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Tecnología

Las antenas de ALMA

La antena es el corazón de ALMA. Estas son los radiotelescopios de mayor calidad jamás construidos y deben mantener su forma precisa bajo los esfuerzos de la operación remota a gran altitud en el sitio del Llano de Chajnantor. El sitio ofrece el cielo excepcionalmente seco y claro requerido para operar en longitudes de onda milimétricas y sub-milimétricas, pero también experimenta grandes variaciones de temperatura diurnas y fuertes vientos de mediodía. Las antenas de ALMA serán más que capaces de operar en este entorno extremo, permitiendo a ALMA explotar completamente este sitio espléndido. Lee más sobre las antenas y los transportadores de ALMA.

Tecnología de detectores

Los sistemas de recepción de ALMA cubrirán la totalidad del espectro electromagnético observable desde la superficie de la Tierra desde 0,3 mm a 9,6mm de longitud de onda. En el corazón del sistema de recepción existen sensibles mezcladores de conexiones superconductoras de efecto túnel, operando a solo 4 Kelvin (269ºC bajo cero). Juntos, los sistemas mezcladores situados en las antenas de ALMA serán el sistema electrónico de recepción superconductor más extenso del mundo. Lee más sobre el Front End de ALMA.

Capacidad de procesamiento de señales

ALMA forma imágenes combinando continuamente señales recibidas de cada una de las antenas con aquellas recibidas de cada una de las otras antenas. Existen 1.225 pares posibles de antenas. Desde cada antena, se recibirá un ancho de banda de 16 GHz desde el objeto astronómico que es observado. La electrónica digitalizará y procesará numéricamente estos datos a una tasa de más de 16.000 millones de millones (1.6 x 10¹⁶) de operaciones por segundo. Las imágenes astronómicas se construirán a partir de los datos procesados.  Lee más sobre el Back End de ALMA y el correlacionador.

Las antenas de ALMA: Instrumentos Móviles de Alta Precisión 

   Las 3 antenas prototipo en la Instalación de Prueba de ALMA (ATF), Socorro, Nuevo México, EE.UU.

La calidad y rendimiento de las antenas definen la funcionalidad total de ALMA. Los requisitos de rendimiento mayores de cada antena son apuntamiento absoluto de 2’’ sobre el cielo entero, apuntamiento diferencial de 0.6’’, una precisión de superficie total RMS de 25 micrómetros y la capacidad de cambiar rápido a través de un rango de 2 grados en menos de 1,5 segundos.

Estos requisitos son por lo menos comparables con aquellos de radiotelescopios submilimétricos existentes; sin embargo todas éstas, excepto la antena APEX que es muy parecida a una antena prototipo de ALMA, están protegidas del tiempo por refugios. Estas son especificaciones muy rigurosas para antenas expuestas completamente al ambiente de tiempo duro a 5.000 metros de altitud.

En vista de las dificultades para cumplir estos requisitos, las antenas prototipo fueron suministradas por tres empresas: el Consorcio AEM (conseguida por ESO), Vertex RSI (conseguida por NRAO para Norteamérica) y Mitsubishi Electrical Company (conseguida por NAOJ para Japón).

Los tres prototipos fueron probados extensamente en la Instalación de Prueba de ALMA (ATF) en Socorro, Nuevo México. Varios grupos de expertos internacionales, tanto internos como externos a ALMA, examinaron el rendimiento de las antenas prototipo y concluyeron que sobre la base del funcionamiento probado, su rendimiento esperado en el sitio de ALMA se ajusta a los requisitos técnicos para los tres diseños.

Los Transportadores de Antenas de ALMA 

Las antenas de ALMA estarán funcionando a una altitud de 5.000 metros. El conjunto de antenas se puede reconfigurar a fin de alcanzar los requisitos de toma de imágenes al trasladar las antenas de las estaciones al Sitio de Operaciones del Conjunto de antenas de ALMA (AOS por su sigla en inglés). Hay una configuración compacta en la cual todas las antenas funcionan dentro de un área de 160 x 250 metros y hay una configuración extendida para la cual la separación máxima entre las antenas alcanza cerca de 16 km. A fin de mover las antenas, en que cada una pesa más de 100 toneladas, el proyecto ALMA ha diseñado dos unidades de un vehículo de transporte especial.

Estos transportadores, nombrados Otto y Lore, son verdaderamente únicos. Primero trasladarán las antenas desde su área de montaje, el Centro de Operaciones (OSF, por su sigla en inglés) (2.900 metros) a las posiciones dedicadas en el AOS (5.000 metros).

Después del traslado inicial desde el OSF, moverán las antenas alrededor en el AOS – a configuraciones compactas o extendidas – y colocarán las antenas a una precisión de algunos milímetros. Además, estos transportadores también moverán las antenas para el mantenimiento y la reparación desde el AOS al OSF. El peso de las antenas, su alta precisión y el medio ambiente hostil de gran altura imponen condiciones límite severas a los vehículos de transporte. Cada una de estas máquinas enormes tiene 28 neumáticos, 10 metros de ancho, 20 metros de largo y 6 metros de alto, pesa 130 toneladas y tiene tanta potencia como dos motores de Fórmula 1.

El Front End de ALMA

Receptores de Alta Sensibilidad a Bajas Temperaturas

El sistema de Front End de ALMA es el primer elemento en una cadena compleja de recepción, conversión, procesamiento y grabación de señales. El Front End está diseñado para captar señales de diez bandas de frecuencia diferentes.
El Front End de ALMA es de lejos superior a cualquier sistema existente. De hecho, productos derivados de los prototipos de ALMA están llevando a sensibilidades mejoradas en observatorios milimétricos y submilimétricos existentes en todo el mundo. Las unidades del Front End se componen de numerosos elementos, producidos en distintos lugares en Europa, Norteamérica, Asia Oriental y Chile.


