El científico de la NASA William Zhang ha creado y probado una técnica para fabricar materiales livianos, espejos de rayos X de alta resolución que utilizan silicio, un material comúnmente asociado con los chips de computadora.

Zhang, un astrofísico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, ha demostrado en pruebas repetidas que el silicio monocristalino, un Elemento frágil no metálico utilizado en la fabricación de chips de computadora:funciona excepcionalmente bien como óptica de rayos X.

Dado el costo de construir observatorios espaciales, cuyo precio solo aumenta a medida que se hacen más grandes y pesados, el objetivo es desarrollar ópticas livianas fácilmente reproducibles, sin sacrificar la calidad. Según Zhang, el uso de silicio les daría a los astrofísicos de rayos X lo que siempre han deseado:peso ligero, espejos superdelgados que ofrecen un área de recolección significativamente más grande y una resolución drásticamente mejorada, todo a un costo reducido, Dijo Zhang.

Hasta la fecha, nadie ha creado un espejo de rayos X que aborde todos estos objetivos de rendimiento. Es más, nadie ha pulido y calculado el silicio para la óptica de rayos X, que debe estar curvado y anidado dentro de un ensamblaje en forma de recipiente para recolectar fotones de rayos X de alta energía. Con esta configuración especial, Los rayos X rozan las superficies de los espejos, como cuando un guijarro arrojado roza la superficie de un estanque, en lugar de atravesarlos.

Silicio, que no se deforma incluso cuando se corta o se expone a temperaturas fluctuantes, ofrece una solución viable, Dijo Zhang. "Hemos ejecutado nuestros procedimientos de creación de espejos muchas veces, ", agregó." Estos representan los mejores espejos de rayos X livianos de todos los tiempos. Como una cuestión de hecho, de todos los espejos de rayos X astronómicos que se han producido y volado, solo los de Chandra son mejores, " él 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 la Tecnología de Astrofísica Estratégica de la NASA. Él y su equipo planean seguir avanzando en la tecnología no convencional en preparación para una futura misión de rayos X.

Viejo en la fabricación de espejos

Zhang no es un recién llegado al negocio de la fabricación de espejos.

Hace quince años, se propuso desarrollar una herramienta menos costosa técnica más eficiente para fabricar espejos de rayos X livianos. Él tuvo éxito. Hace cuatro años, entregó 9, 000 superdelgado, espejos de vidrio curvo para la matriz de telescopios espectroscópicos nucleares de la NASA, o NuSTAR, misión utilizando una técnica de fabricación novedosa en la que colocó piezas delgadas de vidrio disponible comercialmente en un mandril y calentó todo el ensamblaje dentro de un horno, un proceso llamado decaimiento. Mientras el vidrio se calentaba, se ablandó y dobló sobre el mandril para producir un espejo curvo que la Universidad Técnica Danesa con sede en Copenhague luego recubrió con capas de silicio y tungsteno para maximizar su reflectancia de rayos X.

Llevándolo al límite

Aunque Zhang probó la técnica y produjo miles de espejos de resolución modesta ideales para NuSTAR, Zhang se dio cuenta de que había llevado el enfoque hasta su límite. "Pasé un par de años tratando de mejorar el vidrio desplomado. Aproveché todo el kilometraje que pude".

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

Sin que él lo supiera, otro tecnólogo de Goddard, Vince Bly, ya había investigado el uso del material, finalmente produciendo un espeso, espejo de repuesto liviano para el sensor infrarrojo térmico construido por Goddard, uno de los dos instrumentos desarrollados para la Misión de Continuidad de Datos Landsat de la NASA. Aunque la misión no usó el espejo porque la óptica nunca había volado al espacio, Bly dijo que las pruebas indicaron que ofrecía una opción viable.

Cuando Zhang se enteró del trabajo de Bly, él y Bly comenzaron a trabajar juntos, beneficiándose de la experiencia del otro. "Usó lo que habíamos hecho para resolver su propio problema, "Dijo Bly.

Silicio sin estrés

La clave, ambos dijeron, radica en el material en sí. Materiales tradicionales para hacer espejos:vidrio, cerámica, y metales:sufren de un alto estrés interno, especialmente cuando se corta o se expone a temperaturas cambiantes. Estas tensiones se vuelven cada vez más impredecibles a medida que el espejo se vuelve más delgado.

"El silicio monocristalino es un material excelente para fabricar espejos de rayos X para vuelos espaciales, ", Dijo Zhang." Es económico y está disponible en abundancia debido a la industria de los semiconductores. Es más, es un material perfecto. Es inmune a las tensiones internas que pueden cambiar la forma de los espejos de rayos X hechos de vidrio ".

Esto se debe a que cada átomo está dispuesto en una configuración de celosía, lo que evita que el material se deforme incluso cuando se corta o se le da forma. En otras palabras, si una hoja de madera contrachapada estuviera hecha de silicona, sería perfectamente plano e inmune a deformaciones, él dijo.

Aprendido de la caída

El nuevo proceso de Zhang surge de lo que aprendió a través de la caída del vidrio, él dijo. Toma un bloque de silicona y lo calienta para eliminar cualquier estrés que pueda haber surgido de su manipulación. Con una sierra de cinta crea la forma aproximada y utiliza otras herramientas de mecanizado y productos químicos para pulir y refinar aún más la superficie del bloque. Como rebanar queso, Luego corta un sustrato delgado que mide solo una fracción de pulgada de espesor del bloque y pule la superficie. El último paso es recubrir los segmentos individuales con iridio para mejorar la reflectancia.

Con su financiación de la NASA, Zhang y su equipo están perfeccionando técnicas para alinear y unir 6, 000 segmentos de espejo para formar meta-carcasas que se integrarían dentro de un conjunto de espejo proyectado para pesar alrededor de 200 libras y medir solo 1.6 pies de altura. Por último, le gustaría crear seis meta-shells y automatizar el proceso de alineación.

"Haciendo ligero, alta resolución, espejos de rayos X relativamente económicos se ha convertido en el trabajo de mi vida, "Zhang dijo, refiriéndose a su búsqueda para desarrollar un encendedor, espejo de rayos X más capaz. "Cuando comencé a desarrollar espejos hace 15 años, Pensé que lo terminaría en un par de años. Quince años después Todavía estoy en eso "Dijo Zhang.