El espejo del telescopio Hale, de 5 metros, una de las primeras grandes aplicaciones del vidrio Pyrex

El espejo principal del telescopio Hale en el taller de pulido (Wikimedia Commons)

 

 Las cerámicas de baja expansión térmica tienen mucha importancia en la calidad de la imagen de los telescopios. El primer telescopio fue fabricado en 1608 por el científico holandés Hans Lippershey, quien montó dos lentes de vidrio transparente en un tubo hueco. Al año siguiente, Galileo Galilei construyó un telescopio más grande y comenzó a explorar los cielos. Su pequeño telescopio le permitió observar montañas y cráteres en la Luna, las lunas de Júpiter y 10 veces más estrellas de las que eran visibles a simple vista. Esos primeros telescopios fueron denominados refractivos. La luz pasaba a través de sus lentes de vidrio transparente y se doblaba o refractaba. El control de la forma y la curvatura de las lentes hace que la luz que entra por el telescopio se refracte, lo que proporciona al usuario una imagen ampliada del objeto observado. 


Los binoculares y los teleobjetivos para cámaras funcionan de la misma forma. Los primeros astrónomos aprendieron que las lentes de mayor diámetro daban mayor aumento. En 1668, Isaac Newton descubrió que se podía hacer un telescopio con espejos en lugar de lentes y que los espejos grandes eran más fáciles de fabricar que las lentes de vidrio grandes. Su nuevo tipo de telescopio se llamó telescopio reflector. Se construyeron grandes telescopios reflectores con espejos metálicos entre 1700 y 1800; uno de ellos medía 12 metros de largo y 1,2 metros de diámetro. Sin embargo, estos telescopios tenían un problema importante: las variaciones de temperatura hacían que sus espejos de metal de alta expansión térmica se distorsionaran y difuminaran la imagen de los objetos distantes. 


A principios de la década de 1900, George Ellery Hale propuso fabricar grandes espejos de vidrio con solo una capa muy delgada de metal para la superficie reflectante. Creía que el vidrio sería un mejor material de construcción para los espejos porque su menor expansión térmica aseguraría una mejor estabilidad dimensional durante los cambios de temperatura. Sin embargo, nunca se habían fabricado grandes espejos de vidrio. Hale trabajó con una empresa de vidrio para hacer primero un espejo de 1,5 metros y luego uno de 2,5 metros. Los telescopios resultantes, especialmente bajo el mando del destacado astrónomo Edwin Hubble, llevaron a avances espectaculares en nuestro conocimiento del universo. 


Desafortunadamente, los espejos de vidrio todavía sufrían demasiada expansión térmica y causaban borrosidad. En 1927, Hale había oído hablar de un vidrio llamado cuarzo fundido. El cuarzo, una cerámica natural a base de dióxido de silicio , es uno de los materiales más abundantes en la Tierra, que se encuentra en forma de arena y en las rocas areniscas y cuarcitas. Con dificultad, el cuarzo se puede fundir a alta temperatura para formar un vidrio que tiene una expansión térmica muy baja (casi nula). Hale comenzó un proyecto para construir un telescopio reflector de 5 metros de diámetro utilizando vidrio de cuarzo fundido. Sin embargo, después de 4 años de esfuerzo, se dio por vencido y cambió al vidrio Pyrex, que había sido desarrollado por la empresa Corning Glass para recipientes de cocina que se pudieran introducir en un horno. El vidrio Pyrex no tenía expansión cero, pero tenía una expansión mucho menor que el vidrio que se había utilizado anteriormente para los espejos. 


Corning no había fabricado previamente un disco de vidrio de más de 0,75 metros, por lo que la tarea se llevó a cabo resolviendo por fases los problemas de ingeniería a medida que se encontraban. Finalmente, después de varios años más de esfuerzo, el equipo de Corning estaba listo en marzo de 1934 para moldear (verter vidrio fundido en un molde) material para un espejo de 5 metros. Se partió de un bloque maestro de 65 toneladas de vidrio a 1500 ºC, transfiriendo el vidrio fundido a cubos revestidos de cerámica (“cucharones”), cada uno con 340 kilos de vidrio fundido, y vertiendo los cucharones en el molde de cerámica para el espejo de 5 m. El molde tardó 10 horas en llenarse con 19 toneladas de vidrio caliente. Se trasladó a un horno especial, donde se pudo enfriar muy lentamente a temperatura ambiente. El enfriamiento se completó en junio de 1934.


Después de todo este tiempo y esfuerzo, el disco de vidrio fundido contenía defectos que lo hacían inadecuado para un espejo de telescopio. En diciembre de 1934, se entendieron las causas de estos defectos y se pensó en cómo resolver los problemas. Además, en ese momento, se había desarrollado una composición de vidrio mejorada, con una expansión térmica un 25% menor. Un segundo disco de 5 m de la nueva composición se fundió y se enfrió cuidadosamente durante 10 meses. Esta pieza en bruto fue declarada apta para esmerilar y pulir en forma de espejo. El enorme espejo en bruto fue transportado a un taller de pulido en Pasadena (California) en un vagón especial. 


El pulido del disco comenzó de inmediato y se esperaba que se completara a principios de la década de 1940, pero el trabajo fue interrumpido por la Segunda Guerra Mundial. Se reanudó después de la guerra y se completó en 1948. Más de 4,5 toneladas de la pieza en bruto del espejo se habían eliminado minuciosamente, consumiendo casi 30 toneladas de abrasivos cerámicos de joyería. El disco de vidrio Pyrex se pulió con una precisión de 10 millonésimas de pulgada, que es aproximadamente una milésima parte del grosor de una hoja de papel. Más de 20 años después de que Hale comenzara el proyecto, el telescopio de 5 metros de espejo entró en servicio en enero de 1949 en el observatorio estadounidense de Monte Palomar. Lamentablemente, Hale había muerto en 1938, pero el telescopio lleva su nombre y nos permitió ver más profundamente el espacio y con más claridad que nunca. Su idea de utilizar un vidrio de baja expansión térmica se había podido llevar a la práctica con gran éxito.

Bibliografía: David W. Richerson: The Magic of Ceramics, Wiley, 2006.

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