Diseño del domo del E-ELT
Innovación y Tecnología
Los retos del espacio exterior Diseño del domo que albergará el “European Extremely Large Telescope” (E-ELT)
Desde finales de 2005, más de 100 astrónomos y astrofísicos colaboran con el European Southern Observatory (ESO) en la definición del nuevo telescopio gigante que deberá entrar en funcionamiento a mediados de la próxima década. Las dimensiones del telescopio y de las instalaciones anejas, muy superiores a todas las existentes, han puesto un nuevo desafío a la ingeniería. El original diseño presentado por IDOM ha merecido la aprobación unánime del European Southern Observatory, consorcio que agrupa a 14 países europeos.
Amaia Zarraoa Armando Bilbao Gaizka Murga Alberto Fernández Autores del artículo y miembros del equipo de proyecto.
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Diseño del domo del E-ELT
European - Extremely Large Telescope (E-ELT)
– 80 m – 70 m – 60 m – 50 m
Very Large Telescope (VLT)
– 40 m – 30 m – 20 m –
10 m
–
0m
Fig. 1. Comparación del E-ELT con uno de los mayores telescopios ópticos en la actualidad, el VLT. Es reseñable el incremento en la proporción entre la abertura de observación y el diámetro de la base.
El nuevo telescopio óptico es en estos
Junto a las dimensiones inéditas del
telescopio si finalmente se decide su
momentos una de las prioridades de la
telescopio y de la apertura de
construcción en cierto emplazamiento
comunidad astronómica mundial
observación (Fig. 1) y la necesidad de
que se está considerando.
porque permitirá avanzar en el
reducir al mínimo tanto el volumen de
conocimiento de temas como los
la construcción como el del aire
Todo lo anterior combinado con el
planetas de sistemas extra-solares, los
almacenado en su interior, otras
mantra de "lograr el menor costo
agujeros negros super-masivos o la
especificaciones de diseño que
posible para el sistema, asegurando
evolución cósmica (distribución de la materia oscura y la energía oscura del universo), entre otros.
Se trata de un diseño revolucionario
que el concepto resultante es fiable y
El E-ELT será el mayor “ojo del mundo” para observar el universo
que dispondrá de un espejo de
cumple los requisitos especificados" da una idea de las dificultades a las que tuvo que enfrentarse el equipo de diseño. Al cabo de muchos meses de trabajo, IDOM presentó una propuesta
42 metros de diámetro conformado
requirieron especial atención fueron: el
(Fig. 2) que consiste en una cúpula en
por segmentos hexagonales y se
sistema de desplazamiento de las
estructura de acero de 96 m de
albergará bajo una cúpula de
puertas; la pantalla de viento para
diámetro, capaz de rotar sobre el borde
96 metros de diámetro soportada por
proteger el telescopio cuando las
superior de un muro de hormigón de
una estructura que pesará alrededor
compuertas están abiertas; el sistema
17 m de anchura, sobre la que se
de 4.600 toneladas. La proporción de
de giro acimutal de la cúpula, que
disponen dos puertas de 26 m de
la abertura de observación en
introduce una discontinuidad
ancho cada una que se deslizan sobre
comparación con la dimensión del
estructural en el domo y es necesario
carriles hasta alcanzar 100 metros de
edificio contenedor es de una
para compensar el movimiento de la
envergadura.
magnitud desconocida hasta el
tierra mientras se enfoca a un punto
momento y plantea problemas
fijo del universo; el sistema de control
El diseño de las puertas
mecánicos y dinámicos relativos a la
térmico para igualar la temperatura
Una de las prioridades del diseño fue
estructura de la cúpula, la abertura, el
interior a la del aire libre exterior en el
conseguir que los esfuerzos de
sistema de cierre de la abertura
momento de apertura de la ranura de
gravedad originados por la estructura
y otros mecanismos que nunca se
observación; y la previsión de las
de las puertas no actuaran en contra
habían abordado.
cargas sísmicas que debería soportar el
de las fuerzas de desplazamiento de
3
i+d
Diseño del domo del E-ELT
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las mismas, para lo cual era
complejidad a los mecanismos de
posibilidades, llegando a la conclusión
imprescindible que estas se movieran
apertura y cierre, así como a los
de que el sistema de cadenas
de forma perpendicular a su propio
sistemas de sellado de aire y de agua.
es el más compacto, robusto y barato.
peso; si además podía conseguirse que
Las puertas se mantuvieron como
Un juego de ruedas (“bogie”) en la
los mecanismos de apoyo mantuvieran
unidades compactas, con una forma
parte superior y otro de la parte inferior
siempre una trayectoria lineal (no
esférica ajustada a la cúpula y lo que
de cada puerta son traccionados por
curva) y el movimiento de las puertas
se hizo fue disponer un conjunto de
este sistema, con la ayuda de un motor
fuera una traslación sin rotación, el
cuatro pistas por cada puerta que
de inducción asíncrono con reductora
sistema de esfuerzos se simplificaría
minimizaran los esfuerzos generados
controlada por un convertidor de
considerablemente.
en la posición de máxima abertura.
frecuencia. Con el fin de permitir el
Este diseño implicaba, sin embargo, un
La estructura de las puertas (Fig. 3)
sísmico, la caja de cambios es
gran desplazamiento lineal de las
se compone de dos vigas de acero en
reversible y la potencia del motor de
puertas con la consiguiente sobrecarga
arco con sección triangular de 4,5 m
freno electromagnético es superior a la
de lado, formada por dos perfiles
necesaria para la operativa de carga e
tubulares de Ø355.6x8-10 en la cuerda
inferior a la resistencia de la cadena de
superior, uno de Ø508x12-16 en la
tracción. Teniendo en cuenta la
inferior y otros de Ø193.7x8 para las
criticidad de la operación de cierre de
diagonales. Mediante la adición de dos
puerta, se ha previsto un sistema de
vigas transversales se crean sendos
emergencia compuesto de eje, caja de
marcos y éstos se rigidizan con
cambios, motor y suministro de
de la estructura de la cúpula en la
tensores diagonales a fin de evitar
electricidad auxiliares. Los esfuerzos
posición de puertas abiertas.
resonancias e inestabilidades
generados por la forma arqueada de
Inicialmente se consideró la posibilidad
dinámicas en los movimientos de
las puertas y por la expansión térmica
de evitar este problema mediante la
apertura y cierre.
de estas hicieron pensar que sería
desplazamiento en caso de un evento
Se trata de un nuevo y revolucionario concepto de telescopio terrestre
superposición de segmentos retráctiles
necesaria algún tipo de articulación
(similar a los techos de algunos
El accionamiento de las puertas
compleja entre la puerta y la cúpula.
estadios), pero esta solución fue
Para el accionamiento de las puertas
Finalmente, se comprobó que dadas
desechada para evitar añadir
también se consideraron varias
las dimensiones de la estructura, la
Fig. 2. La geometría del edificio ha sido ajustada al máximo a las dimensiones del telescopio. De esta forma se optimizan los costes de construcción, operación y mantenimiento.
