Las aleaciones de titanio se están convirtiendo cada vez más en el material elegido para las estructuras de soporte centrales de los telescopios astronómicos. - Noticias

La selección de materiales para estructuras de soporte de espejos de gran-apertura está cambiando de Invar y C-SiC aaleaciones de titanio. Gracias a sus características de deformación extremadamente bajas, las aleaciones de titanio se están convirtiendo en el material elegido para estas estructuras.

¿Por qué aleación de titanio? Una métrica clave que se pasa por alto
A medida que las aperturas de los telescopios astronómicos crecen cada vez más, los requisitos de precisión de las figuras de superficie están superando los límites físicos. Para el espejo primario de un telescopio de ondas gravitacionales espacial-, la precisión de la superficie requerida es RMS menor o igual a λ/50-lo que significa que las desviaciones de la superficie deben controlarse dentro del rango de poco más de diez nanómetros. A esta escala, incluso la más mínima desviación dimensional en la estructura de soporte se magnifica y genera distorsión de la imagen. Al seleccionar materiales para tales estructuras, la práctica convencional se centra en la densidad, el módulo de Young y el coeficiente de expansión térmica. Sin embargo, en este contexto específico, entra en juego una métrica más fundamental: el micro-nivel de rendimiento. Mientras que el límite elástico estándar describe la tensión a la que un material sufre una deformación plástica significativa, el límite elástico micro- mide la tensión que un material puede soportar mientras experimenta solo una tensión residual del orden de una parte por millón. La evaluación del material realizada por el Battelle Memorial Institute para el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA reveló que, entre numerosos candidatos, la aleación de titanio de grado 5 (GR5) ofrece la relación más alta entre micro-límite elástico y densidad, con un microlímite elástico de aproximadamente 480 × 10⁶ N/m². Las estructuras de soporte deben soportar el peso del conjunto del espejo durante largos períodos; Si el material sufre una fluencia plástica continua e irreversible a nivel microscópico, la figura de la superficie del espejo se "desviará" lentamente. Para un telescopio diseñado para funcionar de manera estable durante varios años, dicha deriva es mucho más perjudicial que la deformación instantánea. En última instancia, el valor de la aleación de titanio reside en su capacidad para mantener la estabilidad dimensional durante toda su vida útil.

Condiciones de funcionamiento térmico: la coincidencia de CTE es solo el punto de partida
Mantener una figura de superficie precisa en diferentes condiciones térmicas es el desafío principal en el diseño de soportes de espejos. La aleación de titanio de grado 5 (GR5) tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) de aproximadamente 9,1 × 10⁻⁶ K⁻¹, una densidad de 4,4 g/cm³ y un módulo elástico de aproximadamente 109 GPa. En comparación con Invar o compuestos de carbono/carburo de silicio, el CTE de GR5 no es particularmente bajo. Sin embargo, la selección de materiales de ingeniería nunca es una competencia basada en una única métrica. En el diseño de soporte central para un espejo primario de cerámica de vidrio- de Φ500 mm, tanto el casquillo como el manguito de soporte están hechos de aleación de titanio, con una capa adhesiva flexible que conecta el cuerpo del espejo a la estructura de soporte. Las simulaciones indican que bajo un cambio de temperatura uniforme de 40 grados, la precisión de la figura de superficie (RMS) se mantiene dentro de 4,2 nm y la frecuencia fundamental del conjunto supera los 53 Hz. La capa adhesiva juega aquí un papel fundamental: alivia la carga del propio peso del espejo y al mismo tiempo absorbe las tensiones térmicas causadas por la falta de coincidencia del CTE entre la aleación de titanio y la cerámica de vidrio. El valor de la aleación de titanio GR5 no radica en tener el CTE "óptimo", sino en permitir-mediante un diseño de interfaz racional-el control de la tensión térmica dentro de límites aceptables y al mismo tiempo proporcionar suficiente rigidez estructural. Esto representa un enfoque de ingeniería a nivel de sistemas-en lugar de una simple sustitución de materiales.

Dos configuraciones: bisagras flexibles y estructuras de celosía integradas
En términos de diseño estructural específico, las aleaciones de titanio se utilizan en sistemas de soporte de espejos en más de una forma, con diferentes configuraciones estructurales que reflejan distintas filosofías de diseño. Bisagras flexibles-que utilizan la flexibilidad para superar la rigidez. En el proyecto del telescopio de medición de precisión de 1,93-metros liderado por el Instituto de Óptica y Tecnología Astronómica de Nanjing (NIAOT) de la Academia de Ciencias de China, el equipo de investigación reemplazó los tradicionales rodamientos de bolas autoalineables por bisagras de flexión de diafragma dual- de Ti-6Al-4V (GR5). Esta modificación redujo la fuerza parásita axial en el espejo primario de 60 N a 2,5 N. Con el soporte lateral en pleno funcionamiento, el espejo primario logró una precisión de figura de superficie de 4,15 nm RMS y 24 nm PV, cumpliendo consistentemente con el requisito de diseño de RMS menor o igual a λ/35 en un amplio rango de temperaturas de -30 grados a 30 grados. La combinación de un alto límite elástico y un módulo elástico relativamente bajo en las aleaciones de titanio permite que las bisagras de flexión logren un posicionamiento preciso dentro del rango elástico sin introducir fricción ni holgura. Estructuras integradas de celosía-y-piel-que minimizan el peso mediante un diseño hueco. Esto representa uno de los enfoques más innovadores de los últimos años. En un proyecto que involucra un gran-espejo espacial en voladizo para un sensor remoto aeroespacial, el Instituto 508 de la Academia China de Tecnología Espacial (CAST) colaboró con la Universidad Jiao Tong de Shanghai. Emplearon optimización de topología para determinar la macroconfiguración, utilizando una red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) para la estructura interna y una piel exterior para el recinto. La estructura de soporte resultante pesaba sólo 6,5 kg, manteniendo la masa total del conjunto del espejo por debajo de 16,5 kg. Los resultados de las pruebas mostraron una rotación del espejo de menos de 6 segundos de arco y un desplazamiento del cuerpo rígido de menos de 0,02 mm, ambos dentro de las tolerancias para errores de alineación óptica.

Resumen
Desde micro-límite elástico y bisagras de flexión hasta estructuras reticulares impresas-en 3D, el valor de las aleaciones de titanio en sistemas de soporte de espejos de gran-apertura se extiende mucho más allá de la mera sustitución de materiales. Lo que realmente permiten es la viabilidad de ingeniería de lograr una precisión de la figura superficial a nivel nanométrico-en condiciones que implican amplios rangos de temperatura y funcionamiento a largo plazo-. Para la industria del titanio, el éxito en este campo no depende de la capacidad de producción, sino de la capacidad de traducir las propiedades del material en soluciones de diseño estructural.

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