Todos tenemos derecho a explorar el cosmos, sobre la construcción de un telescopio reflector casero

Todos tenemos derecho a explorar el cosmos, sobre la construcción de un telescopio reflector casero

Autor: Carlos A. Benavides Gallego

Resumen

En este artículo se describe el proceso para la construcción de un telescopio reflector newtoniano. Inicialmente se hace una pequeña discusión sobre la importancia de las ondas electromagnéticas para el estudio y exploración del universo, después se habla sobre la historia y el origen del telescopio comentando algunos aspectos importantes y, finalmente, se describe su proceso de construcción haciendo alusión a los materiales y pruebas más importantes.


Es inevitable observar el cielo nocturno y no cuestionarnos sobres sus orígenes, su funcionamiento y su evolución. Pero, ¿cómo ha hecho el ser humano para explorar y entender el funcionamiento de objetos que están a millones de años luz? Muchos de los instrumentos usados por los científicos para la exploración del universo tienen como base fundamental un concepto físico: las ondas electromagnéticas, pues la luz que recibimos de las estrellas lejanas y la que se refleja en los planetas son catalogadas como tales; por lo tanto, los instrumentos diseñados por el ser humano tienen como función principal captar estas señales. En la Figura 1 se muestra lo que se conoce como el espectro electromagnético: la clasificación de las ondas de acuerdo a su frecuencia y longitud de onda. Para entender un poco mejor la información que nos presenta, pensemos en lo siguiente: imaginemos una cuerda de cierta longitud, con uno de sus extremos atado a una pared mientras se sostiene el otro con la mano; si se mueve el extremo libre, verticalmente y de manera periódica, se generan pulsos que viajan a través de la cuerda, los cuales, después de cierto tiempo, adquieren la forma que se muestra en la Figura 2 (c). Las ondas así formadas están caracterizadas por sus crestas y valles, su longitud de onda, frecuencia, periodo y amplitud (Figura 3). Intuitivamente, la forma final de la cuerda dependerá del movimiento de la mano: si es lento, es decir, si la frecuencia es pequeña, la longitud de onda será mayor; si, por el contrario, es rápido (mayor frecuencia), la longitud de onda será menor, como muestran claramente las figuras 1 y 4.

Por lo tanto, existe una relación importante entre la frecuencia y la longitud de onda, y con ella, la energía asociada: a mayor frecuencia, menor su longitud de onda y mayor la energía que contiene. Así pues, la variedad de las ondas presentes en el espectro, de las cuales el ser humano solo percibe una pequeña franja, va desde las más energéticas, como los rayos gamma, hasta las ondas de radio, que contienen menor energía. Es precisamente esta variedad en el espectro lo que nos permite estudiar el universo desde distintas perspectivas.

Como se mencionó antes, las señales que envían los objetos celestes en forma de ondas electromagnéticas, como la luz, son de gran interés para los astrónomos, pues en ellas hay información valiosa que permite abrirnos paso en esa selva de preguntas en la que está sumergida la exploración. Es por eso que en este escrito, y motivados por la idea de que todos tenemos derecho a explorar el cosmos, nos centraremos en la construcción de un dispositivo que permite observar el universo y que funciona en el sector del espectro electromagnético conocido como luz visible, aquel que los ojos están en capacidad de percibir, y que recibe el nombre de telescopio.

Antes de su llegada en 1608, la observación del universo estaba completamente restringida, pues lo único que podía estudiarse eran las estrellas y algunos planetas que se veían a simple vista (5). Cuando el telescopio aparece en escena gracias Jan Lippershey, un holandés fabricante de lentes, se abre la posibilidad de observar más profundo en el espacio. El instrumento construido por Lippershey, basado en la refracción de las ondas de luz, consistía de dos lentes de una pulgada de diámetro, uno convexo y el otro cóncavo, dispuestos de tal forma que las imágenes aumentaban su tamaño tres veces; más adelante, Galileo Galilei construyó un telescopio que podía magnificar la imagen ¡hasta unas 30 veces! (5), permitiéndole hacer muchos descubrimientos entre los que se encuentran algunas lunas de Júpiter, las cuales lo llevaron a pensar que las órbitas de Aristóteles no existen y que todos los cuerpos celestes no giran alrededor de la Tierra (6). Esto fue un golpe contundente al geocentrismo que promulgaba la iglesia católica de la época y que le generó muchos problemas.

Diversos telescopios basados en el de Lippershey fueron construidos por astrónomos aumentando cada vez más la capacidad de observación, y por ende, la capacidad de dar respuestas, proponer nuevas teorías y generar nuevas preguntas. Sin embargo, con el incremento en la magnificación de los telescopios comenzó a surgir un problema en la formación de las imágenes, causado principalmente por la curvatura de los lentes: aberración. Con la intensión de solucionarlo, Sir Isaac Newton comenzó a estudiar la formación de las imágenes a través de superficies reflectoras (espejos), como consecuencia de sus investigaciones en óptica. Todo este esfuerzo concluyó con la aparición del telescopio reflector newtoniano en 1668 (5), un concepto muy distinto al usado en los telescopios refractarios. Mientras estos últimos se basan en la formación de imágenes a través del comportamiento de la luz al cambiar de medio (refracción), el diseñado y construido por Newton se basa en la formación de imágenes a través de espejos (reflexión), por ende, existen dos tipos de telescopios, cada uno de los cuales se basa en distintos comportamientos que experimenta la luz. Un esquema del telescopio newtoniano se muestra en la Figura 5.