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i+d
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Fig. 3. Estructura de las puertas. Detalle de los mecanismos de desplazamiento.
relación de curvatura y longitud es
bogie con objeto de obtener un reparto
tan pequeña que la carga de empuje
igual de cargas sobre las ruedas.
lateral resulta no significativa en comparación con las cargas de
Los bogies principales se sitúan en el
funcionamiento y que, además, las
extremo de las vigas en arco de la
vigas de arco se comportan de forma
puerta y se componen de dos
flexible en la dirección longitudinal. Se
conjuntos de ruedas (Ø800x150mm)
pudo prescindir, por tanto, de
cuyo eje es normal a dirección de
soluciones complejas y se hizo
carga (alrededor de 15-20º respecto al
descansar a cada puerta sobre bogies
plano vertical) que se desplazan sobre
conectados a la estructura principal de
carriles inferiores y que cuentan con carriles superiores de bloqueo para
El diseño ha tenido como objetivos la fiabilidad, la funcionalidad y la economía de medios
evitar desplazamientos verticales de la puerta. Otros dos juegos de ruedas más pequeñas (Ø600x120mm) ayudan a soportar las cargas. Los cálculos demostraron que cuatro bogies por puerta son suficientes para soportar las cargas previstas. Dicho un número,
la puerta a través de un rodamiento
además de minimizar el número de
esférico y un perno maestro de Ø320
partes móviles, permite prescindir de
que se ha situado en el centro del
sistemas de igualación de cargas
5
i+d
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Anillo inferior. Interfaz del sistema de rotación acimutal
Vigas de arco
Viga transversal
Viga dorsal
Fig. 4. Estructuras metálicas principales de la cúpula.
entre bogies. Tanto las ruedas
rotación acimutal (Fig. 4). El apoyo de
parte superior de las puertas. Una viga
principales como las secundarias
la cúpula se realiza mediante dos
auxiliar (“viga dorsal”) sirve de apoyo a
ruedan sobre carriles mecanizados
grandes vigas de arco paralelas a la
la “viga de nuca” para transmitir las
apertura (“vigas de hendidura”), de
cargas superiores de las puertas a la
sección triangular de 3,5 m de lado. La
viga de la base. Para soportar los
estructura circular de apoyo consiste en
carriles sobre los que deslizan las
una viga de sección triangular de
puertas, se disponen estructuras de
4.5x3 m, montada sobre una
ménsula
estructura mecanosoldada de sección
que transfieren los momentos de
rectangular de 4.5x4 m con cuerdas de
torsión y flexión a la base. Estas
sección circular de Ø457-508x10-12
estructuras principales se completan
soldados a la estructura de acero de la
para los miembros principales y Ø273-
con otras secundarias.
cubierta. En estos carriles se alojan
323x6 para las diagonales. Esta última
también los componentes del sistema
estructura proporciona la necesaria
El sistema de rotación acimutal
de accionamiento.
rigidez para el apoyo de las vigas de
La función principal de este sistema es
arco y para el buen funcionamiento del
orientar la ranura de observación en la
sistema de rotación acimutal.
misma dirección que el telescopio,
E-ELT permitirá realizar observaciones largamente esperadas por la cosmología moderna
La estructura de la cúpula La estructura de la cúpula, como la de
6
i+d
aunque secundariamente se le asignó
las puertas, se compone de vigas
Otro gran arco (“viga de nuca”)
la de proporcionar a las grúas de
tridimensionales en forma de arco que
perpendicular a las dos vigas de
operación un grado de libertad
descansan sobre una estructura circular
arco estabiliza lateralmente el sistema y
adicional. En los domos de base
que actúa como interfaz del sistema de
proporciona soporte a los carriles de la
circular, la solución clásica al problema
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del movimiento acimutal consiste en
arriba mientras las ruedas motrices de
la pista. Otro efecto positivo
disponer los carriles de desplazamiento
los bogies la hacen girar con la ayuda
de este sistema es que proporciona
sobre la parte fija, mientras que los
de un motor eléctrico. Los actuadores
una amortiguación suplementaria,
bogies se anclan a la parte giratoria.
hidráulicos son piezas multifunción
propiedad muy a tener en cuenta ante
pues actúan también como
eventuales fenómenos sísmicos.
El comienzo de las operaciones está previsto para 2018
herramienta de mantenimiento de las ruedas, facilitando la sustitución de
Revestimiento y cierre
estas ante eventuales daños o
La solución del revestimiento de
desgastes y confiriendo así una mayor
puertas y cúpula se muestra en la
fiabilidad al conjunto del sistema. El
Fig. 6. Los espacios interiores de los
Esta solución es la mejor cuando se
sistema de rotación cuenta además
trata de un número reducido de
con elementos auxiliares como son una
bogies, pues estos pueden transmitir
rueda para guiado radial, una
eficazmente los esfuerzos si se sitúan
abrazadera para restricción de
en el extremo de las líneas de fuerza
movimientos y otros dispositivos que
de la cúpula. Pero cuando el diseño
minimizan la transmisión de
incluye un considerable número de
vibraciones a los cimientos. Las dos
bogies, lo mejor es anclarlos a la parte
principales ventajas de asociar los
fija porque de este modo se produce un
bogies a la parte fija son, por un lado,
reparto más homogéneo de la carga.
la reducción de la potencia requerida
Este es el diseño seleccionado para el
para la rotación de la estructura y, por
marcos creados por la estructura
E-ELT, que dispone de diez juegos de
otro, la sencillez
principal se rellenan con vigas ligeras
seis bogies equilibrados
de instalación del sistema hidráulico
de fachada sobre las que se colocan,
hidráulicamente (Fig. 5). En situación
de elevación. Mediante este sistema de
de reposo, los perfiles del borde inferior
elevación se equilibra el reparto de
de la cúpula descansan sobre unas
cargas sobre los bogies, reduciendo así
zonas de apoyo. Para iniciar el
la magnitud de los picos de máxima
movimiento, dos cilindros hidráulicos
reacción y mitigando los efectos
en cada bogie empujan la cúpula hacia
negativos de las irregularidades de
La discontinuidad estructural, necesaria para el giro acimutal, se resuelve con un sistema de rotación sencillo y robusto
Rueda de centrado radial
Ruedas de empuje horizontal
Fig. 5. Anillo de la base de la cúpula (parte móvil) y mecanismo de rotación acimutal (parte fija).
