Tecnologías chinas ayudan al radiotelescopio FAST a “escuchar” el espacio profundo

Telescopio Esférico de Apertura de Quinientos Metros (FAST), provincia de Guizhou. (Foto: VCG)

Cuando un radiotelescopio gigante apunta hacia las profundidades del universo, se convierte en un "oyente" sensible, capaz de captar señales débiles de objetos celestes distantes en medio del vasto ruido del espacio. Estas señales revelan pistas sobre el universo, y las tecnologías utilizadas para capturarlas también pueden ayudar a las estaciones terrestres a rastrear naves espaciales en misiones en el espacio profundo.

Este viernes, el Telescopio Esférico de Apertura de Quinientos Metros (FAST), ubicado en la provincia de Guizhou, celebró su décimo aniversario. Como una de las instalaciones de observación astronómica más vitales del mundo, el FAST ha logrado una serie de descubrimientos de influencia internacional en campos de investigación clave que abarcan púlsares, galaxias de hidrógeno neutro, ráfagas de radio rápidas y ondas gravitacionales.

Detrás de este aumento en los descubrimientos científicos se encuentra la creciente autosuficiencia de las tecnologías que hacen posible su funcionamiento. Cuando el FAST fue construido, muchos componentes clave dependían de importaciones. Durante la última década, su equipo ha desarrollado alternativas nacionales para componentes básicos que incluyen estaciones totales láser, actuadores, cables de acero para la cabina de alimentación y amplificadores de bajo ruido.

Hacer que un plato gigante se mueva

Según el CETC, dos sistemas principales que desarrolló —los paneles reflectores del FAST y su cabina de alimentación junto con la plataforma de estacionamiento— son cruciales para el rendimiento del telescopio.

El reflector es el corazón de la capacidad de detección del FAST. Desde arriba, su apertura de 500 metros se asemeja a un plato gigantesco, con un área colectora de unos 250.000 metros cuadrados.

Pero el FAST no es simplemente un plato gigante estacionario. Su reflector puede cambiar activamente de forma, formando una parábola de 300 metros de diámetro dentro de la estructura esférica de 500 metros para rastrear diferentes objetivos celestes.

Las 4.450 unidades reflectoras triangulares están compuestas a su vez por unos 100 subpaneles triangulares más pequeños cada una, con longitudes laterales de alrededor de 1,1 metros. El perfil de la superficie debe controlarse con una precisión de nivel milimétrico para formar la curvatura requerida.

"El reflector está compuesto por unidades activas que pueden cambiar de forma. Hay casi 400 tipos de unidades reflectoras y más de 6 mil tipos de subpaneles", explicó Zheng Yuanpeng, diseñador jefe del sistema reflector del FAST en la Academia de Redes y Comunicación del CETC.

"El ensamblaje tomó casi un año", agregó.

Los paneles también están perforados con agujeros de 5 milímetros, lo que les otorga una relación de área abierta del 50 por ciento. Este diseño permite que el FAST reciba ondas de radio en un amplio rango de frecuencias al tiempo que reduce el peso estructural y la carga del viento. También permite que la luz solar y el agua de lluvia pasen a través de él, ayudando a proteger la vegetación y el terreno que está debajo del telescopio.

A medida que el reflector cambia de forma, la cabina de alimentación debe moverse simultáneamente hacia el nuevo punto focal, con una precisión de posicionamiento a nivel milimétrico.

La cabina de alimentación es como la pupila gigante del ojo del FAST hacia el universo, definió el CETC.

"Aunque parece un objeto pequeño colgando dentro del plato gigante, la cabina de alimentación es en realidad una estructura de 13 metros de ancho y 6 metros de alto que pesa unas 30 toneladas", indicó Fu Qiang, diseñador jefe adjunto del sistema de la cabina de alimentación.

Suspendida por seis cables de acero, se moverá dentro de un espacio de más de 200 metros de diámetro y de 140 a 180 metros por encima del suelo, manteniendo los receptores del interior prácticamente inmóviles.

