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El reflector

Sobre la plataforma rectangular es posible trazar diferentes curvas para el reflector. La estimación inicial fue trabajar con un reflector de perfil circular, con un radio de 16 metros y el foco ubicado a unos 8 metros del reflector. Es posible trazar círculos de menor radio, con lo cual el foco estaría mas próximo al reflector e incluso emplear otra forma de curva mas compleja, como una parábola.

En el siguiente dibujo a escala se muestran las respectivas plataformas y la ubicación de los focos para los dos casos comentados:

  • Foco A, para reflector circular (r=16 mt; f=8 mt; f/D:2)
  • Foco B, para reflector parabólico1) (f=2,3 mt; f/D=0,57)

El reflector realiza dos funciones: por un lado permite “apuntar” o seleccionar aquella parte del cielo que queremos explorar, y por otro lado sirve para, a modo de lupa, “concentrar” e intensificar sobre la antena receptora las débiles señales de radio procedentes del espacio exterior.

Para entender los principios básicos de funcionamiento de un reflector, puedes consultar la sección dedicada a la óptica, en esta misma web.

El sistema reflector está formado en realidad por dos elementos separados: un elemento fijo de perfil curvado y otro móvil de perfil plano; reproduciendo de manera aproximada la estructura original del Big Ear. Aunque en nuestro caso, como trabajamos a una escala menor y las dimensiones resultan mucho mas manejables, vamos a permitirnos realizar algunas variaciones sobre el diseño original.

Uno de los objetivos marcados a la hora de diseñar y elaborar los reflectores y sus correspondientes soportes es que puedan ser construidos por los propios alumnos y sean desmontables. Por ello, su fabricación, que no deben representar un proceso demasiado complejos.

No obstante, a la hora de acometer este proyecto en otro contexto diferente, nada impide realizar una estructura fija, con lo cual lo cual la construcción podría simplificarse bastante. En nuestro caso hemos optado por un sistema desmontable, pero ello tan solo es una opción para este caso concreto.

Y a continuación un modelo de como quedaría el sistema de reflectores una vez montado el conjunto:



Bases

Antes de construir los reflectores, es preciso acondicionar el suelo donde vamos a colocarlos. En nuestro caso particular se ha proyectado la realización de unas bases de hormigón o mortero, que proporcionarán la necesaria estabilidad a las estructuras de soporte de los reflectores. Estas bases son los únicos elementos permanentes de toda la estructura y permitirán los sucesivos montajes y desmontajes de los reflectores. Todos los demás elementos se realizarán desmontables, de modo que permitan ser recogidos y guardados en el almacén del colegio cuando el MÍAR no vaya a ser usado.

Veamos unos bocetos, tanto de las plataformas de apoyo como del conjunto de reflectores. Estas son las bases o zapatas que servirán de apoyo a todo lo demás (pinchando sobre cada imagen podrás verla ampliada):

Este dibujo muestra de manera aproximada la ubicación de las plataformas:

El reflector móvil debe poder moverse al menos en un eje (elevación), tal y como hacía el Big Ear original. Pero nosotros vamos a proporcionarle otro grado de movimiento adicional (acimut) para tener mas libertad de apuntado.

Esta estructura móvil se realizará sobre un europalet dotado de ruedas. La plataforma cuadrada, donde se ubicará en reflector móvil está dimensionada precisamente para permitir el giro del europalet alrededor de un eje central.

Para facilitar el transporte del europalet hasta su plataforma, se equipará éste con cuatro sencillas asas de cuerda, practicando para ello unos agujeros en los listones laterales, tal y como se muestra en el siguiente dibujo:

Para colocar unas asas (lo ideal son cuatro) podemos recurrir a unos simples retales de cuerda , como se muestra en el siguiente dibujo. Pasamos los cabos a traves de un agujero en el liston del palet y bloqueamos el asa haciendo un nudo en cada cabo.

