La cuestión material que se ha llevado a construir uno de espejo del telescopio es muy fascinante.
Si se parte de una pregunta inicial hipotético (de los cuales no sabemos a priori la solución) que es: Si usted tiene que construir un espejo para un telescopio, qué material es más conveniente hacerlo?
La respuesta más obvia y evidente, es decir hoy: "Cristal", porque están obviamente hicieron casi todos tan, pero si esta información no teníamos y era la primera vez que intenta generar una, ¿cómo hacer una elección objetiva de restringirla a unos posibles candidatos ?
bien, Inicialmente se analizan y deciden los requisitos esenciales del proyecto, tipo: minimizar la masa de la deformación elemento igual ... etc., después de lo cual perfeccionar la selección mediante la aplicación de requisitos más estrictos para el proyecto.
En cuanto a uno de espejo del telescopio, usted puede comenzar a reducir la elección de esta manera:
En la imagen se indican encima de dos ecuaciones, el primero que expresa la desviación de un sujeto disco homogéneo a su propio peso (la parte superior izquierda) y la segunda, que expresa la masa del disco como una función de su volumen por la densidad (la parte superior derecha). Va a combinar entre sí las dos ecuaciones y esplicandole como una función de la masa total, Se obtiene por la ecuación de abajo a la izquierda.
Si nos fijamos en los términos de esta ecuación vemos que son todos los términos geométricos dictadas por la forma elegida para el disco, excepto los dos términos entre paréntesis, que dependen en cambio en el tipo de material que será elegido por el espejo. Puesto que la ecuación expresa la masa del disco de vidrio, para reducir al mínimo, Debe ser el valor mínimo entre paréntesis (³ $ / E), se indica en la parte inferior derecha como METRO.
obviamente minimizar ³ $ / E Es lo mismo que decir maximizar su inversa, o E / R $ ³.
En este punto tenemos un índice con el que podemos comparar unos con otros tipos diferentes de materiales, y parece hacerlo, Se basa en los mapas creados por Michael F. Ashby, y que se llaman precisamente “Los mapas de Ashby”, que poner en la relación entre sus dos propiedades físicas diferentes de los diversos materiales.
Así que para el caso analizado, Entre las numerosas tarjetas existentes, usted debe referirse a la que se refiere mi (módulo de elasticidad) con p (densidad).
Para comparar adecuadamente los diversos materiales, dependiendo del caso específico que se está analizando, Debemos avanzar en el gráfico utilizando el ángulo recto entre las directrices indicadas en el círculo en azul. En este caso la entidad es maximizar la relación E / R $ ³ obviamente, equivalente a mi1/3/p. Luego, utilizando la línea recta con el gradiente indicado, Puede comparar entre ellos los materiales que tienen la misma proporción específica y luego averiguar cuál de ellos presentan el máximo rendimiento.
Para una comparación, Coloqué una línea que pasa sólo por la clase de cristal (circular roja). En este punto es fácil de apreciar lo que los materiales tienen características mejores o peores de la copa. Es importante recordar, sin embargo,, que aquí estamos analizando sólo el mapa que nos proporcionará cuáles son los materiales que reduzcan al mínimo la masa de la paridad de deflexión del disco, pero no nos dice nada acerca de otros aspectos, como estabilidad térmica, procesabilidad, etc., que habrá características que refinar aún más la elección del material, Después de la selección inicial.
De cualquier manera puede ser visto como el carburo de silicio, berilio, CFRP (polímero de la fibra de carbono reforzada) y algunas espumas poliméricas tienen el mejor rendimiento de la copa, mientras que también es evidente la razón por la que no se construyen espejos metálicos (acero, aluminio, Titanio ...) lo cual sería mucho más pesados que los de vidrio.
Obviamente, algunas opciones del pueden excluirse a priori sin tener que investigar más a fondo, tipo diamantes (por razones obvias de costes, dimensiones, trabajabilidad ...), o el bosque, que a pesar de tener un alto rendimiento que son muy dimensionalmente inestable en condiciones atmosféricas variables (temperatura, humedad, etc.).
