mtex antenna technology, una pequeña empresa alemana, ha sido elegida para fabricar componentes clave de un proyecto que juntará cientos de radiotelescopios para crear el instrumento astronómico más grande y más ambicioso jamás construido. El éxito de su diseño dependerá de la tecnología de rodamientos de precisión desarrollada por SKF.

mtex surgió de una consultora especializada fundada por el Dr. Karl-Heinz Stenvers, que dedicó más de 40 años a diseñar las antenas de muchos de los radiotelescopios de mayor tamaño del mundo. Hoy, bajo el liderazgo de su hijo, Lutz Stenvers, mtex ofrece una gama completa de servicios de diseño, fabricación, instalación y actualización para antenas de radio avanzadas. Gracias a esta fusión de capacidades y competencias, mtex ganó el contrato para construir las antenas del Very Large Array de próxima generación (next-generation Very Large Array, ngVLA), un sistema de telescopios cuyo objetivo es llegar a los confines del universo.

¿Más grande siempre es mejor?

En las últimas décadas, los telescopios gigantes han posibilitado descubrimientos extraordinarios, entre ellos, probar la existencia de los agujeros negros o detectar planetas que orbitan alrededor de estrellas lejanas. Pero construir telescopios cada vez más grandes está plagado de dificultades. Para empezar, construirlos es carísimo, y, luego, su mantenimiento da muchos problemas. El radiotelescopio de Arecibo, una antena esférica de 300 metros de diámetro situada en Puerto Rico, se derrumbó en 2020 al fallar los cables que sujetaban el conjunto receptor, que se estrelló contra el plato reflector situado debajo.

Los telescopios grandes también son difíciles de manejar. Los más grandes, como el FAST y el de Arecibo, utilizan discos fijos. Para orientar el telescopio, los astrónomos desplazan el conjunto receptor. Sin embargo, este método solo les permite observar una pequeña región del cielo. Los de menor tamaño son totalmente dirigibles, pero necesitan maquinaria pesada y avanzados sistemas de control capaces de maniobrar con precisión sus enormes antenas para localizar y seguir los objetos elegidos.

La unión hace la fuerza

Ante estos desafíos técnicos y económicos, la comunidad científica ha explorado alternativas a la construcción de instrumentos autónomos cada vez más grandes. Una solución pasa por utilizar programas informáticos para combinar imágenes de varios telescopios más pequeños. Este método, conocido como interferometría astronómica, permite a los científicos crear un espejo virtual con una apertura igual a la distancia entre los telescopios, que puede ser de cientos o, incluso, miles de metros. Desde que las computadoras tienen potencia de cálculo suficiente para manejar las complejas operaciones matemáticas necesarias para ensamblar estas intrincadas imágenes, han ido surgiendo matrices de radiotelescopios en todo el mundo.

Entre los más famosos, se encuentra el Very Large Array (VLA), un grupo de 28 radiotelescopios de 25 metros de diámetro cada uno, dispuestos en una configuración en “Y” en una llanura desértica de Nuevo México, en los Estados Unidos. Los telescopios del VLA están montados sobre vías férreas para que puedan reubicarse en función de las necesidades de los astrónomos. En su configuración más amplia, los instrumentos más alejados se encuentran a 21 kilómetros del centro del conjunto. Construido en la década de 1970 y ampliado en la de 2010, desde hace décadas es uno de los más productivos; proporciona datos de gran riqueza a la comunidad científica y su imagen se utiliza, regularmente, para ambientar películas de ciencia ficción.

La próxima generación

Ahora que el VLA lleva ya más de 4 décadas activo, su propietario, el Observatorio Nacional de Radioastronomía (National Radio Astronomy Observatory, NRAO), ha emprendido un ambicioso programa valorado en 2000 millones de dólares para sustituir el instrumento por un diseño actualizado. Siguiendo la convención de la comunidad astronómica de bautizar los telescopios con nombres sumamente prosaicos, la nueva instalación se denominará Very Large Array de próxima generación (ngVLA).

No obstante, el ngVLA llevará la aplicación de la interferometría astronómica a otro nivel. Utilizará antenas individuales más pequeñas, con diámetros de 18 metros, en lugar de los 25 metros de sus antecesoras. Pero habrá muchas más; la matriz central se compondrá de 244 antenas dispuestas en una serie de brazos en espiral, emplazados en el mismo lugar donde actualmente se encuentra el VLA. Otras 30 antenas prolongarán esos brazos a lo largo de más de 1000 kilómetros en el sudoeste de los Estados Unidos, con antenas adicionales situadas en todo el territorio continental, en Hawái y en Puerto Rico para crear un telescopio virtual a escala continental.

Forma innovadora

Cuando Lutz Stenvers habló con Evolution en mayo de 2024, su equipo iba camino de Nuevo México con el primer prototipo de antena del ngVLA. Estas antenas nuevas ya no tienen la típica forma de disco. Mientras que la mayoría de los radiotelescopios utilizan un reflector circular simétrico, con los elementos receptores suspendidos sobre su centro, las antenas del ngVLA tendrán una forma más rectangular, con el receptor suspendido sobre su borde inferior. Este diseño, denominado “antena gregoriana desplazada”, ha demostrado ofrecer mayores prestaciones que una antena parabólica simétrica con las mismas dimensiones globales.

La especificación exige una precisión angular de tres segundos de arco

Lutz Stenvers, mtex antenna technology

“El diseño ofrece muchas ventajas comparado con una antena circular, pero es mucho más difícil de construir”, explica Stenvers. “La estructura de soporte de una antena circular se limita a unos cuantos anillos; para el ngVLA, necesitamos una estructura mucho más compleja”.