El palet, una vez colocadas las asas y las ruedas, si lo miramos desde un lateral, debería ofrecer un aspecto parecido a esto:

Justo en el centro geométrico del palet es preciso realizar un agujero que permita colocar una varilla o eje de rotación. Este eje se encajará en la plataforma del suelo y va a permitir al palet -y en consecuencia al reflector plano- girar sobre este eje el ángulo que deseemos sin que se desplaze de su posición en la plataforma. La vista del palet desde arriba sería así:

Poco a poco el proyecto va tomando forma. Estas son las imágenes de como han quedado las plataformas que ya han construido en la zona posterior del colegio. Primero una vista general:

Y ahora una vistas en detalle de cada una de ellas:

Sobre la plataforma cuadrada irá ubicado el reflector plano, acoplado al palet, tal como se muestra en los bocetos superiores.

En la plataforma rectangular se instalan los soportes que permitirán sostener y dar forma al reflector curvo.



Reflector plano

EL reflector plano consiste únicamente en una superficie plana metalizada cuyo cometido es dirigir las señales de radio hacia en reflector curvo, el cual a su vez las concentra en su punto focal. A nivel técnico no encierra complicaciones significativas.

Sin embargo, a diferencia del reflector curvo, el reflector plano es móvil, para permitir cierto grado de libertad en el apuntamiento hacia diferentes regiones del firmamento. Además, debido a su amplia superficie, el “efecto vela” que presenta al viento puede llegar a ser muy elevado. Debido a estos dos factores -movilidad y resistencia al viento- el elemento mas importante no es la superficie reflectora en si misma, sino el elemento de soporte.

Como mencionábamos antes, vamos a emplear como elemento soporte dos palets normalizados de madera. El palet inferior es un europalet normalizado, que ofrece mayor peso y solidez. Acoplado a éste mediante bisagras usamos un palet estándar de 1,20×0,80 mts, que es mas ligero. Los dos palets se unen mediante tres bisagras, lo que permite que el palet superior pueda cerrase o abrirse como la tapa de un libro con respecto al inferior. Veremos mejor la idea en el siguiente boceto:

Pinchando aquí podrás ver algunos bocetos realizados por los alumnos con diversas ideas para proporcionar movimiento de elevación al reflector plano.

Como bisagras usaremos las típicas que se emplean para las puertas de casa, con la estructura de latón y un perno central en acero:

Y estas son las medidas de la bisagra, podemos comprobar que por su tamaño se adaptan perfectamente para integrarlas entre los palets.

Estas son las ruedas que hemos elegido para soportar toda la estructura móvil del reflector plano, son bastante robustas y con la rueda de goma para amortiguar las imperfecciones de la superficie de rodadura.

(…)


Superficies

Movimiento

Reflector curvo

El reflector de perfil curvo se monta sobre la plataforma rectangular. Esta plataforma tiene unas dimensiones aproximadas de 4×0,5 mts. Con lo que la máxima longitud (en proyección) del reflector no puede exceder los cuatro metros de largo.

Este reflector se sustentará sobre una serie de largueros espaciados unos 20 centímetros. Esta separación se ha determinado valorando mantener la uniformidad en el perfil del reflector, la cantidad de material a utilizar y el sistema de fijado a la plataforma. Si colocamos los largueros mas próximos unos de otros, lograremos mayor ajuste del reflector a la curva proyectada, por contra también necesitaremos mas cantidad de material.

En nuestro caso, usaremos como sistema de fijación a la plataforma tacos expansivos con rosca interior (rosca M-10). Con ello conseguimos que al recoger el reflector el taco queda enrasado con la superficie de la plataforma y no ofrece peligro de pincharse. Pero al fijarse mediante expansión, si los colocamos demasiado próximos corremos el riesgo de fracturar la plataforma debido a la tensión que este sistema de fijación transmite al hormigón.

En otro contexto, una buena alternativa podría ser el uso de secciones de varilla roscada fijadas a la base mediante resina (taco químico). Este sistema permite aproximar mas los soportes, ya que no se realiza compresión estructural de la plataforma, pero presenta el inconveniente de que, al retirar el reflector, las varillas sobresalen a modo de “pinchos” de la plataforma, algo que no queremos en este caso.

