La NASA avanza primera óptica de silicio-basados en Rayos X

Científico de la NASA William Zhang ha creado y ha demostrado una técnica para fabricación ligera, espejos de rayos x de alta resolución con silicio, un material comúnmente asociado con chips de computadora.

El Científico Will Zhang ha creado una planta de fabricación para crear una óptica de rayos x de flamantes de silicona. Esta imagen muestra la máquina que pulimenta para quitar imperfecciones de la superficie del espejo.

Créditos: NASA / w. Hrybyk

Zhang, un astrofísico en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, ha demostrado en pruebas repetidas que Silicio Monocristal — un elemento no metálico duro, quebradizo utilizado en la fabricación de chips de computadoras, funciona excepcionalmente bien como una óptica de rayos x.

Dado el costo de la construcción de observatorios de espacio — que sólo aumentan en precio como consiguen más grandes y más pesados, el objetivo es desarrollar la óptica ligera fácilmente reproducible, sin sacrificar la calidad. Según Zhang, uso de silicio daría a los astrofísicos de rayos x lo que han querido durante mucho tiempo: ligeros, muy delgados espejos que ofrecen una mayor área de recolección y dramáticamente mejorar la resolución, todo a un costo reducido, dijo Zhang.

Hasta la fecha, nadie ha creado un espejo de rayos x que se ocupa de todas estas metas de rendimiento. Además, nadie ha pulido y calculado de silicio para la óptica de la radiografía, que debe ser curvada y anidar dentro de un conjunto de recipiente-como para recoger los fotones de rayos x altamente energéticos. Con esta configuración especial, radiografías pastan las superficies de los espejos, como cómo un guijarro lanzado espumas sobre la superficie de un estanque, en lugar de pasar a través de ellos.

Silicio, que no deforma incluso cuando se corta o expuesto a la fluctuación de las temperaturas, ofrece una solución viable, dijo Zhang. "Hemos ejecutado nuestros procedimientos de fabricación de espejo muchas veces," añadió. "Estos representan el mejor peso ligero rayos x espejos siempre. De hecho, de todos los astronómicos radiografía espejos que se han producido y volado, Chandra son mejor,"dijo, refiriéndose a uno de los grandes observatorios de la NASA una misión de rayos x que lleva los espejos de rayos x de mayor resolución jamás lanzados. «Pero aspiramos a igualar y luego superar la calidad del espejo de Chandra antes de 2020».

Zhang tiene la intención de lograr ese objetivo, en parte, con financiación de tecnología estratégica de Astrofísica de la NASA. Él y su equipo planean avanzar la tecnología no convencional en preparación para una futura misión de rayos x.

Vieja mano que hace espejos

Zhang no es un recién llegado al negocio de fabricación de espejo.

Hace quince años, se puso a desarrollar una técnica menos costosa y más eficiente para la elaboración de espejos ligeros de rayos x. Él tuvo éxito. Hace cuatro años, le entregó 9.000 espejos de vidrio muy delgado, curvado para matriz de telescopio espectroscópico Nuclear de la NASA, o NuSTAR, misión usando una técnica de fabricación novedoso en el cual él colocó piezas delgadas de vidrio disponible en el mercado en un mandril y calienta todo el conjunto dentro de un horno, un proceso llamado caída. Como calienta el cristal, ablandado y doblado sobre el mandril para producir un espejo curvo que la Universidad técnica de danés en Copenhague entonces cubierta con capas de silicio y tungsteno para maximizar su reflectividad de rayos x.

Espejos delgados, ligeros, alta resolución, como se muestra aquí, son vitales para las misiones de rayos x de última generación. Will Zhang y Raúl Rivera están avanzando una técnica para la fabricación de estas ópticas con silicio.

Créditos: NASA / w. Hrybyk

Tomando el límite

Aunque Zhang probaron la técnica y produjo miles de espejos de modesta resolución ideal para NuSTAR, Zhang se dio cuenta de que ha tomado el enfoque hasta el límite. "Pasé un par de años tratando de hacer mejor vidrio. Conseguí todo el kilometraje que podría conseguir."

Se deshizo de ocho de sus 10 hornos utilizados en el proceso de caída y dirigió su atención, en cambio, al silicio mono cristal.

Otro técnico de Goddard, Vince Bly, había ya investigado uso del material, produciendo finalmente un espejo repuesto grueso pero ligero para Goddard construyó Infrarrojo Sensor térmico, uno de los dos instrumentos desarrollados para la misión de continuidad de datos de Landsat de la NASA. Aunque la misión no usa el espejo porque la óptica nunca había volado en el espacio, Bly dice que las pruebas indican que ofrece una opción viable.

Cuando Zhang oyó sobre el trabajo de Bly, él y Bly comenzaron a trabajar juntos, que se benefician de la experiencia de los demás. "Él utilizó lo que habíamos hecho para resolver su propio problema", dijo Bly.

Silicio no-Stress

La clave, ambos, dijo, se encuentra con el propio material. Los materiales tradicionales para la fabricación de espejos, vidrio, cerámica y metales, sufre de alta tensión interna, especialmente cuando corte o expuestas a cambios de temperatura. Estas tensiones se convierten cada vez más impredecibles como el espejo se convierte en más delgado.

"Silicio Mono cristal es un material excelente para hacer vuelos espaciales espejos de rayos-x", dijo Zhang. "Es barato y abundante disponible por la industria de semiconductores. Además, es un material perfecto. Es inmune a las tensiones internas que pueden cambiar la forma de los espejos de rayos-x de vidrio".

Esto es porque cada átomo está dispuesto en un enrejado, que impide que el material que distorsionan incluso al corte o en forma. En otras palabras, si una hoja de madera contrachapada fueron hecha de silicio, que sería perfectamente plana e inmune deforme, dijo.

Aprendido de la caída

Nuevo proceso de Zhang surge de lo aprendido a través de cristal caída, dijo. Toma un bloque de silicio y se calienta para eliminar cualquier tensión que puede haber surgido de su manejo. Con una sierra de banda, crea la forma aproximada y utiliza otras herramientas de mecanizado y productos químicos para moler y refinar la superficie del bloque. Como rebanar el queso, luego corta un substrato fino mide apenas una fracción de una pulgada en grueso del bloque y abrillanta la superficie. El último paso es capa de los segmentos individuales con iridio para mejorar la reflectancia.

Con su financiamiento de la NASA, Zhang y su equipo están perfeccionando técnicas para alinear y vincular 6.000 segmentos de espejo a la forma meta-conchas que se integra dentro de un conjunto de espejo proyecta que pesan alrededor de 200 libras y soporte apenas 1.6 pies altos. En última instancia, le gustaría crear seis granadas de meta y automatizar el proceso de alineación.

"Hacer peso ligero, alta resolución, relativamente baratos espejos de rayos x se ha convertido en mi vida," dijo Zhang, refiriéndose a su búsqueda por desarrollar un espejo de rayos x más ligero, más capaz. "Cuando comencé a desarrollar espejos hace 15 años, pensé que sería lograr que se haga en un par de años. "Quince años después, estoy todavía en ello, dijo Zhang.

Lori Keesey
NASA Goddard Space Flight Center

Last Updated: Feb. 7, 2017

Editor: Lynn Jenner

Traducción: El Quelonio Volador