Beneficios del GTM para la sociedad mexicana

Organizado por W. F. Wall

Usando las contribuciones y los consejos de D. Gale, M. Velázquez de la Rosa Becerra, D. Ferrusca Rodríguez, E. Castillo Domínguez, A. Torres Jacome, D. Hughes, E. Vazquez-Semadeni, A. Torres-Campos, M. Chávez Dagostino, R. Mújica García.


Introducción

El mundo del siglo XXI es científicamente y tecnológicamente avanzado. La investigación científica básica, o pura, es esencial para avanzar, e incluso mantener, nuestra civilización moderna. La ciencia moderna beneficia a la sociedad en las áreas de la medicina, construcción, fabricación, transporte, electrónica, economía y muchas otras más. Además de proporcionar nuevos conocimientos para la humanidad, la ciencia básica es uno de los principales motores del desarrollo de productos. De hecho, el retraso entre un descubrimiento de ciencia básica y su aplicación es significativamente menor que en el caso de la investigación aplicada [1,2].

La astronomía, ciencia básica, no sólo nos ha permitido entender mejor a nuestro planeta, la Tierra, y nuestro lugar en él [3]. Además, la astronomía y la aplicación de su investigación han revolucionado la manera en que la humanidad piensa gracias a la medición del tiempo y la navegación a través de los océanos. La astronomía nos ha permitido entender mejor la Tierra y cómo nuestro planeta puede ayudarnos o dañarnos [3]. La investigación en la astronomía genera beneficios sociales importantes, ya que al estar en la vanguardia de la ciencia, se esfuerza constántemente en mejorar los instrumentos y técnicas más alllá de las capacidades del momento, dando lugar al desarrollo de tecnología como son los satélites de comunicaciones, teléfonos móviles, el sistema de posicionamiento global (GPS), páneles solares y escáneres de resonancia magnética (MRI), entre otros.

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano es un proyecto de investigación de la ciencia básica, específicamente de astronomía. Aunque la investigación básica sea su propósito primario, este proyecto confiere beneficios a la humanidad y a la sociedad mexicana en particular. Este documento presenta numerosos ejemplos de dichos beneficios en áreas que abarcan desde la electrónica y las telecomunicaciones hasta el desarrollo de recursos humanos y las grandes colaboraciones internacionales.

Los detectores y las cámaras

Los detectores electrónicos impregnan el mundo moderno, siendo utilizados industrialmente, o de manera doméstica, en el diagnóstico médico, y así como en la investigación científica. El GTM utilizará innovadoras cámaras para medición de radiación milimétrica (por ejemplo, TolTEC, SEQUOIA, y MUSCAT). Éstas constan de arreglos de miles de detectores (es decir, de gran formato) y requieren nuevas técnicas de lectura. Por ejemplo, los detectores del TolTEC usan el efecto de inductancia cinética (KIDs por sus siglas en inglés) y requieren ser enfriados criogénicamente para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (i.e. 250 mK ó –273.13° C).

La criogenia de 0.25 – 4 K y más frio es una nueva capacidad para el país de México. Los desarrollos de criogenia de menos de 4K (–269.16° C) en el INAOE han permitido a México incursionar en el desarrollo y fabricación de sistemas de 77K (–196° C) fabricados en México. Por ejemplo en otros instrumentos como Megara para el Gran Telescopio de las Canarias (GTC) a un costo mucho menor y bajo diseño y específico para esa aplicación. Tal enfriamiento criogénico permite mejorar la caracterización de circuitos amplificadores y la óptica, que impactará a la industria. La criogenia es aplicada a la biología para la conservación de material genético, a la medicina en criocirugía, a otros tipos de detectores en cryoelectronics, a templado frío de los metales, y a combustibles para naves espaciales [4].