La estructura de soporte de la superficie del reflector desempeña un papel esencial en su rendimiento. Para mantener las imágenes enfocadas en todo momento, la estructura debe sujetar los paneles reflectores de aluminio con una precisión de fracciones de milímetro sobre una montura en movimiento continuo, y debe funcionar correctamente durante décadas, instalada a la intemperie y expuesta a fuertes vientos y a las inclemencias del tiempo.

Para complicar aún más las cosas, el proyecto ngVLA exige un diseño que pueda empaquetarse en un espacio reducido para facilitar la logística y el transporte; al mismo tiempo, debe poder ensamblarse con rapidez y precisión una vez llegado a su emplazamiento. Y como harán falta cientos de unidades idénticas, el costo también es un factor clave.

La solución de mtex consiste en utilizar una celosía de tubos de acero como soporte del reflector. Con más de 700 tubos en total, forman múltiples triángulos conectados por juntas de rótula de alta precisión enclavadas entre sí para mantener la forma final deseada. El paquete receptor, que capta las ondas de radio reflejadas, se apoya en tubos de 8 metros de largo hechos de fibra de carbono, un material elegido por su extrema rigidez.

A su vez, la antena se coloca sobre una torre de acero que alberga los motores y los sistemas de control utilizados para orientarla. Y una vez desensamblados, los componentes caben en unos pocos contenedores de transporte estándar, cada uno marcado con un código QR exclusivo. De este modo, el equipo de construcción podrá ensamblar rápidamente las piezas correctas en el orden correcto.

La vida en cámara lenta

Un radiotelescopio es, a la vez, un mecanismo y una estructura. El disco reflector y el receptor giran juntos en dos ejes para que el instrumento siga apuntando en todo momento hacia su objetivo en el cielo. Este movimiento adopta dos formas: uno lento, al desplazarse el telescopio hacia un nuevo objetivo, y otro muy lento, cuando el sistema de control realiza pequeños ajustes para compensar el viento y la rotación constante de la Tierra.

“La especificación exige una precisión angular de tres segundos de arco”, explica Stenvers. Es menos de una milésima de grado. En la Tierra, sería como acertar con un rayo láser un blanco de 1 metro de diámetro desde una distancia de 69 kilómetros.

Para lograr este nivel de exactitud, hacen falta sensores sofisticados, software de control y componentes mecánicos extremadamente precisos. Para los dos rodamientos de elevación que hacen girar el telescopio entre 12 grados y 90 grados sobre el horizonte, mtex eligió SKF como proveedor preferido.

Las dos empresas trabajan juntas desde hace unos dos años y han definido una solución de rodamientos capaz de cumplir con los requisitos del telescopio: elevada capacidad de carga, baja fricción y precisión extrema. “La solución utiliza rodamientos de rodillos a rótula SKF Explorer”, dice Juergen Blum, gerente de ventas, calidad y procesos de SKF. “Cada rodamiento tiene un diámetro exterior de 720 milímetros y pesa 290 kg. Se trata de un tipo de rodamiento que suele instalarse en grandes máquinas papeleras o equipos de minería”.

En estas aplicaciones más típicas, el rodamiento debe soportar altas velocidades, impactos y vibraciones. En un telescopio, continúa Stenvers, “está prácticamente fijo”. El telescopio plantea exigencias diferentes al sistema de rodamientos. Debe ser capaz de soportar la carga con un juego mínimo. Y su movimiento, aunque lento, debe ser suave y muy predecible.

Los equipos de diseño e ingeniería de aplicaciones de SKF llevaron a cabo un sinfín de simulaciones para encontrar la configuración más idónea del sistema. Seleccionaron un sistema de lubricación confiable, que entregaba la cantidad correcta de grasa en el momento adecuado para minimizar cualquier movimiento a tirones al poner en marcha el mecanismo de desplazamiento, y reducir la fricción y el desgaste durante el funcionamiento. Fabricaron los aros de los rodamientos con una precisión inusitada, que reduce al mínimo cualquier variación del grosor del aro, que pudiera provocar oscilaciones del eje durante el movimiento. Los rodamientos del prototipo se montan sobre manguitos cónicos especiales que permiten ajustar con precisión el juego final durante el ensamblaje y, gracias a su diseño, reducen aún más la excentricidad radial durante el funcionamiento.

Hacia la primera luz

A principios del verano de 2024, un equipo de SKF viajará a España para ayudar a mtex a instalar y ajustar los rodamientos en el prototipo del telescopio. Luego, se desmontarán y se enviarán a su destino final en Nuevo México, donde mtex pasará dos meses probando los sistemas de desplazamiento y control antes de entregar el instrumento a su cliente.

A continuación, el equipo del NRAO instalará un paquete de sensores prototipo en el instrumento, con el objetivo de tomar las primeras imágenes –un paso conocido en el mundo de los telescopios como “primera luz”– a principios de 2025. Esto dará comienzo a un período intenso de pruebas y mejoras durante 18 meses. Si todo va según lo previsto, el NRAO iniciará la producción a gran escala de antenas para el proyecto ngVLA en 2027, e impulsará un proceso de construcción que durará unos 10 años.

Para Lutz Stenvers, son tiempos apasionantes, pero también emotivos. Su padre falleció unas semanas antes de que comenzara el ensamblaje de la primera antena del ngVLA. El prototipo se llamará Telescopio Dr. Karl-Heinz Stenvers en su memoria.