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El sistema de enfriamiento criogénico de la instrumentación del TMT pasa a la fase final de diseño

 

 

Pasadena, CA  El Telescopio de Treinta Metros ha alcanzado en mayo otro hito crítico en su desarrollo, con la exitosa reunión de cierre de la Revisión de Diseño Conceptual del Sistema de Enfriamiento Criogénico (CRYO). La revisión en línea se centró en la finalización de las recomendaciones que surgieron de la Revisión de Diseño Conceptual de CRYO[i] celebrada en agosto de 2018.

El comité se mostró encantado con el trabajo presentado en la revisión y anunció que CRYO estaba listo para proceder a la siguiente fase del proyecto. La tecnología desarrollada y el diseño general del sistema han demostrado un logro significativo, lo que significa que el sistema CRYO está bastante maduro para avanzar directamente a una fase combinada de Diseño Preliminar y Final. “El éxito de este esfuerzo realmente muestra lo bien que un proceso distribuido puede funcionar conjuntamente en TMT, con contribuciones de China, Canadá y la Oficina de Proyectos en Pasadena, para producir un resultado integral al final”, dijo Brent Ellerbroek, Gerente del Paquete de Trabajo CRYO de TMT.

El Telescopio de Treinta Metros requiere un sistema de enfriamiento criogénico de la instrumentación diseñado para mantener las partes críticas de los instrumentos científicos de infrarrojos (IR), como los detectores y los componentes ópticos, a temperaturas criogénicas (por debajo de 180 K). El sistema CRYO está diseñado para proporcionar refrigeración a los instrumentos utilizando nitrógeno líquido (LN2).

Dos de los instrumentos científicos de primera luz del TMT (primera luz: cuando el telescopio empieza sus operaciones científicas), el Espectrógrafo de Imágenes Infrarrojas (IRIS) y el Espectrógrafo de Infrarrojos de Alta Resolución Limitado por Difracción de Objetos Múltiples (MODHIS), están diseñados para observaciones en el infrarrojo cercano (en longitudes de onda en el rango de [1-2,5] m) y requieren una temperatura operativa de hasta 77 K, que corresponde al punto de ebullición del LN2, en el cambio de fase de líquido a gas.

La sensibilidad de los instrumentos de infrarrojo cercano del TMT se ve fuertemente afectada por el calor ambiental, que genera un fuerte ruido térmico de fondo a estas longitudes de onda. Por ello, es necesario mantener los elementos ópticos críticos dentro de grandes cámaras de vacío, o criostatos, y el sistema CRYO mantiene todos los elementos sensibles a la temperatura a baja temperatura para reducir su huella térmica en el infrarrojo. El IRIS y el MODHIS tendrán la capacidad de detectar la luz infrarroja cercana de fuentes astronómicas débiles a través de la cálida atmósfera terrestre.  El otro instrumento de primera luz del TMT, el Espectrógrafo Óptico de Campo Ancho (WFOS), operará en longitudes de onda visibles, pero seguirá requiriendo que sus detectores sean enfriados por el CRYO. La siguiente figura muestra la interfaz entre el CRYO y los subsistemas del TMT de primera luz.

El sistema CRYO utilizará su propia planta de LN2, incluyendo una instalación de separación de aire y licuadores de nitrógeno ubicada dentro del edificio de instalaciones de la cumbre, que está adyacente al recinto del telescopio. Este edificio albergará el equipo necesario para proporcionar energía eléctrica, agua fría para la refrigeración del equipo, aire acondicionado diurno, aire comprimido y otros servicios necesarios para las operaciones del TMT.

La instalación también proporciona espacio para el equipo industrial de gran tamaño requerido por varios subsistemas del TMT que no pueden ser ubicados en el telescopio debido a la excesiva masa, vibración o disipación de calor. Este equipo se encuentra principalmente en un espacio llamado cuarto de servicio, donde se generará el LN2, luego se almacenará en el depósito de almacenamiento situado en el mismo lugar y, finalmente, se conducirá por el cable azimutal del telescopio a los tanques, o Dewars, montados en cada plataforma Nasmyth. Estos Dewars se usarán diariamente para rellenar Dewars más pequeños de LN2 para cada instrumento que requiera temperaturas de operación criogénica.

Todas las operaciones diarias de rutina de CRYO serán automatizadas tanto como sea posible. El sistema CRYO proporcionará controles para validar la preparación de cada instrumento para aceptar una transferencia de LN2, y luego iniciar y gestionar la transferencia de líquido criogénico.

