La gran ciencia necesita innovaciones en el vacío

La tecnología del vacío será crucial para el éxito de muchos experimentos grandes en el futuro. Joe Herbert esboza algunos retos comunes a los que se enfrentan los científicos.

La siguiente generación de experimentos grandes de ciencia, tales como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN (LHC) y el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER), dependerán de sistemas de vacío que colocan la tecnología de hoy al límite en términos de volumen y capacidad de bombeo. Otros, tales como el Láser Europeo de rayos-X de Electrones Libres (XFEL), requerirá unas condiciones de vacío extremadamente limpias, mientras que la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) involucrará el lanzamiento de sistemas de vacío al espacio.

Túnel del LHC

El reto principal para los científicos del vacío que trabajan en tales experimentos es cómo proporcionar un entorno de vacío adecuado a un coste razonable. Cómo se logra esto depende de cada proyecto. Este suplemento se centra en los retos específicos asociados con cada uno de estos cuatro proyectos.

Aunque estos experimentos son todos muy distintos, tienen un conjunto similar de retos para los científicos del vacío. Esto incluye comprender los requisitos de vacío de los experimentos y cómo afectará su diseño mecánico al sistema de vacío; trabajar con las distintas incertidumbres de los parámetros operacionales del equipo de vacío; fabricar y procesar los componentes de vacío; y encontrar gente lo bastante capaz para construir y operar el sistema.

Muchos de los primeros retos surgen debido a los diseñadores del experimento – los físicos que finalmente usarán la instalación como herramienta de investigación – que pueden no saber lo que se requiere para sus sistemas de vacío. Los investigadores tienden a solicitar el mejor vacío posible, incluso aunque puede que no sea necesario. Una sobreespecificación lleva a un gasto innecesario, el cual puede evitarse si los científicos de vacío tienen un buen conocimiento inicial de cómo se verá influenciado el experimento por las condiciones de vacío. Incluso si los requisitos de vacío están bien definidos, puede ser muy difícil calcular con algún grado de precisión la presión que puede esperarse en las posiciones importantes de un gran sistema de vacío. Deben tenerse en cuenta muchas incertidumbres e incluso un mínimo cambio en el diseño puede hacer una gran diferencia en las condiciones de vacío. Como resultado un diseño pasa a menudo por distintas iteraciones antes de que se logre un vacío satisfactorio.

Los científicos de vacío deben también comprender las limitaciones y demandas que se impondrán al sistema de vacío por el diseño físico del experimento. Por ejemplo, los materiales exóticos pueden elegirse por sus propiedades mecánicas, térmicas o eléctricas, incluso aunque las características de vacío del material no sean bien conocidas. Medir las propiedades térmicas de un escape de gas de tales materiales y encontrar, procesar y limpiar recipientes para reducir las fugas a un nivel satisfactorio puede llevar una buena cantidad de tiempo. Las fugas de gas son un reto significativo para los que construyen el ITER, por ejemplo. Los sistemas de vacío para este proyecto deben manejar cargas de gas de muchos miles de componentes que se fabrican a partir de materiales especializados que tienen que arreglárselas en el duro entorno del interior de un dispositivo de fusión.

Los aceleradores de partículas, como el LHC y el XFEL, normalmente se alojan en túneles donde hay poco espacio para bombas de vacío. Además, la enormes longitudes de muchos aceleradores modernos (casi 27 km en el caso del LHC) pueden imponer severas restricciones a las velocidades de bombeo. En el LHC este problema se alivió mediante un recubrimiento NEG (non evaporable getter), que convirtió los muros de las cámaras de vacío en bombas.

Otro reto es el equipo de vacío en sí mismo, el rendimiento del cual a menudo no está bien definido. Por ejemplo, las velocidades de bombeo de las bombas UHV pueden no conocerse para unas pocas especies de gases. Para complicar aún más las cosas, bombas similares pueden lograr distintas velocidades, dependiendo de cuánto se ha usado una bomba concreta en el pasado. Los estándares de vacío pueden también tener un efecto principal sobre el vacío – especialmente a muy bajas presiones – y su estabilidad a menudo deja bastante que desear. Puede ser que los requisitos especiales de una gran instalación no encajen con el equipo comercial y los nuevos sistemas que deben desarrollarse. Esto habitualmente implica extender la tecnología existente en lugar de tener que desarrollar algo desde cero.

Una vez que el diseño se ha especificado, los componentes deben ser fabricados y preparados, a menudo usando materiales y métodos que rozan el límite, o incluso van más allá de las capacidades de la industria del vacío. La garantía de calidad es un reto básico, y el proyecto a menudo tiene que proporcionar los protocolos, personal y equipamiento necesarios. No es necesario decir que los proyectos grandes requieren una gran cantidad de detalles en el diseño, fabricación, y capacidad de procesado, además de mantener un registro detallado. El reto final es el de encontrar gente con la suficiente experiencia y formación que entienda verdaderamente el vacío. No es un arte oscuro, pero tampoco una ciencia exacta.

Descarga una versión digital completa del suplemento Vacuum Challenges and Solutions (Soluciones y Retos del Vacío) aquí (PDF, 5MB).


Autor: Joe Herbert
Fecha Original: 30 de julio de 2007
Enlace Original

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