Austral.

“Es difícil desvelar los secretos del espacio profundo”, señaló Angerer. “Estos nuevos descubrimientos están reescribiendo nuestros libros de historia y redefiniendo nuestra forma de pensar sobre la especie humana y nuestro papel en el Universo. Es un reto enorme y nos sentimos agradecidos por trabajar con empresas tan extraordinarias para lograr nuestros objetivos”.