Los arreglos de detectores milimétricos han impulsado el uso de nuevo hardware de alto procesamiento computacional y, en conjunto con el software adecuado, puede ser usado en el procesamiento de alto rendimiento, como para reconocimiento de imágenes en diversos ámbitos de la ciencia, medicina, militar, etc. Gracias al trabajo en los detectores para instrumentos de GTM, hay mejor lectura electrónica y mejores algoritmos para la lectura de los detectores, que mejorarán las cámaras que contienen esos detectores, el procesamiento de imágenes, y la detección de rostros. Tales cámaras son útiles para la seguridad en los aeropuertos de escáneres de cuerpo completo y son mucho más seguros que los escáneres de rayos X [5]. Las cámaras milimétricas también son útiles para examinar la solidez de los transformadores eléctricos y para examinar grandes estructuras de ingeniería como puentes y rascacielos; miles de personas usan tal estructuras cada día y la seguridad de ésas es vital. También tales cámaras son útiles para el monitoreo remoto de sitios en la determinación de la salud de flora y fauna; este último es útil para la predicción de rendimientos agrícolas, que influye en la economía de cualquier país. Se propone el desarrollo en el INAOE de estaciones meteorológicas autónomas de bajo costo que puedan trasladarse a diversos sitios y monitorear flora, fauna, agricultura, etc. También será posible monitorear nuevos sitios potenciales para telescopios astronómicos y preservar los actuales, evitando la contaminación lumínica. Todos ellos se beneficiarán de las arreglos de gran formato en ondas milimétricas que ahora es posible.

Las aplicaciones médicas de estas cámaras de ondas milimétricas son especialmente emocionantes, porque permite la fácil detección de caries dentales y hasta el diagnóstico más temprano del cáncer; otra vez, las ondas milimétricas penetran el cuerpo con más seguridad que los rayos X [5], pero son también sensibles a cambios de temperatura leves en los tejidos corporales. Diagnóstico precoz del cáncer implica un tratamiento más eficaz, dando por resultado más vidas salvadas.

Radiómetros de ondas milimétricas también potencialmente pueden mejorar pronósticos de erupciones volcánicas por inferir la distribución tridimensional de ceniza dentro de las fumarolas volcánicas [6]. Esto también puede salvar vidas.

Otras innovadoras técnicas incluyen la fabricación de tiras uniformes de aluminio de 2 micras de ancho y la técnica de la pulverización reactiva. La capacidad de fabricar esas pequeñas tiras metálicas es útil en la industria para fabricar circuitos integrados mejores, a un menor costo. La pulverización reactiva mejorada permite la deposición de capas de diferentes materiales compuestos, como AlN, TiN, así como una amplia gama de películas estequiométricas delgadas, que nos da la capacidad para ajustar las propiedades de estos materiales a la aplicación específica [7]. Esto nos beneficia en la vida cotidiana porque nos provee con mejor óptica, que se usa en celulares y cámaras, recubrimientos protectores de maquinaria, baterías y celdas solares, así como como aplicaciones médicas.

El diseño y la construcción de estos detectores y cámaras inspiran a la próxima generación de ingenieros y científicos. Los estudiantes viajan a otros países para entrenamiento y regresan a México con nuevas habilidades de fabricación.

La metrología

El proyecto de GTM requiere conocimientos técnicos en la metrología dimensional a gran escala con el fin de construir y alinear las superficies de la superficie reflejante de la antena. Para lograr este objetivo, el GTM ha creado probablemente el grupo más grande y más competentes en la metrología dimensional de gran volumen en México. El grupo tiene una experiencia considerable en el uso de rastreadores láser comerciales y en las técnicas de la fotogrametría, que se aplican a la medición de superficies de reflector complejo y la alineación de grandes estructuras en la antena. El éxito del grupo en estas actividades ha desempeñado un papel crucial en la capacidad del GTM para funcionar como un centro astronómico mundial desde 2013.

