Los elementos químicos del telescopio espacial James Webb
Uno de los instrumentos más esperados de la historia de la astronomía está también a punto de convertirse en el mayor acontecimiento espacial de los últimos años. El próximo 22 de diciembre, como si de un preludio de la Navidad se tratara, será lanzado el telescopio espacial James Webb (JWST). Viajará al espacio en un cohete Ariane 5 desde el puerto espacial europeo de Kourou, en la Guayana Francesa, donde ahora mismo se encuentra preparado para su lanzamiento. El telescopio, con un espejo principal tan grande que no hay actualmente ningún cohete capaz de alojarlo abierto, saldrá al espacio plegado en la punta del cohete y se abrirá una vez en órbita. Se situará, aproximadamente, en el denominado punto de Lagrange 2, a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra.
Tres son la agencias espaciales que colaboran en este proyecto: NASA (EE.UU.), ESA (Europa) y CSA (Canadá). El JWST, sucesor del Hubble, y unas 100 veces más potente que éste, está equipado con un espejo principal (primario) de 6,5 m de diámetro (siete veces más grande que el espejo del Hubble-2,4 m diámetro-) y con potentes instrumentos para realizar observaciones en el infrarrojo. Es un telescopio llamado a desencadenar una revolución en el ámbito de la astronomía similar a la que desató el mencionado Hubble.
Durante cinco años como mínimo, y se espera que sean 10, el James Webb examinará la primera luz del universo y los objetos que se formaron poco después del Big Bang. Además, investigará cómo se formaron y evolucionaron las galaxias, el nacimiento de estrellas y sistemas planetarios, así como las propiedades de planetas extrasolares. También buscará huellas químicas de vida en satélites como Encélado y la composición de las atmósferas de los exoplanetas, que podrían revelar biofirmas de vida extraterrestre.
Durante los 10 años planeados deberá funcionar con las mismas cámaras y espectrógrafos con los que se lance, ya que a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra se encontrará fuera del alcance de operarios espaciales. En el caso del Hubble, por ejemplo, los astronautas de los transbordadores de la NASA han podido repararlo y renovar sus instrumentos porque se encuentra en una órbita terrestre situada a unos 600 km de altura.
Los componentes principales del JWST son los correspondientes a la parte de observación óptica, barrera solar, instrumentos científicos y plataforma de ensamblaje y sujeción. Esta última, también denominada bus, es el componente que alberga y une las diferentes partes y piezas (computación, comunicación, estructurales…) del telescopio. Los instrumentos científicos que se integran en el conjunto son una cámara infrarroja (NIRCam), un espectroscopio de IR cercano (NIRSpec), un espectroscopio de IR medio (MIRI) y un estabilizador para las observaciones científicas (FGS/NIRISS). La barrera solar involucra un gran parasol que bloquea la luz y el calor procedentes principalmente del Sol. Por último, en lo relativo a los componentes ópticos, dispone de un espejo primario formado por 18 segmentos hexagonales, además de otros espejos curvos secundarios y terciarios cuya funcionalidad implica evitar las aberraciones ópticas.
Y si nos preguntamos cómo y cuál ha sido la contribución de los elementos químicos en la construcción del JWST, además de cuáles de ellos son los mayoritarios y principales constituyentes del telescopio, la respuesta se puede detallar como sigue:
– BERILIO (Be)
El berilio es un elemento ligero, rígido y dimensionalmente estable. Estas tres propiedades son las que los científicos han considerado para, así, construir los 18 segmentos del espejo primario, con una masa total, incluidos los soportes, de 705 kg a base de este elemento.
Se trata de uno de los metales más ligeros, únicamente por detrás de otros metales alcalinos y alcalinotérreos (Li, K, Na, Ca, Rb y Mg). Si lo comparamos con otro tipo de elementos metálicos como, por ejemplo, el aluminio, su densidad ( d(Be) = 1848 kg/m3) es, aproximadamente, 2/3 de la de este último (d(Al) = 2700 kg/m3). Los cohetes necesitan grandes cantidades de combustible, razón que avala la importancia de las medidas de ahorro en lo concerniente al peso total que han de transportar.
Es unas 6 veces más rígido que el acero y mucho más que metales como el titanio o el aluminio. Esto significa que puede soportar ciertos esfuerzos sin sufrir grandes deformaciones, lo cual lo convierten en un elemento ideal como componente estructural.