"El FAST es un proyecto científico nacional importante. La cabina de alimentación es quizás el sistema que mejor demuestra tanto los desafíos científicos como de ingeniería involucrados", afirmó Fu.

Tras extensas pruebas, el equipo desarrolló un sistema de ajuste de precisión de dos etapas que permite que la cabina se mueva rápidamente mientras mantiene los receptores posicionados con precisión milimétrica.

La cabina de alimentación también debe proporcionar un blindaje electromagnético extremadamente alto. De lo contrario, las señales generadas por sus propios sistemas electrónicos podrían mezclarse con las débiles señales cósmicas que el FAST intenta detectar.

"Después de años de avances técnicos, el equipo ha llevado el rendimiento de blindaje electromagnético del FAST a 160 decibelios", exclamó con orgullo Fu. Este logro cumple con los requisitos de rendimiento del proyecto y garantiza un funcionamiento estable.

El impulso hacia la autosuficiencia se extiende más allá del reflector y la cabina de alimentación del FAST.

El 15 de junio, seis cables de acero gigantes desarrollados íntegramente en China se instalaron en el FAST, completando el reemplazo nacional de los cables en su sistema principal accionado por cables. Los cables actúan como los "músculos" que tiran de la cabina de alimentación de 30 toneladas para colocarla en su posición, informó CCTV News.

Tras unos dos años de uso, los cables importados presentaron problemas, mientras que el soporte técnico del proveedor extranjero no estaba disponible. Por lo tanto, el equipo del FAST desarrolló un reemplazo nacional, optimizando el acero, la estructura del cable y el proceso de fabricación para soportar flexiones repetidas y cargas cambiantes, al tiempo que extendía significativamente su vida útil por fatiga.

El mismo esfuerzo se ha extendido a los componentes electrónicos.

China ha desarrollado de forma independiente amplificadores de gama alta para la radioastronomía de frecuencia media y baja, logrando un rendimiento líder a nivel internacional a un costo sustancialmente menor. Desde entonces, la tecnología se ha aplicado a BINGO, una colaboración entre China y Brasil para detectar señales de oscilación acústica de bariones.

Ilustración de cómo las ondas de radio de la Luna llegan a la Tierra. Cortesía del 16º Instituto de Investigación de CETC

Un "superoído" en el frío extremo

El FAST puede ser el "ojo" gigante, pero un telescopio también necesita un "oído" extraordinariamente sensible.

Durante la visita al Instituto No.16 de Investigación de CETC, la conversación del reportero con los investigadores centró la atención en una tecnología: la criogenia.

Un receptor criogénico de banda ancha desarrollado ya está instalado dentro de la cabina de alimentación del FAST, donde desempeña un papel fundamental en la recepción y el procesamiento de las señales de radio extremadamente débiles que llegan del universo.

Según el Instituto No.16, el receptor criogénico es un componente central que le otorga a un radiotelescopio su "superaudición", el "nervio auditivo" más sensible en las profundidades del telescopio.

En pocas palabras, su trabajo es amplificar y filtrar señales que son casi imposibles de escuchar, presentándolas de la manera más completa y limpia posible.

El receptor funciona a temperaturas cercanas al cero absoluto. Su amplificador de bajo ruido de extremo delantero puede operar a unos 15 kelvins, aproximadamente -258 °C.

Los teléfonos móviles, enrutadores y radios de automóviles contienen receptores. Entonces, ¿por qué los receptores utilizados en la exploración lunar y la radioastronomía necesitan operar a temperaturas cercanas a los -258 °C? La respuesta es simple: reducir el ruido.

A medida que los electrones se mueven en su interior, todos los dispositivos electrónicos generan ruido térmico. Cuanto más cálido es el dispositivo, más fuerte tiende a ser el ruido de fondo. Una señal extremadamente débil proveniente del espacio profundo quedaría ahogada por el ruido generado por el propio receptor.

Es como intentar escuchar a alguien susurrar al otro lado dentro de un estadio abarrotado. Un receptor criogénico silencia eficazmente el estadio antes de utilizar un micrófono ultrasensible para captar el susurro. Sus ventajas clave son un menor ruido, mayor sensibilidad y una mayor resistencia a las interferencias.