El siguiente dibujo nos da una idea de como irán fijados a la plataforma los largueros de soporte. Todos los largueros que componen la estructura pueden desmontarse completamente retirando los tornillos de métrica 10 que los fijan a la base de hormigón. Estos mismos tornillos se colocan de nuevo en los tacos expansivos para proteger la rosca interior de la intemperie y la entrada de suciedad en el agujero.

Esta es una estimación aproximada del material necesario para componer el soporte del reflector. Como sobre la plataforma podemos trazar el perfil de diferentes curvas -por ejemplo circular y parabólica- el número de tacos expansivos y tornillos de protección se incrementará en la cantidad adecuada para completar completar el perfil de cada curva adicional.

Veamos ahora un boceto con las dos posibilidades de elaboración de la superficie reflectora curvada. La misma estructura soporte nos permite emplear diferentes superficies reflectoras: láminas aluminizadas o rejilla metálica.

Como elemento de fijación para mantener el reflector curvo sobre los elementos de soporte emplearemos fleje metálico perforado, adecuado para tornillos de métrica 6 (M6).

Estas son las medidas del fleje:

Esta es la solución adoptada por los alumnos del colegio para realizar la fijación de los largueros a la plataforma, para sujetar el reflector curvo. Todos los materiales disponibles en proveedores locales.

Este es el modo en que hay que taladrar los largueros que darán soporte al reflector:

(…)


Curvas

Sobre la misma base y aprovechando los mismos postes de soporte que determinan la curva principal del reflector curvado, podemos plantearnos diferentes perfiles para obtener diferentes modos de trabajo del reflector. Primero un plano general y luego veremos cada posibilidad por separado:

En este boceto se muestran tres posibilidades, y para cada caso se indican la marcha de rayos, el sistema de sujeción a los postes y una vista aproximada en perspectiva de como quedaría el conjunto una vez montado. Hay que decir que el efecto esta muy exagerado en el dibujo, para favorecer la compresión del funcionamiento. En la construcción real la inclinación o curvatura del reflector es menos acentuado, y perfectamente realizable con la capacidad de flexión del reflector.

Reflector cilíndrico

Es la opción mas simple. EL perfil de la curva principal puede ser circular o parabólica, dependiendo de la colocación de los postes soporte sobre la base de mortero. Pero en ambos casos tenemos un reflector cilíndrico que, en un caso ideal, proporciona un foco alargado en forma de línea vertical.

Reflector cilíndrico inclinado

En esencia se trata del mismo perfil que en el caso anterior, pero en lugar de colocar los elementos del reflector verticales y paralelos a los postes de sujección, se les proporciona cierto ángulo de inclinación para proporcionar una zona focal mas baja que en el caso anterior y reducir el bloqueo de la antena receptora sobre el reflector plano.

Reflector tórico-atórico

Esta es la opción mas elaborada y en la cual ya el foco no es una línea alargada, como ocurre con los reflectores cilíndricos. Con este tipo de reflector, en un caso ideal tendríamos un foco puntual.

Esto se consigue proporcionado cierto grado de curvatura vertical a los elementos que componen este reflector. además, al dar cierta inclinación al conjunto, podemos conseguir llevar la zona focal casi por completo fuera del camino óptico entre los reflectores, y la antena puede ser menor, con lo cual eliminamos casi por completo el bloqueo -o la sombra- producida por la antenas entre ambos reflectores.

Si ambas curvas -vertical y horizontal- en la superficie reflectora son circulares, tendríamos una superficie reflectora de perfil tórico (algo así como un trozo de la parte exterior de un neumático de coche inflado). Si las curvas corresponden a parábolas, tendríamos una superficie atórica.

También existe la posibilidad de obtener una superficie compuesta, haciendo que una de las curvas sea circular y la otra parabólica.