Además, mantiene sus dimensiones y forma en un intervalo de temperaturas muy amplio. Esto queda reflejado en su coeficiente de dilatación térmica, es decir, en el valor del cambio en sus dimensiones lineales y, por tanto, volumen, cuando su temperatura cambia en una unidad de grado. En el caso del Be este parámetro es relativamente pequeño; concretamente el correspondiente a la dilatación lineal es 11,3 ºC-1. Este valor es del mismo orden (incluso ligeramente inferior) que el del hierro (11,8 ºC-1) o el acero (11,5 ºC-1), pero claramente inferior al de metales como el Al, Ag, Au… Dada la temperatura tan extremadamente baja a la que el telescopio estará sometido en el espacio exterior, esta cualidad del berilio lo convierte en un elemento de enorme interés como constituyente estructural de los espejos.
A pesar de tratarse el berilio de un elemento excepcionalmente útil, no solo en aplicaciones aeroespaciales, también en instalaciones nucleares debido, en este último caso, a que suma la cualidad de ser transparente ante las radiaciones electromagnéticas, sin embargo, es bastante frágil, por lo que su tratamiento mecánico requiere un cuidado extremo. Esta última cualidad junto con la circunstancia de su poca abundancia (ocupa la posición nº 51 en orden de abundancia de los elementos de la corteza terrestre), lo convierten en un elemento caro. La mina más rica en mineral de berilio se encuentra en el sur de Salt Lake City, en Utah (EE.UU.). En la mina, de roca volcánica, existe una capa de ceniza depositada hace millones de años, integrada en la cual se encuentra el mineral de Be. La mayoría del elemento se extrae de aquí; el 90 % del total del año pasado procede de este yacimiento. El mineral se encuentra mezclado con el polvo volcánico a bastante profundidad, y la concentración no rebasa el 0,25 % en masa. Pero previamente a la obtención del berilio puro se necesita mover grandes cantidades de roca para llegar a la veta; después, una vez tratado el mineral y obtenido el Be en polvo, éste ha de ser tratado para conseguir bloques sólidos. Los 18 espejos hexagonales del James Webb comenzaron siendo bloques de Be de dimensiones 150 cm x 150 cm x 60 cm. El resultado final para el telescopio supuso extraer unas 20 toneladas de roca de la mina de Utah para conseguir cada tonelada de mineral de berilio y, a partir de esa cantidad, 2,5 kg, aproximadamente, de Be puro.
– ORO (Au)
Los espejos de berilio del James Webb están cubiertos, en la cara que recibirán la luz, con una finísima (microscópica) capa de oro. En total las 18 piezas llevan 48,25 g de oro. Si considerásemos que la masa promedio de oro en un anillo de compromiso fuera de 7 g, comprobaríamos que el telescopio no lleva más oro que el correspondiente a unos 7 anillos, pero la funcionalidad y los logros que se conseguirán con la utilización de esta pequeña cantidad de este metal serán extraordinarios.
Normalmente nuestros espejos y telescopios como el Hubble, así como cualquiera de los terrestres, utilizan aluminio o plata como material reflectante, pero el James Webb operará de manera diferente, ya que no estudiará la parte visible del espectro electromagnético sino que observará el Universo en el IR cercano y en el medio, es decir, a longitudes de onda más largas que las correspondientes al VIS. Son varias las razones que avalan esto; una de las principales es el hecho de que los planetas y estrellas se forman en regiones llenas de polvo, y el IR es la parte perfecta del espectro para ver a través del polvo. El oro juega entonces un papel esencial como elemento reflectante ya que sobresale frente a otros elementos en lo relativo a su capacidad para reflejar la radiación IR: el Au refleja un 99 %, frente a la Ag y el Al que lo hacen con un 95 % y 85 %, respectivamente.
Además, el oro se trata de un metal noble y, como tal, es muy poco o nada reactivo con la mayoría de sustancias. Esta cualidad asegurará su imposibilidad para oxidarse u originar otro tipo de reacciones químicas en el espacio que pudieran afectar al óptimo funcionamiento del telescopio.
El oro se encuentra ampliamente distribuido, normalmente incluido o asociado a otros minerales. Suele extraerse a partir de las corrientes fluviales que discurren desde laderas de montañas y volcanes.
Como ya quedó mencionado antes, otra de las piezas fundamentales en el JWST es el parasol que lo protege de la luz y el calor del Sol. En otros telescopios o naves espaciales en el pasado, se utilizaron refrigeradores o recipientes criogénicos que contenían helio o nitrógeno líquidos, de duración limitada. Sin embargo, en el caso del JWST, el enfriamiento se consigue a través de esta barrera física. De hecho esta barrera es uno de los componentes más críticos y complejos del James Webb. Está constituida por una estructura de cinco capas con forma de diamante. Su diseño responde a la necesidad de ser plegado alrededor de los dos lados del telescopio y encajar dentro de los límites de su vehículo de lanzamiento, el cohete Ariane 5. Totalmente desplegado mide aproximadamente 21 m x 14 m; su superficie total supera la de una cancha de tenis.