Los Criostatos de ALMA

El elemento individual más grande del sistema Front End es el criostato con el criorefrigerador adjunto. Los criostatos contendrán los receptores, que están montados en cartridges y pueden ser instalados o reemplazados en forma relativamente fácil. La óptica caliente, las ventanas y los filtros infrarrojos correspondientes fueron entregados por el Institut de Radio Astronomie Millimétrique (IRAM, Francia). La temperatura de operación de los criostatos será extremadamente baja, 4 K (equivalente a 269 C bajo cero).

Las Bandas de los Receptores de ALMA 

En la fase inicial de operaciones, las antenas estarán equipadas con al menos cuatro bandas: Banda 3 (3mm), Banda 6 (1mm), Banda 7 (0.85mm), Banda 9 (0.45mm). Se proyecta equipar las antenas con las bandas faltantes en una etapa posterior de las operaciones de ALMA (ver abajo: 10 Bandas de Frecuencia de las antenas de ALMA). Las especificaciones técnicas de los diversos receptores son bastante exigentes y, en el momento de su definición, eran al nivel de vanguardia o en algunos casos incluso más allá. Los programas de desarrollo fueron exitosos, ya que los requisitos se pudieron cumplir – y en algunos casos el rendimiento es incluso mejor que lo definido en las especificaciones.

Las 10 Bandas de Frecuencia de las antenas de ALMA

Los Centros de Integración del Front End de ALMA

Un proyecto de construcción como ALMA, involucrando a varios socios en cuatro continentes distintos, requiere consenso en varias decisiones organizacionales y directivas referentes a la ejecución real de ciertas actividades de construcción. Se estudiaron extensamente varios escenarios diferentes para montar e integrar los componentes del Front End. Este estudio reveló que la mejor solución era un “enfoque paralelo”, instalando la mitad del Front End en Europa y la otra mitad en Norteamérica con procedimientos idénticos y paralelos. Este escenario fue preferido por consideraciones de logística, de organización y del programa. Los FEIC (Centros de Integración del Front End) paralelos fueron seleccionados basado principalmente en consideraciones de mitigación de riesgo. El FEIC Europeo está ubicado en el Rutherford Appleton Laboratory y el FEIC Norteamericano en el NRAO. Un tercer FEIC está instalado en Taiwán para realizar la integración de los ensamblajes del Front End requeridos para las antenas suministradas por el NAOJ.


Los Radiómetros de Vapor de Agua

Los Radiómetros de Vapor de Agua (WVR por su sigla en inglés) son necesarios para proveer una corrección de las fluctuaciones del vapor de agua atmosférico. El desarrollo de dos WVRs prototipo diferentes en la Universidad de Cambridge y el Observatorio Espacial de Onsala (OSO, Suecia) se ha completado y ambos se han sometido a pruebas intensivas en el Conjunto Sub-Milimétrico (SMA por su sigla en inglés) en Mauna Kea (Hawaii). El rendimiento clave de ambos prototipos satisface los requisitos. ESO ha contratado la producción de 53 unidades de WVR a una industria cualificada.

El Back End y el Correlacionador de ALMA

Los sistemas del Back End de ALMA entregan al Correlacionador instalado en el Edificio Técnico del AOS (Sitio de Operaciones del Conjunto) las señales generadas por las unidades del Front End instaladas en cada antena. El procesamiento de señales y la transferencia de datos se muestran esquemáticamente en este cuadro. Los datos analógicos, producidos por la electrónica del Front End, se procesan y digitalizan antes de entrar en el codificador de datos, seguido por las unidades transmisoras por fibra óptica y los multiplexores. Todos estos elementos están instalados en las cabinas del receptor de cada antena. Las señales ópticas entonces son transmitidas por fibras al Edificio Técnico del AOS. La distancia total, en una de las configuraciones de las antenas, llega a ser de 15 kilómetros. En el Edificio Técnico las señales ópticas entrantes son demultiplexadas y deformateadas antes de entrar en el Correlacionador. 

Diagrama esquemático del Procesamiento de Señales y Transferencia de Datos de ALMA desde el Front End al Correlacionador.

El Correlacionador del conjunto principal de ALMA

El Correlacionador de ALMA, que será instalado en el Edificio Técnico del AOS, es el último componente en el extremo de recepción de la transmisión de datos. Es un sistema de procesamiento de datos muy grande, compuesto de cuatro cuadrantes, cada uno de los cuales puede procesar datos que llegan de hasta 504 pares de antenas. El Correlacionador completo tendrá 2.912 circuitos impresos, 5.200 cables de interfaz y más de 20 millones de puntos de soldadura. Las partes integrantes del Correlacionador son las tarjetas del Banco de Filtros Sintonizables (TFB por sus sigla en inglés). La distribución es tal que cuatro tarjetas del TFB son necesarias para los datos que llegan desde una sola antena. Las tarjetas del TFB han sido desarrolladas y optimizadas por la Université de Bordeaux durante los últimos pocos años.

El primero de los cuatro cuadrantes del correlacionador de ALMA.

El Correlacionador del Atacama Compact Array (ACA)

El correlacionador del ACA está disenado para procesar las señales detectadas por el Atacama Compact Array (ACA). Este correlacionador consiste en un total de 52 módulos conectados unos a otros a través de fibra óptica. Todos los módulos están instalados en 8 racks en el edificio técnico del AOS. Los espectros de potencia resultantes de la correlación son transferidos a los computadores de procesamiento de datos del ACA.