Motores DC Brushless de Faulhaber en astrobots para la detección de cuerpos celestes

“Caso de éxito: Los motores DC Brushless de Faulhaber se han incorporado en 500 astrobots, ofrecen una precisión micrométrica y una elevada calidad”

Durante los próximos cinco años el proyecto SDSS V quiere observar y analizar cuatro millones de estrellas y 300.000 agujeros negros. Así como reconstruir historias de evolución cósmica y verificar los modelos físicos de la galaxia.

En este proyecto internacional se utilizarán dos telescopios ópticos de gran tamaño situados en el hemisferio norte y sur, donde la luz de los cuerpos celestes se recogerá mediante fibra óptica. La alineación extremadamente precisa de cada una de las fibras correrá a cargo de 500 pequeños robots accionados por motores DC Brushless de FAULHABER.

SDSS significa “Sloan Digital Sky Survey” y es una alianza cooperativa de astrofísicos de todo el mundo. El año pasado el mapa 3D más grande del universo, marcando así un hito en la investigación astronómica. Equipados con numerosos telescopios y otros instrumentos científicos, los investigadores trabajan constantemente en una amplia gama de proyectos. El último de ellos es SDSS V, cuyo objetivo la comprensión de los procesos físicos del espacio exterior. El proyecto hará posible la “primera observación espectroscópica de todo el cielo en varias dimensiones astronómicas de tiempo en el espectro de luz óptica e infrarroja”. En total, se observarán más de seis millones de objetos.

Cómo se forman los planetas

Uno de los objetivos de este proyecto es reconstruir la historia de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Los investigadores planean remontar la formación de los elementos químicos y descifrar el funcionamiento interno de las estrellas. Además de examinar la formación de los planetas y responder a muchas de las preguntas abiertas que quedan en relación con los agujeros negros.

Otro aspecto es la cartografía de las masas de gas interestelar de la Vía Láctea -mil veces más precisa que antes- para describir los “mecanismos de autorregulación de los ecosistemas galácticos”. Los datos relacionados con los agujeros negros y para la medición de la Vía Láctea serán recogidos por dos telescopios a gran escala: Apache Point en Nuevo México y Las Campanas en Chile.

“Con la doble perspectiva del hemisferio norte y sur, podemos ver el cielo en todas direcciones”, explica Jean-Paul Kneib, profesor de astrofísica de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza). “También hemos utilizado los dos telescopios en los proyectos SDSS anteriores. Con SDSS V estamos dando ahora un verdadero salto cuántico en cuanto a la eficacia de la observación y la cantidad de datos recogidos.”

Detección y avistamiento de supernovas

En los telescopios hay fibras ópticas que apuntan a objetos específicos del universo. Se pueden observar y analizar con precisión estrellas o los discos de acrecimiento de los agujeros negros. “Antes, teníamos que mandar fabricar placas especiales para cada una de las diferentes tareas de observación. Cada placa tardaba varias semanas en prepararse. A continuación, el montaje de las fibras se aseguraba en la placa a mano, un proceso muy complejo y que requería mucho tiempo”, informa Jean-Paul Kneib.

Con la nueva tecnología desarrollada específicamente para SDSS V, el reajuste de las fibras llevará minutos en lugar de semanas. Porque ahora las fibras se ajustan mediante 500 pequeños astrobots en cada uno de los dos telescopios. Esto también permite a los investigadores responder inmediatamente a acontecimientos cósmicos imprevistos.

Si, por ejemplo, otros telescopios descubren un acontecimiento actual, como una supernova, uno de los elementos ópticos puede alinearse con él prácticamente sin retardo. Esto permite un análisis detallado de los procesos físico-químicos en un lapso de tiempo de desarrollo de la supernova que antes no era posible con este tipo de instrumentación.