Parte móvil. Viga y railes del borde inferior de la cúpula
Parte fija. Bogies para rotación acimutal Motor eléctrico
Cilindros hidráulicos de elevación
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i+d
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sucesivamente, una capa de acero
los sectores nuclear y espacial. El
posteriores análisis confirmen si una
galvanizado, otra de aislamiento
mecanismo consta de un tornillo sin fin
configuración con un menor número
térmico y otra de material bituminoso
que acciona un arpón en la puerta
proporcionaría también la necesaria
para sellado a prueba de agua. Unas chapas recubiertas de “aluzinc” se fijan a la cubierta de acero galvanizado mediante perfiles en L.
Las puertas disponen de un sistema de enclavamiento o amarre, cuyo objetivo es garantizar la eficacia del sistema de sellado de aire y de agua. El sistema de
continuidad entre las puertas.
La complejidad constructiva del E-ELT está siendo un factor dinamizador para la industria tecnológica
cierre se ocupa de realizar el atraque
Con el fin de reducir al mínimo las fugas de aire cuando la cámara interior está presurizada, los huecos entre las partes móviles del sistema puerta-cúpula se rellenan con bolsas inflables de fibra de vidrio revestidas de teflón. Esos sellos tienen un ancho de 250 mm y una presión operativa
de los bordes correspondientes y ha
derecha y una pinza que lo atrapa en
de 400 Pa sobre la presión ambiente.
sido calculado con unos márgenes de
la izquierda. Un anillo dilatador sujeto
El total de volumen de aire requerido
tolerancia en la alineación de 100 mm
en el cuello del arpón puede liberar el
es de 39 m3 alrededor de las puertas y
en la dirección de enganche y 50 mm
cierre en un movimiento posterior. El
de 30 m3 en todo el anillo acimutal y es
en la dirección lateral. En busca de un
ciclo de amarre y liberación se puede
proporcionado por sistemas de aire
sistema sencillo y fiable, se ha elegido
realizar con un solo actuador y algunos
comprimido de baja potencia que se
un mecanismo de bloqueo y
sensores. Como una primera
sitúan en la plataforma de la grúa de
desbloqueo mediante empuje que es
aproximación, se han dispuesto siete
mantenimiento y en la cámara de de
bastante común en las instalaciones de
puntos de amarre a la espera de que
rotación acimutal.
Fig. 6. Cierre de puertas y revestimiento del domo. Detalles.
Tornillo de potencia
Arpón Mecanismo de cierre y apertura
Aluzinc
Capa impermeable Aislante Acero galvanizado
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i+d
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Fig. 7. Pantalla de viento. Estudios asociados.
Para la ventilación del recinto se han
hasta la altura que, en cada caso,
dispuesto juegos de persianas
requiera su ángulo de elevación
horizontales tanto en la cúpula y
(Fig. 7). Se seleccionó este diseño debido a su inherente robustez, a
El sistema de aire acondicionado evita la transferencia de fluido refrigerante entre las partes móviles del domo
la simplicidad de mantenimiento y a la reducida potencia necesaria para su funcionamiento, en comparación con otras alternativas. El sistema tiene otras ventajas: no trabaja contra la gravedad y no requiere abrirse los 45 m de máxima apertura de las puertas, lo cual podría causar esfuerzos de torsión y flexión debido a
como en la parte fija del edificio que
cargas de gravedad. La estructura de
consisten en hojas giratorias
la hoja está formada por una sola capa
soportadas por bastidores que además
en rejilla diagonal (“diagrid”) con una
de servir de soporte permiten optimizar
distancia de 4 m entre los centros,
el ajuste, mejorando la eficiencia
perfiles tubulares de Ø160x8 y barras
térmica y la impermeabilidad
de tensión de Ø30.
del sistema. Cada hoja rueda sobre dos raíles
Las pantallas de viento
sujetos a la estructura principal de la
El diseño propuesto se compone de
cúpula, uno en la parte superior y el
dos hojas esféricas, ejecutadas en
otro en la parte inferior. Los
estructura de acero monocapa, que se
transportines del borde inferior
deslizan paralelamente a la cúpula de
consisten en dos rodillos de carga de
la estructura protegiendo el telescopio
Ø110x30 y otros dos más pequeños
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i+d
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Geometría de la cimentación
Deformación ante evento sísmico
Estudio de cargas estáticas
Estudio de cargas de viento
Fig. 8. Cimentación de la estructura. Estudios asociados.
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i+d
de Ø50x25 en prevención de
de la estructura. Una línea de toberas
diseño tiene la principal ventaja de la
eventuales movimientos de elevación.
de soplado se encuentra en el
compacidad, ya que no hay necesidad
El despliegue de la hoja se realiza
perímetro inferior del muro y otras dos
de un gran puente grúa que abarque
mediante un movimiento de rotación
líneas se colocan en la parte superior
los 45 m de la ranura de apertura, lo
accionado por un sistema de piñón y
del mismo, orientando todas las
cual hubiera implicado una estructura
cremallera dotado de un motor de
boquillas hacia arriba y hacia el
muy pesada, compleja y costosa. Una
15 kW. La forma esférica de las hojas
interior del edificio. Se han dispuesto
grúa auxiliar de 5 toneladas de
es generada a partir de planchas
asimismo algunos ventiladores en las
capacidad permite llegar al perímetro
modulares de 5x5 metros. Los
pasarelas de la cúpula que, aunque no
exterior del recinto. El conjunto es
paneles que se encuentran en la zona
son estrictamente necesarios,
complementado con una plataforma
de la hendidura de observación
permiten reducir la velocidad del aire
de elevación de 30 toneladas
cuando las hojas están desplegadas se
en la interfaz del mecanismo acimutal
de capacidad.
cubren con paneles perforados o
y de esta forma mejorar el confort
en persiana.
de los operarios que deban realizar
Base y cimentación
labores de mantenimiento en
La cúpula rotatoria se apoya en una
El sistema de refrigeración y otros equipos
esa zona.
