Centro de Sistemas Ópticos Avanzados (CSOA)

Año de inicio
2018
    General
    Descripción

    El Centro de Sistemas Ópticos Avanzados (CSOA) es una infraestructura para la fabricación de elementos ópticos de alta calidad única en España. Esta tecnología punta es un valor en alza y, con los requerimientos necesarios en Astrofísica, está al alcance de muy pocos centros en el mundo.

    Asimismo es de interés para otros sectores, como la industria láser, optoelectrónica o solar, que requieren acabados ópticos o recubrimientos muy exigentes. Hasta ahora, las empresas e instituciones españolas debían recurrir a proveedores extranjeros, lo que supone un enorme coste y resta competitividad y capacidad para participar en colaboraciones internacionales.

    En consecuencia, esta iniciativa supone un salto de enorme relevancia para colocar a España a la vanguardia mundial de los sectores de producción e innovación de componentes ópticos.

    Objetivos Científicos

    1. Fabricar elementos ópticos complejos y con exigentes requerimientos de forma y rugosidad superficial.
    2. Desarrollo de nuevas tecnologías para espejos ultraligeros (fabricación aditiva, técnicas de replicación y generación de superficies etc...)
    3. Fabricar filtros, dicroicos y componentes ópticos e infrarrojos para satélites.
    4. Diseño y desarrollo de sensores.
    5. Atender la demanda de elementos ópticos de calidad en sectores clave de I+D+i
    6. Formación avanzada y emprendimiento en el sector óptico. 

    Fases de creación del Centro

    El proceso de creación de CSOA conlleva varias fases progresivas. Inicialmente, se están acondicionando las instalaciones para construir superficies ópticas y acabados de espejos y filtros de hasta 40 cm de diámetro. Esto permitirá la generación de la óptica de una gran cantidad de instrumentos astronómicos, tanto para proyectos en Tierra como en el espacio. Actualmente el IAC se encuentra en un proceso de adquisición de equipos de metrología, pulido y recubrimiento con el fin de completar la instalación a lo largo de 2022. En una fase posterior, se expandirá el centro de forma que se puedan fabricar espejos de hasta 1-1,5 m.

    Telescopios actualmente en funcionamiento, como el Gran Telescopio de Canarias, o el Telescopio James Webb recientemente lanzado al espacio, así como los futuros grandes telescopios, como el Telescopio de Treinta Metros (TMT), el Extremely Large Telescope (ELT) o el Nuevo Telescopio Robótico (NRT), se basan en configuraciones segmentadas formadas por hexágonos para el espejo primario. Es por ello que el CSOA será clave para dar servicio a estas infraestructuras y dotará al IAC y, por ende, a la comunidad astronómica española de unas capacidades tecnológicas al alcance de muy pocos países en el mundo. España fortalecerá así su participación en los proyectos internacionales de Astronomía más ambiciosos.

    Interior del Gran Telescopio de Canarias

    Impacto socio-económico para Canarias

    El CSOA constituye una apuesta firme por la I+D+i y la oportunidad de crear un centro de producción óptica único en España, donde apenas existe especialización en el campo de la fabricación óptica, y en una época en la que la demanda de elementos ópticos de calidad es una valor en alza. 

    El CSOA supone un nicho de oportunidades de alto valor tecnológico capaz de generar nuevas actividades empresariales y empleo de alta cualificación, lo que contribuirá a la diversificación y especialización de la economía regional. Durante el tiempo de construcción, aproximadamente 4 años, el CSOA creará nuevos puestos de trabajo altamente especializados, incluyendo personal de operación y mantenimiento. 

    La puesta en marcha del CSOA permitirá también la formación y especialización de jóvenes investigadores e ingenieros y prestará asesoramiento a emprendedores e iniciativas empresariales en el desarrollo de soluciones ópticas.

    “Instrumentación Astrofísica”, un recorrido audiovisual por la tecnología e ingeniería desarrolladas en el IAC

    Como expresó la actual consejera de Economía, Conocimiento y Empleo del Gobierno de Canarias, Elena Máñez Rodríguez, durante el último Consejo Rector del IAC celebrado en diciembre de 2021, la importancia del CSOA radica en que:

    "Estamos hablando de un claro ejemplo de cómo a través del conocimiento podemos generar actividad económica, atraer talento a Canarias y además que se creen empresas en torno al todo desarrollo que va hacer el IAC a través del CSOA. 