En este escrito está contenido, a grosso modo, los aspectos más importantes en la construcción de un telescopio reflector newtoniano, los cuales se dividen en cuatro etapas fundamentales que describiremos a continuación: la construcción del espejo primario, test de Foucault, plateado del espejo y creación de la montura.

En la fabricación del espejo primario se usaron dos discos de vidrio de 15,25 cm de diámetro y 19 mm de grosor. Uno de estos será el espejo primario y el otro, la “herramienta” con la que se realizará el pulido. En la referencia (5) se recomienda que ambos sean de pírex, un tipo de vidrio resistente a cambios bruscos en la temperatura. Sin embargo, este tipo de vidrio es costoso; además, la idea de este artículo es describir la construcción de un telescopio reflector con materiales de fácil acceso.

Para el proceso de pulido se usó un material conocido como carburo de silicio, usado para la fabricación de lijas y discos para pulir metal. El carborundo tiene varios calibres. Para el espejo fue necesario usar los calibres 80 y 400; en la parte final del pulido se usó óxido de hierro rojo, un polvo muy fino. Ver figuras 6a y 6b

Para iniciar la fabricación del espejo primario, es necesario ubicar la herramienta a una altura cómoda, por ejemplo, una mesa. También se recomienda que repose sobre papel periódico humedecido para evitar que se deslice al realizar los movimientos de pulido como muestra la Figura 6c. Una vez la herramienta esté ubicada correctamente, se procede añadiendo homogéneamente sobre la superficie una cantidad mesurada del carburo No. 80 y luego agregamos un poco de agua; después, se coloca la superficie del espejo primario sobre la “herramienta” que contiene la mezcla de carburo y agua, se gira un poco para distribuir mejor los cristales y se comienza el pulido realizando movimientos horizontales. Es importante generar la presión en el centro del espejo primario, y hacer los movimientos con una amplitud tal que el centro coincida con el borde de la herramienta en cada “brazada” (movimiento horizontal y periódico del brazo).

Se deben contar nueve “brazadas”, después de las cuales, se gira el espejo en contra del movimiento de las manecillas del reloj y se repite el proceso; así se va generando la curvatura del espejo. Al final del pulido, el radio de curvatura debe ser de 2,49 m; para corroborarlo, se mide la sagita, que debe tener un valor de 0,047 pulgadas. Es muy importante, cuando se esté cerca al valor de la sagita, pasar del calibre No. 80 al 400.

Al trabajar con el carburo, la superficie del espejo se ve opaca y porosa, por lo tanto, una vez se haya obtenido la curvatura, se debe suavizar su superficie para el posterior plateado. Para ello, se debe construir lo que se conoce como pitch lap a partir de cera de abejas y colofonia. Como primera medida, se ubica la herramienta en un molde de cartón, como se muestra en la Figura 6a, y a continuación se vierte la colofonia previamente derretida; una vez se enfría, se procede vertiendo la cera de abejas sobre un molde de cuadriculas ubicado de tal forma que el centro de la herramienta quede por dentro de una de estas cuadriculas, como se muestra en las figuras 6b y 6c. Finalmente se aplica una capa de jabón sobre la superficie pulida del espejo para evitar que la cera de abejas se adhiera y se coloca sobre el molde haciendo presión para que la cera tome su forma y, por ende, su curvatura. Pasados 50 minutos, se retira el molde, se agrega óxido de hierro rojo sobre la superficie del pitch lap, un poco de agua y se pule nuevamente el espejo haciendo las mismas “brazadas” de antes hasta obtener la textura inicial del vidrio.

Después del proceso de pulido, se debe realizar el test de Foucault. Para ello es necesario la construcción de un dispositivo con el cual hacer las pruebas. En la Figura 7 se ve el modelo fabricado por los estudiantes del Semillero de Talentos de la Fundación Universitaria Konrad Lorenz basados en una prueba que hallaron por internet (8). El test de Foucault permite estudiar la superficie del espejo fabricado, ya que nos muestra las zonas donde hace falta más trabajo de pulido como muestra la Figura 8; además de la forma del espejo, nos permite hallar la distancia focal. De acuerdo a los ensayos realizados, se pudo establecer que la distancia focal del espejo primario fue de 1,25 m, lo que concuerda con los datos suministrados en (5). Finalmente, la Figura 8d muestra el montaje del test, que debe ser realizado en la oscuridad.