Motores DC Brushless con precisión micrométrica

Cada uno de los astrobots consta de dos cilindros compactos colocados longitudinalmente con una extensión curva en el extremo delantero. El cilindro psoterior, más grueso, se fija en el disco del telescopio. Forma la unidad alfa y hace girar el eje central del robot. La unidad beta está montada excéntricamente en su parte frontal. Ésta mueve las puntas de las fibras del extremo curvo en una trayectoria circular.

Mediante la combinación de los dos movimientos axiales, las puntas de las fibras pueden colocarse libremente dentro de un área circular. Cada círculo cubierto por uno de los robots se solapa parcialmente con los círculos de las unidades adyacentes. Y, cada punto del cielo puede así ser apuntado automáticamente.

El astrobot dispone de tres fibras ópticas. Una está diseñada para la luz en el espectro visible y otra para el espectro infrarrojo. La tercera se utiliza para la calibración. Gracias a ello, las puntas de las fibras se colocan en posición en tres pasos con una precisión de apenas unos micrómetros. En una primera alineación, los dos motores giran hasta que la fibra destinada a la observación se dirige al objetivo con una desviación de 50 micrómetros. Una cámara situada en el telescopio y dirigida a los extremos frontales de los robots detecta ahora la punta de la fibra de calibración y mide su posición. En dos pasos de posicionamiento, el cabezal del robot se coloca en su posición con una precisión superior a cinco micrómetros.

Investigación más rápida

“Gracias al ahorro de tiempo que supone la alineación automática, podemos observar muchos más objetos y realizar un mayor número de mediciones individuales”, explica Jean-Paul Kneib. “Este efecto se eleva a una potencia aún mayor gracias a la alta precisión.

El diámetro de las fibras ópticas es de 100 micrómetros. El diámetro del punto luminoso de un objeto cósmico es igual de grande. Cuanto más alineadas estén entre sí estas dos pequeñas superficies, mayor será la potencia luminosa de la que dispondremos para nuestras mediciones y más rápido obtendremos resultados válidos”.

Los motores DC brushless y los reductores de FAULHABER, así como la mecánica desarrollada específicamente para esta aplicación por MPS, filial de FAULHABER, proporcionan los requisitos técnicos previos para esta precisión extrema. Los dos ejes del robot están accionados por servomotores DC brushless de la serie 1218 … B para el eje alfa y de la serie 0620 … B para el eje beta. Los dos primeros dígitos de la designación del tipo indican el diámetro de los micromotores: doce y seis milímetros. Su fuerza se transmite a la mecánica del robot mediante reductores planetarios adecuados.

La mecánica robótica utilizada ha sido desarrollada y construida por MPS. Los codificadores integrados comunican al controlador la posición giratoria de los motores.

Precisión sin holguras

“Para conseguir la precisión necesaria, tuvimos que eliminar la holgura del sistema”, explica Stefane Caseiro, responsable del diseño de los componentes en MPS. Los ingenieros lo consiguieron, entre otras cosas, mediante la sustitución del acoplamiento convencional entre los ejes de los reductores y los ejes mecánicos del robot por conexiones de brida, y la instalación de un muelle de compresión para que los reductores no tengan holgura. «Solamente localizar los muelles adecuados nos llevó varios meses», recuerda el ingeniero de MPS.

La búsqueda del proveedor adecuado para este desarrollo técnico llevó menos tiempo al equipo del profesor Kneib. “No hay ni siquiera unos pocos fabricantes en todo el mundo que puedan producir los micromotores con la calidad y durabilidad requeridas”, afirma el astrofísico. “FAULHABER estaba, por supuesto, en la lista de empresas a las que solicitamos un presupuesto. Ya habíamos colaborado con éxito con MPS en un proyecto anterior. La proximidad física a estos especialistas es, por supuesto, también una ventaja. Además de la excelente calidad y las buenas experiencias mutuas, un argumento muy decisivo fue que FAULHABER, junto con su filial MPS, puede suministrarlo todo desde una sola fuente”.

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