    Y en este contexto que estamos de reactivación económica es determinate que tengamos esas capacidades, que las mostremos y que veamos el potencial que tiene Canarias en ser un territorio puntero no sólo en turismo (que no es incompatible) pero también con grandes capacidades y grandes fortalezas para ser líderes en cuestiones como esta tan importante, como es todo ese desarrollo de la óptica avanzada". 

    Elena Máñez Rodríguez, Consejera de Economía, Conocimiento y Empleo del Gobierno de Canarias acompañada de Diana Morant, Ministra de Ciencia y Tecnología y Rafael Rebolo, Director del Instituto de Astrofísica de Canarias, durante el último Consejo Rector del IAC.
    Elena Máñez Rodríguez, Consejera de Economía, Conocimiento y Empleo del Gobierno de Canarias acompañada de Diana Morant, Ministra de Ciencia y Tecnología y Rafael Rebolo, Director del Instituto de Astrofísica de Canarias, durante el último Consejo Rector del IAC. 
    Investigador principal
    Co investigador principal
    Gestor del proyecto
    Personal del proyecto

    Diseño y Fabricación de Espejos Segmentados

    Los espejos primarios de los grandes telescopios de la clase 10 m actualmente en funcionamiento - como son el Gran Telescopio de Canarias, Keck o Salt - están diseñados con soluciones segmentadas, combinando numerosos espejos de entre 1 y 2 metros dispuestos, normalmente, en una forma hexagonal capaz de operar como única superficie.

    Así, es posible fabricar superficies colectoras de luz de gran envergadura de forma eficiente, evitando la construcción de piezas monolíticas que conlleva graves problemas en la manufactura y el manejo. Además, esta metodología es también más eficaz a la hora del mantenimiento y limpieza de los espejos. 

    Esta es la tendencia en los futuros telescopios como serán el Telescopio de Treinta Metros (TMT), el Extremely Large Telescope (ESO), y también el Nuevo Telescopio Robótico (NRT), que será el mayor de su clase.

    Mediante la explotación al máximo de la capacidad colectora de luz y llegando a precisiones en el acabado de los espejos del orden de milmillonésimas de metros, estos telescopios obtendrán unas resoluciones espaciales irrealizables hasta la fecha, pudiendo discernir detalles en sistemas planetarios lejanos o entornos de agujeros negros, por ejemplo. 

    El CSOA incluye en su planificación inicial la fabricación completa de la óptica del NRT, haciendo mucho más competitiva la participación del IAC en el proyecto. La vocación del NRT de generar estándares en varios sistemas, en particular en las soluciones ópticas adoptadas, para una generación futura de telescopios robóticos, augura una demanda de producción a la que el CSOA podrá acceder en posición de ventaja. Las capacidades del CSOA permitirán desarrollar tanto tecnología para el propio telescopio, como para la instrumentación asociada. 

    Óptica NRT

    Instalaciones

    El IAC dispone de laboratorios, salas de metrología verificación y ensamblado en condiciones de aislamiento, seguridad, limpieza y eliminación de residuos que son fundamentales en la industria óptica. El CSOA estará ubicado en las instalaciones de IACTEC y contará con el apoyo de las citadas utilidades ya existentes en el Área de Instrumentación del IAC.

    Edificio de IACTEC

    Para la fabricación, validación y experimentación con grandes superficies ópticas en condiciones adecuadas, el CSOA tendrá acceso a las salas limpias ubicadas en IACTEC y que reúnen las especificaciones técnicas necesarias para esta infraestructura. Las salas ocupan una superficie de más de 500 metros cuadrados y tienen una altura y accesos adecuados para permitir la instalación de grandes equipos. Disponen además de tomas de aire comprimido, Helio y Nitrógeno. Se dispone también de zona de almacenaje que sirve como espacio para la manipulación y organización de las maniobras. Con ayuda de plataformas hidráulicas se pueden transportar piezas del tamaño y peso soportados por la maquinaria del Centro. 