El sistema de control térmico se aloja
La actividad normal del telescopio y
de espesor con aperturas de 4x4 m
en la base o parte fija del edificio. El
las operaciones de mantenimiento
para disponer las ventanas de
principal objetivo de la propuesta de
requieren varios sistemas de manejo
ventilación. El muro está rematado con
diseño es la simplicidad y la fiabilidad
de cargas. El principal es una grúa de
una viga en forma de corona que
del sistema, para lo cual se considera
20 toneladas que se desplaza sobre un
proporciona el espacio necesario
imprescindible evitar la de
rail curvo fijado al borde de la puerta.
para alojar el sistema de rotación
transferencia de aire frío o agua
El sistema de rotación acimutal se
acimutal y confiere al borde superior
desde la parte fija a la parte giratoria
utiliza para operar la grúa. Este
de la pared la rigidez requerida.
base (Fig. 8) que consiste en un cilindro de hormigón armado de 1 m
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Además, con el objeto de dotar al
hormigón armado de 1 m de espesor,
descansan sobre cimentaciones
edificio un amplio hueco de acceso, se
están rematados por vigas de
de zapata sin que se haya visto la
ha diseñado una viga puente de
coronación y descansan sobre zapatas
necesidad de utilizar pilotes de
hormigón postensado de 30 m de ancho que además confiere al sistema de rotación acimutal la necesaria rigidez. Dicha viga se apoya en dos grandes muros de 12,5 m de altura que actúan como contrafuertes y están dispuestos perpendicularmente
profundidad. En el telescopio se han
En 2008, el diseño fue presentado en las instalaciones del ESO en Munich (Fig. 9)
a la pared cilíndrica.
dispuesto además pantallas radiales de hormigón que proporcionan rigidez y unidad a toda la base y que cuentan con las aberturas necesarias. Algunas losas auxiliares conectan las vigas de coronación con las zapatas.
de 5 m de ancho y 1,7 m de Los cimientos del telescopio, son
profundidad. Tanto el muro de la
cilindros huecos concéntricos de
cúpula como el del telescopio
Fig. 9. Modelo a escala. Presentación en Munich.
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i+d
Laboratorio de litio líquido
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En torno a la fusión nuclear
La creación de un laboratorio de litio líquido en España
El gobierno español quiere impulsar la participación de empresas y grupos de investigación en el proyecto internacional de reactor nuclear (ITER). Para ello es necesario crear instalaciones donde se puedan llevar a cabo experimentos relacionados con la fusión nuclear. IDOM ha realizado el diseño preliminar integral de una instalación de carácter estratégico: el laboratorio de litio líquido. El proyecto ha sido financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) en el marco del Programa Nacional del Espacio y de la Fusión.
Agustín Alemán Javier Encabo María Roch Autores del artículo y miembros del equipo de proyecto.
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Laboratorio de litio líquido
Solenoide central, responsable de generar un campo elétrico de 17 millones de amperios (en ITER)
Pared interior de litio líquido (en reactores futuros avanzados). Contiene la radiación y produce tritio, uno de los componentes de la reacción nuclear
Bobinas toroidales. Junto a las poloidales, crean el campo magnético responsable del confinamiento del plasma. Están refrigeradas con helio líquido a 4,5ºK, cerca del “cero absoluto”
El plasma, a 150 millones de grados centígrados (en ITER), no puede entrar en contacto con materiales sólidos
Criostato. Aislamiento térmico entre las bobinas y el núcleo interior
Cámara de vacío toroidal
Fig. 1. Un reactor nuclear avanzado de confinamiento magnético. Representación del papel que puede jugar el litio líquido en el futuro.
Bobinas poloidales, correctoras del campo magnético
Actualmente hay una docena de
capacitarse y utilizar instalaciones y
diseños y componentes en diferentes
proyectos de reactores de fusión
laboratorios que no se pueden costear
áreas: manejo y mantenimiento remoto
nuclear de confinamiento magnético,
de forma individual. Por este motivo, el
de reactores, técnicas avanzadas de
dentro de los cuales los más
Centro de Investigaciones Energéticas,
fabricación de materiales y
ambiciosos son el reactor experimental
Medioambientales y Tecnológicas
componentes, simulación
de 500 MW ITER, cuya entrada en
(CIEMAT) y la Universidad Politécnica
computacional y experimentación con
funcionamiento está prevista para
de Madrid (UPM) han propuesto la
metales líquidos.
2020 y a partir del cual se desarrollará
creación de un Centro para las
el reactor de uso comercial de 2.000
Tecnologías de Fusión por el que ya
MW DEMO, previsto para 2030.
han manifestado su interés algunas
El futuro de la fusión nuclear: el litio
instituciones como la Comunidad de
La investigación con metales líquidos comenzó en los años 50 del siglo XX
ITER es un proyecto internacional que se construirá en Cadarache (Francia) y en el que la Unión Europea invertirá 4.500 millones de euros. Se espera que suponga un impulso para la investigación española en el campo nuclear a lo cual contribuirá también sin duda el hecho de que la Agencia Europea de Fusión, responsable de la
El litio puede actuar como “combustible” en la reacción de fusión y como envoltura protectora del plasma
en el ámbito de la fisión. Con motivo de esas investigaciones se descubrió que el litio, metal alcalino, se podía utilizar también en algunos procesos de la fusión nuclear como son la producción del isótopo radiactivo tritio (3H o T), la disipación del calor producido en la reacción nuclear o la protección de las estructuras del
gestión de 2.000 millones de euros, se Madrid. Dicho centro albergará
recipiente contenedor (Fig. 1). Debido
instalaciones para el desarrollo de las
a su naturaleza alcalina, el litio
Un centro para investigar en la fusión nuclear en España
diferentes tecnologías que intervendrán
presenta una elevada reactividad
en los futuros reactores de fusión.
química y explosiona en contacto con
Las empresas y grupos de
Desde él se realizará la transferencia
el agua o el aire, lo cual confiere
investigación españoles que deseen
de conocimientos a las empresas para
dificultad a su manejo y tiene costosas
participar en el futuro de la fusión
que éstas puedan participar en los
implicaciones en el diseño de las
nuclear controlada necesitarán
proyectos nucleares, aportando
instalaciones. Esta reactividad puede
ubicará en Barcelona.