 

Renderización de los sobres del sistema de enfriamiento criogénico de TMT (CRYO) en la estructura del telescopio Nasmyth Platforms.  Diagrama de la disposición de las envolturas espaciales CRYO (en azul) en las plataformas Nasmyth. CRYO proporcionará refrigeración de nitrógeno líquido a los instrumentos de primera luz – Crédito de la imagen: TMT International Observatory

 

Para prevenir el deterioro de la calidad de la imagen del TMT debido a la vibración del telescopio inducida por la transferencia de fluido criogénico a los instrumentos de la ciencia, el rellenado de los Dewars LN2 tendrá lugar durante el día. “De esta manera, el sistema CRYO no producirá vibraciones durante las observaciones científicas, y el objetivo es transferir el LN2 durante cuatro horas cada mañana”, añadió Ellerbroek.

 

El Sistema de Enfriamiento Criogénico (CRYO) de TMT, de nitrógeno líquido (LN2), se desplaza a lo largo del Túnel de Servicio. La figura muestra la ruta del LN2 comenzando en Dewar A en la planta de generación de LN2 situada en las proximidades del túnel de servicio, una estructura subterránea diseñada para proporcionar un pasaje para todos los servicios en el telescopio – Crédito de la imagen: TMT International Observatory

 

Los participantes en el examen del diseño conceptual evaluaron las prestaciones ambientales y técnicas del sistema CRYO, así como sus requisitos funcionales y operacionales. Los documentos presentados a los examinadores proporcionaron diseños muy detallados del equipo necesario en el edificio de servicios ubicado en la cumbre, y la tubería de la refrigeración desde la sala de servicios hasta el telescopio.  Se han analizado todos los componentes necesarios para generar, almacenar y transportar el LN2 a los instrumentos científicos del TMT. El sistema CRYO es ahora robusto y práctico, con una clara noción de la cantidad exacta de refrigeración que se necesitará. El TMT producirá unos 480 litros de LN2 al día para enfriar los instrumentos de primera luz. Además, los aspectos de seguridad han sido bien desarrollados. Las limitaciones para producir y almacenar grandes cantidades de LN2 son bien conocidas para evitar fugas, o mitigar sus impactos, sin crear un problema de seguridad para las personas.

El trabajo fue apoyado por el desarrollo de un prototipo, construido por el equipo de instrumentos científicos del IRIS, que construyó una escala media del Dewar que se utilizará para almacenar LN2 para el enfriamiento del IRIS. El informe de estas actividades, incluyendo el análisis térmico y las pruebas del prototipo de Dewar del IRIS, y su subsistema de auto-relleno de nitrógeno líquido, dio resultados emocionantes sólo unos meses antes de la revisión del CRYO. Los futuros trabajos de prototipos se centrarán en las pruebas de aceleración de la vida útil de las tuberías flexibles aisladas al vacío en las que el líquido criogénico se transfiere a través de la envoltura del cable del telescopio. Se espera que la vida media de las líneas de cable sea de unos 10 años. El diseño del sistema CRYO también incluye una línea de repuesto que se utilizará automáticamente como reserva en caso de que se detecte una fuga.

Algunos instrumentos científicos de segunda generación incluirán detectores de infrarrojo medio (incluso más sensibles al fondo térmico que el IRIS o el MODHIS), que requerirán helio comprimido como refrigerante criogénico. La actualización de la arquitectura CRYO, sus conceptos de diseño y los requisitos asociados para enfriar los instrumentos de segunda generación de TMT mediante Helio comprimido, ya están en desarrollo.

“El diseño del sistema CRYO de TMT va mucho más allá de una etapa conceptual y la calidad de la revisión es un ejemplo de los altos estándares establecidos dentro del Proyecto TMT”, dijo Gelys Trancho, Líder del Grupo de Ingeniería del Sistema TMT, durante el informe del comité de revisión.

 

Captura de pantalla de los participantes en la Revisión del Diseño Conceptual del Sistema de Enfriamiento Criogénico del TMT – Desde arriba a la izquierda: Eric Chisholm (Jefe del Grupo de Instrumentos Científicos de TMT), Gelys Trancho (Jefe del Grupo de Ingeniería de Sistemas de TMT), Sergio Fernández Acosta (GTC), John Miles (Ingeniero Superior de Sistemas de Instrumentación de TMT), Brent Ellerbroek (Ingeniero Superior de Instrumentación de TMT), Oliver McIrwin (GMTO), Fengchuan Liu (Jefe del Departamento de Instrumentación de TMT), David Ashby (GMTO) – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional de TMT

 

 

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