Como se mencionó antes, esta primera opción que usted tiene que agregar una segunda proyección que tiene en cuenta otros factores que limitan considerablemente un espejo astronómico, tipo de expansión térmica. De nuevo, esto lo puede hacer utilizando un mapa diferente de Ashby, como la siguiente, que se correlaciona el coeficiente de expansión térmica con la conductividad térmica.
Sabiendo también la conductividad térmica de un material y no sólo su expansión térmica (que en una primera aproximación parece ser el único parámetro importante) porque sirve el mismo coeficiente de expansión térmica que tiene una mayor conductividad logra una mejor manera de hacer uniforme la temperatura en toda la masa del espejo.
Como un ejemplo, con un material de baja conductividad térmica, causas, si fuera a estar presente un gradiente térmico en el interior del espejo, este gradiente casi no tienden a desaparecer la estandarización de toda la temperatura de la superficie, a continuación, causando tensiones internas y contracciones diferenciales en el mismo espejo.
En el mapa se nos ha puesto de manifiesto 5 tipos de materiales que había sido elegido como el mejor de la proyección anterior. A través de este mapa es posible observar tales como espumas poliméricas presentan una baja relación entre la conductividad térmica y la expansión térmica, no muy alta que los valores absolutos de los coeficientes de dilatación térmica, excluyendo así de los posibles candidatos para la construcción de un espejo astronómico.
El carburo de silicio y berilio en vez, Ellos tienen aproximadamente la misma relación entre la expansión térmica y la conductividad térmica incluso si el carburo de silicio tiene un coeficiente de expansión térmica muy por debajo.
La clase de vidrio se extiende sobre una amplia gama de valores con respecto a la expansión lineal, aunque los vasos para uso astronómico son capaces de llegar a valores muy bajos o cercano a cero, convirtiéndolos en uno de los mejores materiales posibles en este sentido.
El CFRP en lugar posee un coeficiente de dilatación térmica intermedio entre el de SiC y de berilio y decididamente peor que el vidrio mientras que ser comparable con ellos para la conductividad térmica.
Observando cuidadosamente este mapa, se conoce como el invar es con mucho el mejor material desde este punto de vista, asociar alta conductividad térmica a valores muy bajos de expansión térmica. Estas propiedades combinadas con excelentes características mecánicas lo convierten en un material estructural excelente para telescopios espaciales, que a menudo emplear en sus componentes. La alta densidad, sin embargo, limita su uso a un mínimo.
por último, pero no el menos importante es la cuestión del coste. Mirando el mapa siguiente, se puede hacer una idea aproximada de los costos involucrados para cada material:
Resumiendo:
GAFAS
el último cuadro muestra una vez más, debido a que el vidrio es todavía los maestros indiscutibles de la escena cuando se trata de espejos para telescopios, dado su costo extremadamente bajo en comparación con los materiales competidores, sin olvidar que todavía tienen propiedades buenos o excelentes en todos los aspectos analizados. Acristalamiento de l 'ULE u otras cerámicas de vidrio tienen coeficientes de expansión térmica cercano a cero, así como una buena relación entre E / ρ³ que los hace particularmente adecuado tanto para telescopios terrestres que espacial. Ejemplos de ello son los principales telescopios terrestres, l’telescopio espacial Hubble, HiRISE y una multitud de otros instrumentos.
SIC
El carburo de silicio es uno de los mejores materiales en absoluto para un espejo astronómico desde un punto de vista mecánico, incluso si no tiene los valores de expansión térmica no a los niveles de las mejores gafas. La densidad ligeramente mayor que la de las gafas no, sin embargo, limita el uso de este material que tiene una alta relación de expansión térmica y la conductividad, que hace que sea muy adecuado para telescopios espaciales, que sufrir enormemente de la diferente expansión térmica entre los diferentes materiales en contacto uno con otro, cuya expansión diferencial induce tensiones perjudiciales en la estructura y en los espejos. El SiC está también utiliza a menudo como un material estructural para las placas de soporte de los telescopios espaciales sería emparejar perfectamente con los espejos y sus soportes, que también se pueden hacer del mismo material, simplificando en gran medida el diseño del sistema. Espejos de vidrio son a menudo la norma incluso en telescopios espaciales, pero su diferente expansión térmica con respecto a sus soportes, realizado en otro material, implica tener que debe darse a sistemas adecuados para la compensación de las deformaciones a fin de no inducir una tensión adicional en los espejos, el cual se desintegraría en el rendimiento. Por ejemplo, el mayor telescopio espacial en órbita hoy, l 'Observatorio Espacial Herschel tiene un espejo 3.5 m f / 0.5 (que funcionan en las longitudes de onda del infrarrojo lejano) se hace en SiC, así como todos los espejos en sonda de Plank y los de muchas otras sondas todavía.