La necesidad de la medición de forma precisa y de la alineación de objetos grandes es ahora algo común en muchas áreas de la producción industrial y mantenimiento [8] [9]. Medición a gran escala de forma es esencial para los fabricantes de partes del cuerpo del vehículo, conchas de aviones y turbinas eólicas. Alineación de componentes es de importancia vital en la puesta en marcha de instalaciones industriales y en muchas tareas de mantenimiento especializado. Empresas con necesidades en ambos campos están presentes en México y podrían beneficiarse de los conocimientos y la experiencia adquirida durante la construcción del GTM.

También, el grupo está bien posicionado para proporcionar asistencia a la industria en temas como técnicas de medición general, gestión de error y la preparación de la documentación pertinente de la metrología. Por ejemplo, se incluyeron los temas mencionados en un taller de metrología preparado para el departamento de producción en un fabricante de materiales de construcción en Tlaxcala en el año 2017. El grupo de metrología de GTM no pretende competir con cursos establecidos de la metrología, sin embargo, el grupo está bien posicionado para ofrecer orientación específica a la medida de los intereses del cliente.

La experiencia del grupo con el GTM se aplica fácilmente a otros proyectos de la antena de ondas milimétricas. En el año 2016 el grupo realizó caracterización del reflector primario de la antena RT5 de 5 metros en el INAOE. En el año 2017 el equipo colabora con la Agencia Espacial Mexicana (AEM) para evaluar la antena de comunicaciones de 32 metros ubicada en el Estación Terrena en Tulancingo, Hidalgo, con el fin de reacondicionar estas antenas para la astronomía o para la investigación aeroespacial.

Colaboraciones recientes entre el equipo de la metrología GTM y el Centro Nacional de Metrología (CENAM) de México han dado como resultado una mejor comprensión de la capacidad de medición de las técnicas de la metrología comercial. Varios procedimientos comunes presentados en simposios de la metrología y de la ingeniería en asociación de con el CENAM también han proporcionado una valiosa exposición del proyecto GTM dentro de la comunidad internacional de la metrología. Para mencionar un ejemplo, metrólogos superiores del NIST en los Estados Unidos y del Instituto Nacional Italiano de Investigación de Metrología (INRIM) visitaron el GTM en 2016 para ver de primera mano los logros del proyecto en la ingeniería y en la metrología.

Las actividades recientes del grupo de metrología fuera de México incluyen la participación en simposios y talleres en los Estados Unidos, las asignaciones de la metrología en Francia e Italia, y presentaciones de resultados del GTM en conferencias de la ingeniería astronómica en Canadá y Europa. Dentro de México, el trabajo del grupo es presentado regularmente en las reuniones de la ingeniería y metrología. El equipo de metrología ofrece la participación entusiasta en las actividades de difusión, dando charlas y demostraciones a las escuelas y colegios y en eventos públicos. El alto porcentaje de mujeres en el grupo se acentúa en este tipo de eventos y le inspirará que más mujeres se conviertan en científicos e ingenieros. El grupo de metrología de GTM es altamente comprometido a inspirar la próxima generación de profesionales técnicos en México, así como a poner fin a la desigualdad de género en ciencia e ingeniería, siendo constantemente comprometidos en la comunicación científica para todos los públicos.

El sensado remoto y las telecomunicaciones

Para evitar que los desastres naturales afecten la economía nacional, México está en el proceso de desarrollo de ciencia espacial que utiliza satélites para monitorear las variaciones del tiempo, vigilar el suelo y los cultivos o incluso monitorear incendios. Por la naturaleza de los proyectos se crea una sinergía entre la agencia espacial mexicana (AEM) y el GTM, el cual apoya a la AEM con los detectores y la ingeniería.

La ciencia y tecnología desarrollada para el GTM es aplicable de forma directa en la AEM. Además, los ingenieros y científicos del GTM pueden proveer consultoría sobre antenas para la comunicación satelital. Por ejemplo, la gran experiencia con el apuntado de alta precisión del GTM o el mantenimiento de las superficies exactas provisto por el equipo de metrología.