13
i+d
Laboratorio de litio líquido
Innovación y Tecnología
mitigarse utilizando una variante del
resultado del impacto de neutrones de
(Pb15.7Li) cuyo punto de fusión es más
litio: la aleación eutéctica de litio.
alta energía sobre los isótopos del litio
bajo que el que ambos elementos por
(6Li y 7Li).
separado y que permite no sólo obtener
Los reactores que hacen uso de los dos
tritio (a partir del litio) sino también
isótopos del helio, el deuterio (núcleo
Por tanto, si se construye envoltura que
multiplicar neutrones (producidos a
de helio con un neutrón) y el tritio
contenga litio en la zona en la que se
partir del plomo), además de evitar el
(núcleo de helio con un protón y dos
producen las reacciones de fusión, los
peligro de una reacción explosiva en
neutrones), fusionan ambos átomos
neutrones rápidos (o de alta energía)
contacto con el aire o el agua. Por estos
para producir cuatro átomos de helio y
resultantes de la fusión y los neutrones
motivos, en 2002 Europa eligió un
un neutrón de alta energía (portador
productos de las reacciones con el 7Li,
del 80% de la enorme energía que se
producirán el tritio necesario para
libera en la reacción). Ver Fig. 2.
alimentar el reactor. Si esa envoltura es líquida, se puede utilizar además como
En nuestro planeta el deuterio
fluido para evacuar calor y convertir
es abundante en el agua del mar
éste en energía mecánica y eléctrica y,
(30 g/m3), pero el tritio no existe en
por último, si la pared tiene suficiente
Es necesario investigar el proceso de producción de tritio a partir de litio
espesor, puede proteger de la
Los futuros reactores de fusión necesitarán tritio, un elemento que escasea en la naturaleza
radiación los componentes situados
modelo oficial de envoltura para
detrás de la envoltura, en particular la
experimentar su posible implementación
cámara de vacío y las bobinas
en ITER en el que se utiliza helio como
superconductoras que se encuentran
refrigerante y Pb15.7Li en estado líquido.
a temperatura criogénica. La investigación en litio puro está
El litio puro y su aleación eutéctica
orientada hacia reactores como DEMO,
estado natural pues se trata de un
Actualmente existen dos grandes líneas
diseños actuales de reactores de pared
isótopo inestable con un tiempo de
de investigación con litio: la asociada al
sólida, los neutrones de alta energía
vida medio de 12,3 años, que debe ser
litio puro y la que investiga la aleación
producto de la fusión nuclear
producido de forma artificial como
eutéctica, una mezcla de plomo y litio
reaccionan con los materiales de la
es decir, a muy largo plazo. En los
Fig. 2. Producción de neutrones de alta energía a partir de litio. Proceso de realimentación de la reacción nuclear.
Protón
Helio
Deuterio: 1 neutrón + 1 protón
Energía de fusión
Neutrón
Tritio: 2 neutrones + 1 protón
Neutrón de alta energía
Litio. Isótopo 7 Helio
Neutrón de baja energía
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i+d
Neutrón de alta energía
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Laboratorio de litio líquido
Reservas de deuterio utilizadas como combustible
Criostato
Deuterio y tritio
Reservas de tritio purificado para utilizar como combustible Obtención de tritio y helio como productos de la reacción nuclear
Manto de litio Plasma
Obtención de helio como subproducto del proceso
Intercambiador de calor
Turbina y alternador Generador de vapor Energía eléctrica
Fig. 3. Posible esquema de producción de energía eléctrica mediante fusión nuclear a partir de litio y deuterio.
pared produciendo isótopos
futuros reactores de fusión estarán
de litio: una superficie libre de litio
radioactivos y causando daños
sometidos a elevados niveles de
puro; un lazo cerrado de acero
químicos que pueden llevar a la
radiación y temperatura y será preciso
inoxidable 316L que permitirá mover
erosión y pérdida de integridad
ensayarlos bajo esas condiciones
el litio puro haciendo uso de bombas
estructural del recipiente contenedor.
extremas. Con este propósito, los
electromagnéticas; un sistema de
países promotores de ITER
purificación del litio que permita
El litio puro se puede utilizar como
decidieron que construir instalación,
elemento de primera pared (o pared de
a la que llamaron IFMIF
contención), puesto que absorbe los
(International Fusion Materials
neutrones de alta energía para dar
Irradiation Facility), que consistirá
helio, tritio y neutrones de baja energía.
en un acelerador que proyectará
Una primera pared de litio puro líquido
deuterones (núcleos de deuterio)
no estaría sujeta a daños, podría
contra una corriente de litio líquido
manejar grandes cargas térmicas (del
para producir neutrones con una
orden de 100 MW/m ) extrayendo el
energía muy similar a la de los que se
calor del interior de la cámara de vacío
generarán en el interior de ITER
y actuaría como productor de tritio.
y DEMO.
2
Se desconocen muchos aspectos del comportamiento del litio sometido a las condiciones que rodean a la fusión mantener los niveles de los productos radioactivos (tritio, 7Be) y otras
IFMIF: una instalación de cooperación internacional
Todavía no se ha decidido dónde se
impurezas bajo condiciones de
construirá IFMIF, pero a finales de
operación seguras; y un sistema de
Los materiales avanzados que
2002 se definieron las cuatro partes
refrigeración a través de
formarán parte del núcleo de los
principales que conformarán el blanco
intercambiadores, que permita
15
i+d
Laboratorio de litio líquido
Innovación y Tecnología
Estudio fluidodinámico
Bomba electromagnética para la circulación del litio Haz de electrones
Blanco de litio. Diseño mecánico
Perfil de temperaturas en la superficie libre con deposición de potencia
Acelerador de electrones
Zona de filtrado del litio. Evaluación de efectos corrosivos
Superficie libre de litio
Fig. 4. Esquema de lazo de litio líquido. Algunos sistemas analizados.