El plateado del espejo es el proceso más delicado ya que involucra una reacción química, por lo tanto, es importante para quien esté construyendo su propio telescopio es importante contar con la ayuda de un experto en la materia pues será necesaria la preparación de soluciones. Una recomendación importante: es vital conocer muy bien cada uno de los reactivos presentes en el proceso de plateado antes de cualquier intento. Para ello, pueden consultar la hoja de seguridad de cada reactivo, la cual contiene mucha información sobre la manipulación y algunos consejos en situaciones de peligro.

El plateado del espejo se basa en una prueba química llamada test de Tollens. Su objetivo principal es evaluar la presencia de aldehídos; si agregamos un aldehído a una solución que contiene el reactivo de Tollens, entonces hay un precipitado de plata metálica. En ese sentido, si sumergimos nuestro espejo en esta solución y agregamos un aldehído, se formara un espejo de plata curvo con el que podemos ¡generar imágenes magnificadas! Es muy probable que deban añadir un poco de calor y repetir varias veces el mismo proceso hasta formar el espejo. Para la preparación de la solución llamada reactivo de Tollens pueden buscar información en internet (9) y diseñar la practica con un experto de química. En la Figura 9 se pueden ver algunas imágenes durante el plateado y el espejo formado.

El proceso de construcción de la montura no es complicado, sin embargo, hay que tener en cuenta la distancia focal del espejo primario y la posición del ocular (ver referencia (5)). Hay varios tipos de monturas: altacimutales, ecuatoriales, alemana, de horquilla, etc. (10). Para el telescopio, utilizamos una montura altacimutal tipo Dobson que consiste en una base de madera que se apoya en el suelo y una plataforma que gira sobre sí misma y actúa como eje acimutal, permitiendo el giro de izquierda a derecha o viceversa. Sobre ella se colocan dos soportes que configuran una especie de “caja” con dos funciones principales: soportar el peso de la estructura sobre la base y actuar de eje de altitud a través de unos cilindros de soporte atornillados en su centro de masa (10). En la Figura 10 se pueden apreciar algunas imágenes de la construcción del soporte.

Finalmente, el telescopio construido puede verse en la Figura 12. Esto fue producto del trabajo de los estudiantes del Semillero de Talentos de la Fundación Universitaria Konrad Lorenz. El proceso de construcción de la montura no es complicado, sin embargo, hay que tener en cuenta la distancia focal del espejo primario y la posición del ocular (ver referencia (5)). Hay varios tipos de monturas: altacimutales, ecuatoriales, alemana, de horquilla, etc. (10). Para el telescopio, utilizamos una montura altacimutal tipo Dobson que consiste en una base de madera que se apoya en el suelo y una plataforma que gira sobre sí misma y actúa como eje acimutal, permitiendo el giro de izquierda a derecha o viceversa. Sobre ella se colocan dos soportes que configuran una especie de “caja” con dos funciones principales: soportar el peso de la estructura sobre la base y actuar de eje de altitud a través de unos cilindros de soporte atornillados en su centro de masa (10). En la Figura 10 se pueden apreciar algunas imágenes de la construcción del soporte.

Finalmente, el telescopio construido puede verse en la Figura 12. Esto fue producto del trabajo de los estudiantes del Semillero de Talentos de la Fundación Universitaria Konrad Lorenz.

Se destaca el apoyo de la Fundación Universitaria Konrad Lorenz y los estudiantes del Semillero de Talentos. El esfuerzo que ha realizado la Universidad para llevar la matemática, la ciencia y la tecnología al alcance de todos ha sido de gran importancia, inspirando a muchos jóvenes que sueñan con ser científicos y observar ese cosmos al que todos tienen acceso.

REFERENCIAS

(1). Wordpress. Fisica Cuantica. Disponible en: https://edbar01.wordpress.com/segundo-corte/espectro-electromagnetico/. Consultado Junio 2016.

(2). French A. P. Ondas progresivas. En: Editorial Reverte. Vibraciones y Ondas.2006. p. 229. Wordpress. Disfruta la Fisica. Disponible en: https://drisfrutalaisica.wordpress.com/segundo-ciclo/ondas/. Consultado Junio 2016.

(3). Intercentres. Ondas. Disponible en: http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Ondas/Ondas12.htm. Consultado Junio 2016.

(4). Allyn J. Thomson. Story of the telescope. En: Dover publications Inc. Making your Own telescope. 2003. p 8.

(5). Wikipedia. Galileo. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Galileo_Galilei#El_telescopio_y_sus_consecuencias. Consultado Junio 2016.

(6). Maciencia. Telescopio. Disponible en: http://masciencia.org/blog/telescopio1. Consultado julio 2016.

(7). Jlc. Foucault test. Disponible en: http://www.jlc.net/~force5/Astro/ATM/Foucault/FoucaultTester.html. Consultado Junio 2016.

(8). Wikipedia. Test de Tollens. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Reactivo_de_Tollens. Consultado Julio 2016.

(9). Mikel Berrocal. Importancia de la montura. Disponible en: http://www.aavbae.net/bol15/montura.htm. Consultado Junio 2016.

 

(10). Astronomo.org. Montura tipo Dobson. Disponible en: http://www.astronomo.org/foro/index.php?topic=6888.0. Consultado Junio 2016.

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