Los telescopios infrarrojos requieren mantenerse a temperaturas extremadamente bajas (menor T cuanto mayor sea la longitud de onda de la radiación) para, así, detectar débiles señales de calor de objetos distantes en el universo. Uno de los lados del parasol siempre reflejará la luz y el calor de fondo del Sol, y también lo procedente de la Tierra y la Luna. Se conseguirá de este modo que la parte óptica y algunos de los instrumentos científicos del telescopio se mantengan a una temperatura mínima de unos 233-236 ºC bajo cero, que es la que soportará el lado del parasol expuesto al espacio profundo, mientras que la temperatura máxima de la capa más externa que mira al Sol será de 110 ºC. MIRI, el espectrómetro de IR medio, incluye un refrigerador criogénico lleno de helio para mantenerlo a 266 ºC bajo cero, tan solo 7 grados por encima del cero absoluto.
Las cinco capas del parasol están hechas a base del polímero Kapton y recubiertas con aluminio, que refleja el calor del Sol . Las dos capas que, en la parte orientada al Sol, soportarán mayores temperaturas, tienen también un recubrimiento de silicio dopado para protegerlas de la intensa radiación UV solar.
El KAPTON consiste en una película de poliimida (C, H, N, O) desarrollada por la empresa multinacional de origen estadounidense Dupont, a finales de la década de 1960. Se trata de un material con excelentes propiedades mecánicas y elevadas resistencias térmica y química. En lo concerniente a la resistencia térmica está comprobado que se mantiene estable en un rango de temperaturas muy amplio, de -269 ºC a 400 ºC, lo cual demuestra la idoneidad de este material como componente estructural del parasol del telescopio. Es un polímero con una tradicional y amplia trayectoria en aplicaciones aeroespaciales. Un ejemplo: la sección inferior del módulo lunar del Apolo 11 estaba recubierta con un envoltorio dorado formado por varias capas a base de Kapton y recubrimiento de oro.
En cuanto a los recubrimientos de aluminio y silicio:
– ALUMINIO (Al)
Es este un elemento químico utilizado con frecuencia como material de protección solar en vehículos y dispositivos aeroespaciales. Varias son las propiedades que lo hacen apto para esta aplicación y, concretamente, para el parasol del JWST: es un metal poco denso; resistente a la corrosión; muy maleable (puede laminarse sin fracturarse); y, por último, muy buen reflector de la radiación térmica. En otros elementos distintos al protector solar del James Webb también se valora la relativa facilidad con la que se consigue aumentar su resistencia mecánica (es un metal blando) aleándolo con otros metales.
– SILICIO (Si)
También este elemento, sus compuestos y el tratado con otros elementos dopantes (“silicio dopado”) han constituido frecuentes materiales de uso en la ingeniería aeroespacial.
El silicio presente en algunas de las capas del parasol del James Webb es silicio dopado. El silicio es un semiconductor; su conductividad se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas dopantes. Algunos elementos de los grupos 13 (Boro, Galio) y 15 (Fósforo, Arsénico), de la Tabla Periódica, son los utilizados para dopar este elemento. El dopaje es una técnica utilizada para variar el número de electrones y huecos en los elementos semiconductores. Pueden crearse dos tipos de materiales, N y P, según que los dopantes sean átomos de elementos del grupo 15 o del 13, respectivamente. Ambos incrementan la conductividad del semiconductor mediante el aumento del número de electrones (N) o de huecos (P) en la red atómica. Las propiedades excepcionales del Si en los ámbitos de la electricidad y la electrónica se consiguen mediante lo que se denomina “unión PN”.
La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio junto con su abundancia en la naturaleza (es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre; solo superado por el oxígeno) han posibilitado el desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados de amplio uso en la industria electrónica.
En el caso del JWST, la existencia de silicio dopado en una parte del parasol conseguirá rechazar la radiación UV solar, que podría causar importantes daños en el telescopio.
Para conocer algo más acerca de los elementos químicos tratados hasta aquí, y también de cualquiera de los elementos químicos de la Tabla Periódica, pueden visitarse nuestras “Tabla Periódica Gigante” y “Vídeo-Tabla Periódica”.