evacuar la energía producida por el
instalaciones para realizar ensayos con
El diseño preliminar
impacto del haz de deuterones sobre
litio puro concentrada principalmente
Atendiendo a esta última necesidad, se
el blanco de litio.
en EEUU y Japón; y con la aleación
ha diseñado un lazo de litio puro que
eutéctica, orientada a ITER, se
pueda someterse a las condiciones de
También se decidió que se construirían
concentra en Europa. Pero la oferta de
temperatura de superficie libre y
prototipos de cada una de las unidades
instalaciones versátiles que permitan
condiciones de deposición de potencia
principales que conformarán IFMIF: el
experimentar tanto con litio como con
similares a los proyectados para IFMIF
acelerador de deuterones, el blanco a
Pb15.7Li con objetivos a medio y largo
(Fig. 4) y en el se podrían validar las
escala de litio puro y las celdas de
plazo no es del todo satisfactoria.
tecnologías que finalmente se implanten
Esto supone una oportunidad para
en IFMIF. En la instalación se ha
crear un laboratorio orientado a
sustituido el acelerador de deuterones
experimentos de interés internacional
de IFMIF por uno de electrones.
En Europa existe un déficit de laboratorios para experimentar con litio puro
16
i+d
tanto de litio puro como de la aleación eutéctica. Dicho laboratorio debería
El diseño incluye la zona de superficie
disponer de una infraestructura
libre con deposición de potencia, la
versátil, lograr una sinergia de
zona para llevar a cabo ensayos de test
tecnologías y de dispositivos
de materiales bajo condiciones de
experimentales con otras instalaciones
radiación, así como una tercera zona
ensayo de de materiales. Las
españolas, integrar a empresas,
instalaciones de esta fase de validación
administraciones públicas y
han de estar construidas antes de 2017
universidades de todo el mundo;
y España (representada por CIEMAT)
abrirse a los grupos interesados en
puede aspirar a hospedarlas si
desarrollar tecnologías propias;
demuestra que dispone de experiencia
publicar la información que se genere
e instalaciones preliminares.
de modo que llegue a la comunidad
de filtrado del litio. Esta última tiene
científica; y por último desarrollar
como objetivo evaluar el
La oferta actual de laboratorios
proyectos singulares, como el propuesto
“envenenamiento” del litio por
IDOM ha llevado a cabo un análisis en
con litio puro, que le permitan
formación de N2 y por productos
el que se concluye que la oferta de
distinguirse del resto de laboratorios.
derivados de corrosión y ensayar
Estamos ante una oportunidad estratégica
Innovación y Tecnología
Laboratorio de litio líquido
sistemas que permitan mantener los
laboratorio de materiales, para hacer
En resumen
niveles de pureza deseados. La
incidir un haz de electrones sobre la
IDOM ha analizado los aspectos
instalación de filtrado se ha diseñado y
superficie libre de litio puro. Todo ellos
técnicos, económicos y de
dimensionado de forma que será
convertiría al laboratorio en una
licenciamiento de un posible
posible el acoplamiento de
instalación única en el mundo.
laboratorio de litio puro, confirmado su
subsistemas de purificación en paralelo
Complementariamente, se han realizado
viabilidad y diseñando las instalaciones para trabajar de forma integrada
sin interferir en los demás procesos.
Algunos de los parámetros definidos en el diseño han sido las condiciones de presión (cercana al vacío 10-3 Pa), la velocidad de diseño del fluido, el caudal
IDOM ha confirmado la viabilidad del laboratorio y realizado su diseño preliminar
de diseño, las especificaciones de
con el acelerador de electrones que, se prevé, existirá en el futuro Centro para las Tecnologías de Fusión. Un laboratorio de las características diseñadas, sería la primera instalación a nivel mundial que lleva a cabo
blindajes para protección radiológica y
los pertinentes estudios de arquitectura
algunos de los ensayos que se
las temperaturas de diseño (entre
así como los de seguridad y
han descrito someramente en este
250 ºC hasta 500 ºC según el tipo de
licenciamiento, necesarios para legalizar
artículo, lo cual permitiría
ensayo). El diseño incorpora también el
una instalación de estas características
avanzar de forma significativa en el
acoplamiento del sistema de
en España. Se ha valorado técnica y
desarrollo de la instalación
irradiación, esto es, el desvío de una
económicamente llegando a un coste
internacional para el ensayo de
línea de vacío desde un acelerador de
estimado de 6 millones de euros para la
materiales (IFMIF) y en la comprensión
electrones que se situaría en el
construcción e instalación y unos
de diversos fenómenos implicados en
cubículo contiguo a la zona del
700.000 anuales para la operación.
los futuros reactores de fusión.
Fig. 5. Futuro laboratorio internacional de metales líquidos en España. Diseño arquitectónico de ACXT - IDOM.
17
i+d
Diagnóstico de estrabismo
Innovación y Tecnología
Innovación en el sector sanitario Médicos e ingenieros trabajando en equipo
El Dr. Joan Prat, jefe de oftalmología del Hospital de Sant Joan de Déu sabía cómo debía ser un dispositivo para el diagnóstico del estrabismo en niños, pero carecía de medios para llevar su idea a la práctica. IDOM puso a su disposición una metodología para la innovación de productos y le ayudó a realizar el análisis de viabilidad, el diseño y la fabricación de un prototipo de dispositivo que ha sido patentado y que será sin duda una referencia obligada para el sector durante los próximos años.
© Bayer
Innovación y Tecnología Diagnóstico de estrabismo
Con frecuencia, los profesionales del sector sanitario tienen ideas con las que podrían solucionar necesidades concretas de su práctica diaria pero, al carecer de las herramientas tecnológicas y financieras necesarias, raramente las materializan. Con el propósito de ayudar a dar este paso desde el concepto hasta la realidad, IDOM ha desarrollado una metodología propia para la realización de proyectos de innovación de producto, que contempla desde la generación de
Visión normal: los ejes oculares convergen en el objeto y producen una visión nítida
Estrabismo: uno de los ejes está desviado, produciendo la visión borrosa
Actualmente se prueban prismas con diferentes ángulos de difracción, hasta conseguir que el paciente enfoque el objeto
una idea hasta su concreción en un nuevo producto comercializable.
Fig. 1. El problema: ¿cómo lograr una medición objetiva de la desviación ocular?
