En la sala limpia: la cámara de vacío térmica abierta con el modelo estructural del satélite CHEOPS.

La Gran Pirámide de Giza, construida en honor al faraón Keops, es la más antigua de las siete maravillas antiguas del mundo. En Berna, Suiza, sin embargo, el nombre de Keops se asocia ahora con una maravilla mucho más moderna. El proyecto CHEOPS - abreviatura de CHaracterising ExOPlanet Satellite - está dirigido por el Centro para el Espacio y la Habitabilidad de la Universidad de Berna en colaboración con la Agencia Espacial Europea. Dentro de unos pocos años, este observatorio fotométrico nacido de un satélite proporcionará una valiosa ayuda en la búsqueda de planetas capaces de sustentar la vida. La capacidad espacial del sistema se evalúa mediante pruebas automatizadas realizadas con tecnología avanzada de B&R.

El eclipse solar visto en Suiza en marzo de 2015 todavía está fresco en la mente de la gente. Un eclipse de sol ocurre cada vez que la luna pasa entre la Tierra y el sol. Durante un eclipse total, la luna cubre aproximadamente el 70% de la superficie del sol. Lo mismo ocurre cuando cualquier planeta pasa delante de su estrella vista desde la Tierra. En este caso, sin embargo, mucho menos del 1% de la superficie de la estrella está cubierta, causando sólo un pequeño descenso en la intensidad de su luz. El telescopio CHEOPS está diseñado para medir esta desviación y utilizarla para calcular el diámetro del planeta que pasa.

Antes de que cualquier nuevo satélite sea lanzado, debe ser probado a fondo en condiciones similares a las del espacio. En estrecha cooperación con B&R, el Centro para el Espacio y la Habitabilidad (CSH) en Berna ha construido una cámara de pruebas de vacío térmico totalmente automatizada para este propósito.

El proyecto CHEOPS

En el CSH, un equipo de 20 empleados trabaja duro desarrollando, construyendo y probando CHEOPS bajo la dirección del Prof. Willy Benz y el director del proyecto Dr. Christopher Broeg. El proyecto CHEOPS es el primer proyecto de satélites en el que la responsabilidad recae exclusivamente en manos suizas. Varias universidades y agencias espaciales diferentes participan en diversas capacidades. La Sociedad Alemana de Aeronáutica y Astronáutica (DGLR) y el Instituto de Investigación Espacial (IWF) en Graz, Austria, son responsables de los subsistemas eléctricos, por ejemplo.

El objetivo del telescopio es investigar planetas conocidos que giran alrededor de estrellas distantes más allá de nuestro sistema solar. Conocidos como exoplanetas, se identifican de antemano mediante observaciones terrestres utilizando una técnica llamada espectroscopia Doppler. Los datos sobre el tamaño adicional generados por CHEOPS permitirán a los investigadores deducir la densidad de los planetas y la probable composición del gas, la roca y el hielo. La esperanza es que esto identifique qué planetas tienen más posibilidades de albergar vida. Con los futuros telescopios, puede que algún día sea posible buscar más de cerca a los mejores candidatos para encontrar signos específicos de vida. El satélite CHEOPS está programado para ser lanzado en 2017.

Estudiando los dibujos técnicos en la pantalla de la sala blanca.

La cámara de vacío térmico

Antes de que el satélite sea enviado a la órbita, necesita probar que es apto para la tarea. Después de todo, estará sujeto a algunas condiciones bastante extremas. El telescopio y el satélite que lo lleve tendrán que soportar un vacío de 10-7 milibares y temperaturas que van de -80°C a +165°C. Para simular estas condiciones, la Universidad de Berna desarrolló una cámara de vacío térmica. Midiendo 2 por 4 metros, la cámara puede contener toda la plataforma del satélite y el telescopio.

Los diversos componentes de la cámara de vacío -bombas de desbaste, turbo bombas, cubiertas térmicas, termostatos de Huber, un simulador solar y radiadores de nitrógeno líquido- deben ser frecuentemente reconfigurados con nuevos ajustes en el curso de las pruebas. También es increíblemente importante proteger el equipo que se está probando. Sólo el modelo estructural del satélite que se está probando actualmente vale más de medio millón de dólares.

Los requisitos

La cámara de vacío térmico está situada en una sala limpia para proteger los elementos ópticos sensibles. Como es imposible entrar en la sala limpia sin contaminar el aire altamente purificado, la cámara de pruebas debe ser automatizada al máximo para minimizar la necesidad de interferencia humana.

