Centro de Sistemas Ópticos Avanzados (CSOA)

Año de inicio
2018

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    General
    Descripción

    El Centro de Sistemas Ópticos Avanzados (CSOA) es una infraestructura única en España para la fabricación de elementos de óptica de precisión. Una tecnología de vanguardia que impulsa la astrofísica con estándares de calidad rigurosos, accesibles solo para unos pocos centros a nivel global.

    Además, es relevante para sectores como la industria láser, optoelectrónica o solar, que requieren acabados ópticos y recubrimientos altamente exigentes. Hasta ahora, las entidades españolas se veían obligadas a depender de proveedores extranjeros, lo que ha supuesto un enorme coste y una limitación a la competitividad y la capacidad de participar en colaboraciones internacionales.

    Sin embargo, con el surgimiento del CSOA, esta situación ha cambiado, permitiendo a España afirmarse como un líder en tecnología óptica y mejorar su posición en la arena internacional.

    Objetivos Científicos

    • Óptica para grandes telescopios. Los grandes telescopios requieren la fabricación de decenas de espejos complejos con rigurosos estándares de acabado superficial.
    • Instrumentación para Telescopios: CSOA destaca en la producción de elementos ópticos complejos, como filtros, dicroicos, sensores y componentes ópticos e infrarrojos, con altos requerimientos de forma y rugosidad superficial.
    • Aligeramiento de espejos. CSOA desarrolla técnicas innovadoras para espejos ultraligeros mediante fabricación aditiva y técnicas de replicación y generación de superficies.
    • Formación y emprendimiento. Además de ser un centro de fabricación, CSOA capacita jóvenes investigadores e ingenieros para concebir soluciones ópticas innovadoras.
    • Demanda de óptica de precisión. Atendiendo necesidades cruciales en sectores clave como la industria láser, energías renovables, captación de luz solar y medicina, CSOA asegura un retorno científico y tecnológico de calidad.

    Instalaciones y equipamiento

    El CSOA se erige como una plataforma integral, dividida en tres laboratorios interconectados que impulsan la innovación y la excelencia en la óptica de precisión, CSOA 0.5, CSOA 1.5 y un laboratorio de metrología de precisión. Cada uno de estos laboratorios está enfocado en un tipo de labor.

    El laboratorio CSOA 0.5, ubicado en la sede central del IAC en La Laguna, se concentra la fabricación de elementos ópticos y telescopios de hasta 500 mm de diámetro. Desde la generación y corte de piezas hasta el pulido y el recubrimiento, cada etapa crucial se realiza con precisión y la experiencia de un equipo altamente capacitado que ha participado en proyectos de gran relevancia.

    CSOA 1.5 es un laboratorio que se dedica al pulido y recubrimiento de elementos ópticos de mayor envergadura, alcanzando diámetros de hasta 1,5 metros. Emplazado en una de las llamadas salas limpias de IACTEC, equipadas con los recursos técnicos y plataformas hidráulicas necesarias para manipular y transportar componentes de gran tamaño y peso y con una maquinaria de vanguardia que garantiza la calidad y la precisión requeridas.

    El laboratorio de metrología se ocupa de la verificación y validación de la calidad del acabado de los elementos ópticos y desempeña un papel esencial en la cadena de producción.

    Laboratorio de metrología visto a través de un soporte

    Elementos ópticos para telescopios e instrumentos

    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. El CSOA es esencial para brindar soporte a estas estructuras, capacitando al IAC y a la comunidad astronómica española con tecnologías de alta precisión y rigurosos acabados. Esto refuerza la capacidad nacional de participar en ambiciosos proyectos astronómicos.

    Además, esta instalación tiene un impacto significativo al fortalecer la participación del IAC y de la comunidad astrofísica española en la creación y desarrollo de instrumentación para grandes telescopios que requieren de una gran precisión en la captación, dirección, transmisión de la luz recolectada, optimizando su análisis según los objetivos de investigación.

    NRT: El primer telescopio con óptica fabricada íntegralmente por CSOA

    El emocionante proyecto del New Robotic Telescope (NRT) marca un hito en la historia del IAC y CSOA al ser el primer telescopio segmentado en el que se asumen todas las etapas de la fabricación de los elementos ópticos, desde la generación y el corte hasta el recubrimiento y la metrología. Diseñado para capturar fenómenos astronómicos de rápida evolución, el NRT no solo representa una revolución en la exploración del cosmos, sino que también refuerza la posición del IAC como líder en la producción de componentes ópticos de excelencia al establecer nuevos estándares en el diseño de telescopios. Este proyecto simboliza la dedicación de CSOA a la innovación, posicionándolo como experto en esta nueva frontera tecnológica que luego beneficiará a futuros proyectos y colaboraciones.

    New Robotic Telescope NRT

    Más allá de las estrellas

    Además de la óptica de telescopios y la instrumentación astrofísica, la tecnología avanzada desarrollada por CSOA tiene un alcance amplio en una variedad de campos de investigación y aplicaciones industriales. Estas capacidades de fabricación de precisión y control óptico no solo benefician la astronomía, sino que también encuentran aplicaciones en áreas como la energía solar, la tecnología médica, la industria láser, las comunicaciones ópticas y otras áreas de I+D+i.

    La tecnología médica, por ejemplo, se beneficia de la precisión requerida en la fabricación de elementos ópticos, que puede ser fundamental para equipos de diagnóstico y tratamiento de alta calidad. En la industria láser, donde los acabados precisos son esenciales, las capacidades de CSOA pueden contribuir al desarrollo de dispositivos láser más eficientes y potentes. Asimismo, las comunicaciones ópticas, que dependen de la transmisión de señales de luz, también pueden aprovechar las técnicas de fabricación y recubrimiento de CSOA para mejorar la transmisión y recepción de datos.

    CSOA se encuentra en una posición única para establecer colaboraciones interdisciplinarias con proyectos de I+D+i en estos y otros campos. Estas colaboraciones brindan una oportunidad de retorno científico y tecnológico que produce un beneficio mutuo.

     

    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 precisión es un valor en alza. Por ello CSOA genera un significativo efecto positivo en el entorno socio-económico de la región de Canarias.

    Generación de Empleo y Formación: CSOA se erige como un creador de empleo altamente especializado. La formación y capacitación de personal local en las áreas de óptica y fabricación avanzada asegura un flujo constante de expertos cualificados en un sector en constante evolución.

    Valoración y Transferencia Tecnológica: CSOA lidera la valoración y transferencia de tecnología al establecer colaboraciones con proyectos de I+D+i. Esta dinámica facilita la aplicación práctica de avances científicos y tecnológicos, beneficiando directamente a la región.

    Colaboraciones con Proyectos de I+D+i: CSOA se posiciona como un referente en el ámbito de la óptica de precisión, atrayendo el interés de proyectos de Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+i) para establecer convenios de colaboración, contribuyendo activamente a la creación y mejora de soluciones avanzadas. A través de estas colaboraciones estratégicas, CSOA se integra en consorcios interdisciplinarios que impulsan la innovación en diversos campos.

    Interior del Gran Telescopio de Canarias

    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 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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      Gutiérrez de La Cruz
      11 Jun 2021 - 15:50 Europe/London
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