Uno de los primeros frutos de esta metodología surgió en el marco de colaboración continua que IDOM
ángulos delante del ojo dominado
la prueba a la que se le somete y
mantiene con el Hospital Sant Joan de
hasta conseguir que este mire al punto
conteste adecuadamente a las
Déu, un centro médico sin ánimo de
correcto del espacio. La inclinación del
preguntas que se le realizan (Fig. 2).
lucro orientado a la atención a niños y
prisma óptico con el cual se elimina la
Como consecuencia de todo ello las
perteneciente a la Orden Hospitalaria
desviación del alineamiento es una
acciones correctoras (intervenciones
que le da nombre.
medida de la corrección ocular que
quirúrgicas o lentes) no siempre son
hay que realizar al paciente, ya sea en
las correctas, provocando la repetición
una intervención quirúrgica o mediante
de las intervenciones quirúrgicas o la
El problema El estrabismo (bizquera) es una enfermedad con una incidencia del 3-4% en la población infantil y de 1-2% en adulta y consiste en la desviación de los ejes oculares, del alineamiento de un ojo en relación al otro (Fig. 1), que impide fijar la mirada
prolongación del período de utilización
El método de diagnóstico tradicional entraña una gran subjetividad
en el mismo punto del espacio,
de lentes. En el Hospital se hacen unas 400 operaciones de estrabismo al año y el Dr. Joan Prat pensó en un método para reducir el coste psicológico y económico de los diagnósticos imprecisos. De esa forma, estableció contacto con los ingenieros de IDOM y
dificultando una correcta percepción
lentes. Pero el sistema de prismas no
les expuso su idea de desarrollar un
de la profundidad y proporcionando
es suficientemente preciso por varias
novedoso dispositivo oftalmológico que
una visión borrosa. En el estrabismo
causas: en primer lugar, la persona
eliminase la subjetividad.
existe un ojo dominante y un ojo
que realiza la exploración debe
dominado, el primero consigue
interpretar de forma subjetiva cuándo
La solución
centrarse correctamente en un punto
ambos ojos están alineados; además,
La idea del Dr. Prat para mejorar los
del espacio, mientras que el otro no.
la desviación no es la misma en todas
sistemas actuales de diagnóstico
A día de hoy la medición de la
las zonas de visión; y cuando el
consistía en la grabación del
desviación se realiza con la colocación
paciente es un niño de poca edad,
movimiento de los ojos mientras estos
de prismas ópticos de diferentes
resulta difícil explicarle la naturaleza de
se dirigen hacia unos puntos de
19
i+d
Diagnóstico de estrabismo
Innovación y Tecnología
referencia emitidos por un proyector
aproximación técnica y económica para
situado sobre la cabeza. A partir de ese
evaluar la viabilidad del nuevo equipo y
registro de movimiento, se realiza un
con base a ella decidió abordar el
cálculo informático mediante un
desarrollo del proyecto y solicitar la
algoritmo que permite obtener el ángulo
patente del concepto propuesto.
de desviación de un ojo en relación al otro (Fig. 3). De aquí surgió el nombre
Optimización del proyecto
que se dio al proyecto: DigMO
Como condición para iniciar el proyecto
(digitalizador de la motilidad ocular).
el Hospital solicitó una reducción del plazo de ejecución y del coste
Los métodos cualitativos están condicionados por la subjetividad del examinador y en el caso de pacientes de corta edad, por la dificultad de los pequeños para comprender las pruebas a las que son sometidos
El nuevo método se funda en mediciones objetivas
Fig. 2 El método tradicional. Aproximaciones sucesivas
económico, una mayor caracterización del concepto inicial y apoyo en la búsqueda de financiación. IDOM colaboró estrechamente tanto en la definición de los elementos que debían
Los ingenieros de IDOM comenzaron a
conformar el dispositivo como en la
colaborar con el Dr. Prat en la
presentación de la idea a organismos
concreción del concepto del nuevo
oficiales y entidades del sector sanitario
equipo, trazando las líneas
que pudiesen apoyar el proyecto
fundamentales del diseño mecánico,
financieramente.
estableciendo plazos de realización y estimando el coste económico, entre
Para conseguir el objetivo de reducción
otras cuestiones.
de coste se descartaron dos elementos (silla de exploraciones y pantalla de
Al finalizar esta primera parte del
proyección) considerados inicialmente
estudio, el Hospital dispuso de una
necesarios y que, en la práctica, se
Fig. 3. La solución propuesta. Una medición objetiva de la desviación ocular.
Un programa informático calcula la desviación ocular a partir del registro de movimiento
Con la ayuda de un proyector se registra el movimiento de los ojos en un mapa visual
El movimiento de los ojos se captura mediante video-cámaras, eliminando toda valoración subjetiva Casco de sujección: sujección firme sin afectar a los músculos faciales
Cámaras de video
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i+d
Innovación y Tecnología
Proyector delante, cámaras con giro y traslación, soporte en guía
Proyector delante, cámaras con giro y traslación, soporte en rectángulo
Proyector encima, cámaras con giro y traslación, soporte en guía
Diagnóstico de estrabismo
Proyector encima y giro, cámaras con rótula, soporte por puntos
Fig. 4. Fase de ingeniería básica. Algunas variantes funcionales y ergonómicas.
encuentran disponibles en cualquier
de los aspectos informáticos y
uniones aparecían como simples
hospital. Asimismo se redefinieron
electrónicos se confió a la empresa
bocetos en forma esquemática y aún sin
algunas características técnicas y de
Advancare, una Start-up del Parque
soluciones constructivas concretas.
alcance que permitirían realizar un
Tecnológico del Vallés. Esta fase se
Como primer paso en la fase de
primer prototipo de menor coste. Todo
vertebró, a su vez, en tres etapas:
ingeniería básica (Fig. 4), se obtuvo la
ello condujo a un ahorro del 60% del
ingeniería básica, ingeniería detalle y
información de partida del proyecto
presupuesto inicialmente previsto.
construcción del prototipo.
incluyendo aspectos relacionados con la
Además, tras algunos contactos y
función que debería realizar el equipo
presentaciones ante organismos e
En el concepto mecánico se
(sujeción firme a la cabeza, cámaras
instituciones se obtuvo el apoyo
consideraron, de forma genérica,
que graban desde debajo de los ojos,
financiero del Departament de Salut de
diversos elementos funcionales tales
etc.), sus dimensiones (máximas,
la Generalitat de Catalunya. A renglón
como proyector, casco y cámara. Hasta
mínimas, pesos, etc.), las regulaciones
seguido se procedió a buscar y concretar
el momento, dichos elementos y sus
necesarias, los materiales (resistencia,
los proveedores que fabricarían los elementos que configuraban el nuevo equipo, así como a confirmar los plazos, requisitos, etc. Con ello dio inicio la fase de desarrollo de DigMO.