Cuando se trataba de seleccionar los componentes de automatización, la atención se centraba en la fiabilidad, la seguridad, la limpieza y la flexibilidad. También sería necesario conectarse a un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) de más alto nivel, así como dejar abiertas las interfaces para una futura expansión. En aras de establecer una asociación fructífera, también era importante que el proveedor proporcionara un apoyo excelente y se interesara por el tema científico. Después de la evaluación de varios proveedores, la elección se inclinó a favor de B&R.

El laboratorio de pruebas

Cuando se enciende la cámara de vacío térmico, su primera tarea es generar un vacío. Lo hace abriendo todas las válvulas correspondientes y activando la bomba de desbaste, que crea un vacío inicial de 10-2 milibares. Posteriormente, 2 bombas turbo refinan aún más el vacío. Una vez que se ha establecido un vacío suficiente, se generan las temperaturas necesarias utilizando las cubiertas térmicas y el simulador solar.

Alrededor de 150 sensores de temperatura proporcionan información sobre la distribución de la temperatura en el interior de la cámara y en la superficie del objeto de prueba. Si el objeto se calienta demasiado, la temperatura debe reducirse para evitar daños al satélite y a sus componentes electrónicos. Ahora la cámara está lista para examinar la tensión en el objeto de prueba causada por las variaciones extremas de temperatura. Como son de vidrio, los espejos del telescopio no se expanden de la misma manera que los soportes mecánicos. Esto resultaría ser graves daños. Por lo tanto, es muy importante medir cómo el área alrededor de los espejos se ve afectada por las condiciones del espacio para determinar cómo compensar adecuadamente.

La temperatura también se monitoriza en la carcasa exterior de la cámara de vacío térmico. La carcasa está equipada con un sistema de calefacción que puede activarse para evitar la condensación.

La solución de automatización se divide en 6 subsistemas, lo que permite una colocación óptima de los componentes y reduce el número de cables necesarios.

La arquitectura de la solución de automatización de B&R

La solución de automatización de B&R está compuesta por el sistema X20 con una CPU X20CP3586, así como por un controlador SafeLOGIC X20SL8100 con redundancia de cable, una combinación de módulos de E/S estándar y de seguridad para la supervisión de la temperatura y las válvulas y una interfaz para las bombas turbo. El uso del protocolo OPC UA permite conectarse con el sistema SCADA de nivel superior.

Dividir la solución en 6 subsistemas permitió colocar una parte de los componentes de automatización en una sala de máquinas al lado de la sala limpia y redujo el número de cables necesarios. La reducción considerable del número de componentes en la sala blanca también contribuye al nivel de pureza del aire. Además del controlador, el armario de control dentro de la sala limpia también alberga las interfaces en serie y Ethernet, así como la unidad para evaluar las mediciones de presión recibidas a través de una interfaz en serie. El controlador en sí mismo funciona sin ventilador y no genera polvo. Los componentes también han demostrado ser tan limpios, que ni siquiera fue necesario incluir un filtro en el armario de control. El sistema funciona con un terminal de B&R en la sala blanca. Aquí es donde se fijan las temperaturas y se evalúan los resultados.

Recientemente, la solución de prueba de la unidad de B&R fue añadida para comprobar el sistema de automatización al principio de cada serie. La programación se hace en C o C++, los lenguajes predominantes en el instituto.

Para determinar si los satélites están preparados para su despliegue en el espacio, se prueban en una cámara de vacío térmico manual. Esta cámara funciona con un controlador y otros módulos del sistema X20 de B&R.

El equipo de laboratorio del futuro

"La modularidad, flexibilidad y capacidad en tiempo real que ofrecen las soluciones de automatización de B&R son la razón por la que son tan valoradas en el ámbito académico", dice Severin Oeschger, responsable de los sistemas de automatización en la cámara de vacío térmico de la Universidad de Berna. "El servicio fiable de B&R, la cooperación activa en I+D y el gran interés en la ciencia y la investigación fueron también factores decisivos en nuestra decisión de asociarnos con ellos en este y otros proyectos". Con el objetivo de estandarizar las arquitecturas y consolidar los proveedores para minimizar los gastos generales, el Centro para el Espacio y la Habitabilidad y la División de Investigación Espacial y Ciencias Planetarias de la Universidad de Berna equiparán los nuevos equipos de laboratorio y las futuras ampliaciones con componentes de B&R siempre que sea posible.

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