Localizar estructuras de forma precisa tiene importantes aplicaciones en Geofísica y Sismología; esto es muy útil en México ya que es un país activo sísmicamente. El GTM es la estructura cuya posición es conocida con mayor precisión con el GPS en México, gracias a los experimentos de interferometría de líneas de base muy largas en los colaboraciones internacionales. Esta propiedad permite al GTM rastrear satélites más exactamente y a inferir mejor estructura de la atmósfera terrestre, como se hace en Haystack Observatory en los Estados Unidos (ver [10] y su enlace de publicaciones). La tecnología del GTM está al frente de lo que se convertirá en las telecomunicaciones del futuro.

Las técnicas del software

Vivimos en la era grande de datos y el software utilizado para, y desarrollado por, el GTM permitirá mejor procesamiento e interpretación de de dichos datos. Por ejemplo, el software para los detectores mencionados anteriormente que leerá y procesará las imágenes, también será de aplicación a la medicina para diagnóstico, a la industria para control de calidad y a la seguridad en los aeropuertos y en otras áreas. El software utilizado por el grupo de metrología de GTM permitirá análisis y optimización de las superficies de medición en muchas otras industrias, los tipos de industrias listadas anteriormente.

Los recursos humanos

Es muy fácil de atraer la atención del público sobre el proyecto de GTM, porque los proyectos grandes de la astronomía son muy llamativos. Esos proyectos, incluyentes de las minorías, inspiran a las personas a trabajar en las ciencias o en las áreas técnicas. La formación impartida por el INAOE, GTM, y sus laboratorios promueven la colaboración de los estudiantes con investigadores de instituciones internacionales para incrementar sus habilidades y verter ese conocimiento en industria y en medicina méxicana.

Las colaboraciones

La naturaleza misma de la astronomía requiere colaboraciones nacionales e internacionales. El GTM continuará impulsando la investigación en la frontera de la astronomía desarrollando nuevos conocimientos fundamentales para el beneficio de las instituciones astronómicas mexicanas (por ejemplo, el INAOE, el IRyA, y la UNAM), así como centros de investigación de otras áreas (por ejemplo, CENAM, CEMIE, AEM ), de la industria, la sociedad mexicana, y la humanidad entera.

El desarrollo de grandes proyectos de investigación astronómica requiere de colaboraciones internacionales, especialmente en los casos en los que se re quiere de Interferometría de Base Muy Larga (VLBI, por sus siglas en Inglés). Un ejemplo de estos proyectos de VLBI es el Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en Inglés), en el que participa el GTM y que ha obtenido la primera imagen directa de la sombra de un agujero negro. Las colaboraciones internacionales también son necesarias para mantener la calidad de la metrología del GTM. Estas colaboraciones elevan a la visibilidad del GTM y de México, promoviéndo así la confianza en México, que resulta en más inversión y oportunidades, incluso de las empresas grandes de perfil alto. Por ejemplo, la empresa internacional, Bombadier Aerospace, tiene instalaciones en México (es decir, Querétaro, Sahagún, Huehuetoca y CDMX), que reflejan la confianza de la empresa en las capacidades técnicas de México.

Misión y Objetivos

La misión del LANGTM es optimizar la explotación científica del telescopio para maximizar su impacto en investigación y desarrollo tecnológico, por lo que sus principales objetivos son:

  • Desarrollar nuevas generaciones de científicos, ingenieros y técnicos para apoyar el desarrollo de los sectores estratégicos emergentes.
  • Formar y consolidar una comunidad nacional de usuarios del telescopio que incluya nuevos cuadros de investigadores, especialmente en aquellas instituciones que no posean experiencia en astronomía milimétrica.
  • Hacer frente a los problemas sociales a través de métodos científicos que proporcionen beneficios sostenibles para la sociedad.
  • Crear y fortalecer vínculos entre los institutos, las universidades, la industria y las empresas privadas que puedan tomar ventaja de los resultados en la inversión hecha para la construcción del GTM.