CFRP
Su alta proporción E / R $ ³ hace excelentes candidatos desde un punto de vista estructural para un espejo astronómico, y de hecho en el pasado ha habido varios intentos hechos y estudios para probar su viabilidad en la construcción , aunque a la fecha espejos hechos por lo que no han encontrado un amplio uso en el óptico longitudes de onda.
En su detrimento va el coeficiente de expansión térmica, lo que limita su estabilidad dimensional con diferentes temperatura, de suma importancia para aplicaciones ópticas, Aunque el progreso continuo en este tipo de material, Ya se ha llevado al desarrollo de soluciones que tienen valores muy bajos de CTE, tal vez la apertura de puertas, a un futuro (tal vez no demasiado lejos) revolución.
Su alto rendimiento mecánico, vistas en el primer mapa de Ashby, Que los haría los materiales que sobre todo limitar la masa total del espejo, y esto explica por qué son ampliamente utilizados en la construcción de radiotelescopios. Un ejemplo de esto son las antenas 12 metros de’ ALMA (ondas de radio), sino también el espejo primario de 1.5 m del observatorio espacial Planck (infrarroja y submilimétrica) es un ejemplo famoso.
BERILIO
Él finalmente la cabeza en la lista, también un miembro de la clase de materiales metálicos. Por desgracia, el berilio se considera un carcinógeno para los seres humanos y su trabajabilidad necesidad de reglas y controles específicos. Como vimos en el primer documento Ashby, es absolutamente uno de los materiales que minimiza la mayor parte de la masa total del espejo, aunque su alto coeficiente de dilatación térmica adaptado a los costes de producción altos y los inconvenientes debido a su toxicidad que han limitado en gran medida la propagación. Las cosas cambian drásticamente, sin embargo, cuando se trata de aplicaciones criogénicas, o para aquellos dispositivos que deben trabajar a temperaturas cercanas al cero absoluto.
A temperaturas más bajas que la 80 K el coeficiente de expansión térmica del berilio, de hecho, se reduce casi a cero, y las propiedades mecánicas permanecen muy respetable toma de salto en el primer lugar por sus cualidades termo-mecánicas para espejos astronómicos. Es evidente que el costo y la peligrosidad del material, sin embargo, se limita la propagación, pero no es casualidad que la mayor, telescopio caro y complejo que tiene (ya) listo para su lanzamiento en el espacio que se elija el berilio como material para la construcción del espejo. Por supuesto que está hablando el telescopio espacial James Webb.
Otro ejemplo famoso de telescopio, que opera en el infrarrojo, con su Ritchey de Chretien 85 cm con berilio óptico, Es el telescopio espacial Spitzer.
mi’ Sin embargo debe tenerse en cuenta que la evaluación que se realiza en el artículo es muy preliminar, sin duda da algunas buenas pautas generales, pero no tiene en cuenta muchos otros factores que, en realidad, en cambio se deben tener en cuenta, tipo de trabajabilidad, grado de pulido que son incapaces de alcanzar en material particular, proceso de producción necesarios, etc ...
A pesar de esto, sin embargo,, es interesante observar que, con sólo dos mesas simples ha sido posible determinar los mejores candidatos de evaluación de materiales críticos para la construcción de un telescopio de espejo a, y cómo estos resultados más adelante, reflejan fielmente las soluciones adoptadas en realidad, Estos resultado de décadas de investigación y pruebas.
una nota especial debe hacerse para materiales cerámicos y compuestos, estos tipos de materiales están teniendo muy rápida evolución en los últimos años, con la producción continua de soluciones con propiedades sorprendentes, y no será sorprendente, Si en un futuro próximo, estos tipos de materiales que se van a valer cada vez más tanto para los telescopios espaciales y terrestres.