El desarrollo Ya en la fase de desarrollo, se incorporó
Fig. 5. Fase de Ingeniería de detalle. Diseño de las soluciones definitivas, fabricación, compras y ensamblaje.
Ingeniería de detalle para el elemento proyector
a la ejecución del proyecto DigMO el Área de Tecnologías Avanzadas de IDOM para ocuparse de los aspectos técnicos y mecánicos del proyecto y evolucionarlo desde el concepto inicial hasta un prototipo funcional que permitiera realizar la posterior experimentación clínica. El desarrollo
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i+d
Diagnóstico de estrabismo
Innovación y Tecnología
Mejoras sucesivas: rediseño del casco, del sistema de sujeción de cámaras y del proyector, hasta conseguir cumplir con todos los requisitos listados
textura, peso, etc.) y también aspectos
cada rama del árbol funcional. Esto se
ergonómicos, medioambientales (uso
realizó mediante sucesivas reuniones de
desechables, materiales reciclables,
brainstorming, en las que se aportaron
etc.) y legales, como normativas y
bocetos de alternativas posibles a cada
patentes existentes, etc. En paralelo a la
función básica. Una vez se dispuso de
acción anterior se realizaron entrevistas
las soluciones para las funciones
con médicos especialistas, usuarios y expertos del tema, así como análisis de equipos similares, pero de aplicación diferente, ya existentes en el mercado.
Posteriormente se identificó el árbol funcional del nuevo equipo como paso
En la fase de validación final hubo que realizar hasta tres prototipos
previo para su posterior materialización en soluciones constructivas. Para ello, la
básicas, se procedió a generar a partir
función principal –medir la desviación
de éstas una solución única para la
ocular de forma objetiva y fiable– se
función principal. Los elementos
desdobló en dos sub-funciones: “mover
genéricos que describían dicho
la vista del paciente a un determinado
concepto –proyector, casco, y cámara–,
punto” y “medir la posición real del ojo
dieron paso a una descripción mucho
respecto la posición teórica”. Cada una
más concreta del equipo.
de estas sub-funciones se desdobló a
22
i+d
su vez en otras sub-funciones y éstas
La ingeniería de detalle
todavía en alguna sub-función más,
En la etapa de ingeniería de detalle se
hasta llegar a un listado de funciones
resolvió la unión entre casco y cámaras,
básicas difícilmente reductibles. De este
la fijación de las cámaras a la varilla
modo fue posible buscar posteriormente
frontal, la colocación del proyector, el
soluciones constructivas óptimas, fáciles
movimiento de éste, etc (Fig. 5). Ello
de implementar y económicas, para
permitió decidir qué elementos serían
Fig. 6. La fase de validación y el prototipo.
Innovación y Tecnología
de compra y cuáles sería necesario
ocuparía de explotar la patente del
diseñar y fabricar de forma especial. En
Hospital, fabricando y comercializando
sucesivas reuniones y rediseños se
el nuevo equipo.
Diagnóstico de estrabismo
plasmó una solución final caracterizada hasta el último detalle y que cumplía
Conclusiones
todos los criterios definidos en la
Así pues el proyecto DigMO ha aportado
ingeniería básica. A partir de aquí se
un doble valor al Hospital Sant Joan de
realizaron los planos constructivos,
Déu: por una parte, la posibilidad de
negociaciones con talleres, seguimiento
desarrollar una nueva práctica clínica
de fabricación, compras necesarias,
y por otra la oportunidad de poner en
etc. hasta disponer al cabo de varias
marcha una iniciativa empresarial en la
semanas de los primeros componentes
industria de alto valor añadido de los
fabricados. Se probaron por separado y
“medical devices”. Pero Digmo también
se realizaron los ajustes necesarios
ha enriquecido el acervo innovador de
hasta conseguir su correcto
IDOM, permitiéndole validar su
funcionamiento. Una vez finalizada esta
metodología para el desarrollo de
Tras realizar las pertinentes pruebas clínicas se constituyó una empresa Start-up para explotar la patente
Fig. 7. El entregable.
verificación se procedió al montaje de todos los componentes en un único prototipo funcional para realizar las pruebas de validación final.
El prototipo y la comercialización Con el prototipo ya en manos del Dr. Prat se procedió a validar el
Se ha contituido una empresa para producir y comercializar el nuevo equipo
cumplimiento de la función principal.
se basa en un enfoque de innovación abierta en el que IDOM orquesta una solución única a todas las necesidades del proyecto, incorporando todas las capacidades necesarias, y gestionando de forma integral la totalidad del proceso para asegurar la obtención del
Inicialmente no se consiguió el
nuevos productos, recorriendo todo
mejor resultado. La línea de
resultado esperado pues, aunque el
el camino que lleva desde el nacimiento
colaboración permanente de IDOM con
conjunto de proyector y cámaras
de una idea hasta la obtención de
el Hospital de Sant Joan de Déu ha
funcionó correctamente se descubrió
un producto industrializable, pasando
conducido al desarrollo de dos nuevos
que el casco carecía de la estabilidad
por la construcción y prueba de un
dispositivos médicos con sus
necesaria. Hubo que rediseñarlo y
prototipo funcional. Dicha metodología
correspondientes patentes.
también mejorar el proyector con un sistema de cierre y protección de sus diferentes componentes (Fig. 6). Se cambió el soporte de las cámaras y se realizaron otros ajustes menores. Hubo un segundo y un tercer prototipo hasta conseguir cumplir con todos los requisitos listados.
Belén Hermosa Óscar Bergua Menno Veefkind Autores del artículo y miembros del equipo de proyecto.
A partir del tercer prototipo se hicieron las pruebas clínicas en el Hospital con resultados satisfactorios. También se constituyó una Start-up que se
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