    Maquinaria y Equipamiento

    La fabricación de gran óptica requiere de equipos completos de generadora, pulido y recubrimiento. El IAC se encuentra ahora mismo en proceso de adquisición e instalación de este tipo de maquinaria en su sede central y el nuevo edificio de IACTEC. 

    • Equipos de Generadora y Pulido

    Incluyen máquinas de control numérico de 7 ejes que permiten el pulido de precisión de substratos con tamaño de hasta 1,6 metros de diámetro. Este tipo de equipos permiten realizar una gran variedad de superficies ópticas que incluyen superficies planas, cóncavas, convexas, esféricas, cónicas y freeform, cubriendo las necesidades de los grandes telescopios. También adaptar instrumentación de metrología óptica tales como interferómetros y perfilómetros. 

    Igualmente, estos equipos están especialmente diseñados para la fabricación de los espejos de configuración segmentada que se utilizan en los grandes telescopios astronómicos, donde los acabados deben ser del orden de nanómetros y la calidad de los bordes de los espejos excepcional. 

    Los avances en este tipo de técnicas y el desarrollo de herramientas específicas, permite realizar un proceso de desbastado y un pulido de precisión en zonas muy concretas de las superficies ópticas con una presión controlada sobre el substrato. Además, el software con el que cuentan admite la programación de secuencias de trabajo.

    Pulido_superficie_optica

    Metrología y verificación

    Igual de importante en todo este proceso es la metrología, verificación y validación de los elementos ópticos que se realizan en paralelo a la propia fabricación. La calidad, rigurosidad y precisión con la que se lleven a cabo y la adecuación de los procedimientos empleados, determina de forma inequívoca fiabilidad de la óptica producida.

    • Equipos de recubrimiento

    El proceso de recubrimiento de la superficie dota a un elemento óptico de las propiedades de protección, reflectancia y transmitancia requeridas. Este campo ha experimentado un gran avance propiciando mejoras en la obtención de láminas de muy alta calidad y homogeneidad en grandes superficies ópticas.

    El mejor conocimiento de las propiedades físicas y químicas de las películas, superficies, interfaces y microestructuras ópticas, así como los avances en instrumentación analítica, han contribuido a estos avances. 

    La técnica más prometedora en este campo a día de hoy es el bombardeo (sputtering) con control magnético. El equipo adquirido está formado por una cámara de alto vacío y un conjunto de diversos materiales tanto metálicos como dieléctricos provenientes de unos blancos. Este sistema permite trabajar con sustratos muy grandes y sin limitaciones en la posición espacial del mismo. Un conjunto de soportes en forma de árbol permiten colocar grandes substratos que pueden ser rotados por un único mecanismo. Además, es posible realizar el recubrimiento de varios elementos ópticos simultáneamente.

    También se ha adquirido una segunda máquina basada en la técnica de evaporación por filamento con cañones de electrones e iones. 

    Capital Humano 

    El IAC cuenta con un equipo de ingeniería y personal técnico que ha ido creciendo a lo largo de cuatro décadas y ha sido capaz de abordar retos de diseño de instrumentación tanto de los telescopios mas relevantes en Tierra (GTC, VLT, ELT) como en el espacio (ISO, Euclid, Plato), compitiendo internacionalmente con los mejores del sector. 

    En particular, el Departamento de Óptica ha realizado contribuciones decisivas en el diseño de elementos ópticos para estas instalaciones. Abordar un desafío de estas características se apoyará, desde luego, en esta gran experiencia, así como en la captación y formación de nuevo talento. 

    El CSOA prevé establecer un equipo técnico altamente capacitado que será el responsable del control y manejo de la instalación y la producción de los espejos y resto de elementos ópticos de diferentes proyectos.

    Actualmente, está en curso la capacitación del personal y la colaboración con instituciones y empresas europeas (como Elettrorava en Italia, Microtest en Francia o Glyndwr Innovations en Reino Unido) que ya cuentan profesionales y equipos en este campo. Igualmente, se formará personal investigador en áreas tales como el uso de nuevos materiales y técnicas de producción para aligeramiento de espejos. 

    Imagen de Alba Peláez, ingeniera de IACTEC, durante la puesta a punto del montaje de pruebas para la medida del centro de gravedad del instrumento DRAGO

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