Al mismo tiempo, la capacidad de banda ancha del receptor en el FAST ha ampliado significativamente su cobertura de frecuencia, proporcionando soporte técnico para la observación y el estudio de púlsares, ráfagas de radio rápidas y otros fenómenos astrofísicos. También ha abierto nuevas posibilidades para la búsqueda de púlsares, estudios del medio interestelar y otras áreas de radioastronomía, ayudando a los científicos a explorar una gama más amplia de procesos astrofísicos.

Escuchando a través del espacio profundo

La misma tecnología de recepción criogénica utilizada en el FAST también se implementa en la red de Interferometría de Muy Larga Línea de Base (VLBI) de China, donde ayuda a mejorar la precisión de la determinación de la órbita de naves espaciales en misiones en el espacio profundo.

Durante la misión Chang'e-6, el subsistema de determinación de órbita VLBI proporcionó soporte de seguimiento desde el lanzamiento del satélite de retransmisión Queqiao-2 hasta el regreso de la Chang'e-6. El Instituto No. 16 suministró receptores criogénicos para las estaciones VLBI y continuará respaldando misiones posteriores, incluida la Chang'e-7.

En el seguimiento del espacio profundo, el receptor es solo una parte de un sistema mucho más grande.

Una nave espacial cerca de la Luna transmite continuamente señales de radio. Los radiotelescopios de toda China apuntan simultáneamente hacia el objetivo y reciben las señales. Sus receptores criogénicos amplifican, convierten descendentemente y registran las débiles señales.

Los datos se comparan luego en un centro de procesamiento. Al medir pequeñas diferencias en el tiempo en que la misma señal llega a diferentes estaciones, los científicos pueden calcular parámetros como el retraso de la señal y la tasa de retraso. Combinados con mediciones de distancia y velocidad, estos datos permiten una determinación de órbita de alta precisión.

Esta combinación de mediciones terrestres de distancia y velocidad con mediciones angulares VLBI se ha convertido en un enfoque importante en las misiones de exploración del espacio profundo de China.

La tecnología también está encontrando aplicaciones más allá de las propias misiones de espacio profundo de China.

Este año, el Instituto No.16 completó la prueba final de integración del sistema para un proyecto de radiotelescopio de 13 metros y finalizó su trabajo de instalación y mantenimiento para cuatro sistemas de receptores criogénicos en estaciones de ultramar. El proyecto de cuatro meses cubrió más de 10.000 kilómetros. El radiotelescopio de 13 metros es una unidad de observación estandarizada y de alta confiabilidad diseñada para observaciones de redes VLBI globales.

Para sus estaciones en el extranjero, el Instituto No.16 desarrolló el subsistema de cadena de recepción y adoptó un enfoque innovador en el cual toda la alimentación se enfría criogénicamente, reduciendo el ruido del sistema a un nivel extremadamente bajo y mejorando el rendimiento de observación.

Ahora, la segunda fase del FAST avanza con planes para construir la primera matriz interferométrica de radiotelescopios de apertura híbrida del mundo, centrada en un telescopio gigante y rodeada de telescopios de tamaño mediano.

"Estamos recorriendo toda la cadena, desde la alimentación y los amplificadores de radiofrecuencia hasta los chips", declaró un investigador. "Las matrices en fase y el receptor de 19 haces siguen siendo importados. Espero que alrededor de 2028 podamos lograr la producción nacional en toda la cadena", informó CCTV, citando a Jiang Peng, ingeniero jefe del FAST.

Para los investigadores del Instituto No.16, el trabajo continúa empujando los límites de la tecnología de recepción criogénica, proporcionando un soporte crítico de extremo delantero para el seguimiento y control en el espacio profundo, así como para la radioastronomía.

A medida que la humanidad se aventura más lejos en el universo, la tecnología del FAST continuará sirviendo como un "oído de superaudición", escuchando las respuestas más débiles de las estrellas.