Es interesante hacer notar que todas estas posibilidades que hemos indicado, pueden obtenerse sobre los mismos elementos de soporte, basta añadir unos espaciadores -de la medida correcta en cada caso- a la hora de sujetar los elementos del reflector sobre los postes de sujección. No es necesario construir un reflector nuevo.


Superficies

El caso ideal sería que el reflector curvo estuviese formado por una superficie continua, pero esto encierra cierta dificultad constructiva, y además no es imprescindible. En cualquier caso se trata de construir una superficie óptica reflectora -una especie de espejo- para las ondas de radio.

Si imaginamos la superficie pulida de un espejo, veremos que se aleja bastante de lo que vamos a hacer, pero en este caso no se trata de reflejar luz, como en un telescopio óptico, sino ondas de radio. Las ondas de radio poseen una longitud de onda mucho mas grande que las ondas luminosas. Esto permite elaborar espejos casi perfectos para las ondas de radio aunque las superficie no sea continua ni tenga una linealidad perfecta.

Inicialmente hemos considerado dos posibilidades a la hora de elaborar este reflector:

  • malla metálica
  • sectores planos

Ambas opciones presentan ventajas y limitaciones. La principal limitación se refiere a la mayor frecuencia2) de radio utilizable con el reflector. Nuestra superficie reflectora va a poseer cierto grado de imperfección. Para obtener un funcionamiento aceptable de nuestro espejo, estas imperfecciones de la superficie no deben exceder la décima parte de una longitud de onda3)

Haciendo un cálculo rápido, para la frecuencia de 1.420 MHz4). La longitud de onda5) correspondiente a esta frecuencia es 21 centímetros. La décima parte de esta longitud nos sitúa en un margen de error aceptable para la superficie de nuestro reflector de unos 2 centímetros.

Esto significa que, por ejemplo, con una malla metálica compuesta por cuadrados de 2 centímetros de lado, podríamos utilizar el reflector para explorar el universo en la frecuencia de resonancia del hidrógeno.

Pero hay mas.

Si somos capaces de elaborar cuidadosamente el reflector, podremos subir incluso por encima de esa frecuencia. En el caso de usar malla metálica como superficie reflectora, el límite practico lo determina el tamaño de los cuadraditos de la malla, como hemos visto. Y también las irregularidades en el curva que determina la superficie.

Si la superficie formada por la malla se parata de la curva ideal, la señal de radio que se refleja en ella estará formada por ondas de radio con cierto desfase entre ellas. supongamos que la superficie presenta algunos abombamientos. Algo así como pequeñas colinas y valles. La onda que se refleja desde los valles sufrirá cierto retraso con respecto a la que se refleja desde las crestas, provocando una interferencia entre ambas que perjudica el funcionamiento del reflector.

Tanto si usamos malla metálica como una superficie compuesta por pequeños sectores planos, debemos intentar que este error de fase sea lo menor posible. Tomaremos como límite utilizable también la décima parte de la longitud de onda (1/10), aunque lo ideal sería la veinteava parte (1/20).

Retomando el ejemplo anterior, esto significa que si disponemos de una malla con unos cuadraditos de 2 milímetros de lado, y mantenemos el error de fase de la superficie en dos milímetros como máximo, nuestro reflector podría ser utilizable hasta una frecuencia de 15 GHz.


Seguimiento

Como se indicaba mas arriba, el sistema de reflectores puede dejarse fijo, ajustados en una posición determinada, dejando que sea el movimiento de giro terrestre el que realice el “barrido” de observación o puede dotarse de seguimiento automático en un o dos ejes.

La posibilidad de seguimiento automático permite compensar el giro terrestre para mantener la observación de un lugar fijo del firmamento, o bien modificar de manera gradual la posición del reflector para observar objetos de posición variable en cortos períodos de tiempo.

Esta función puede ir incorporándose al MÍAR de manera gradual. En un primera fase podemos implementar el sistema de movimiento del reflector para ajustarlo manualmente; a continuación podemos motorizar los actuadores y en una tercera etapa implementar el seguimiento“inteligente”. Esta secuencia puede aplicarse a un o dos ejes de movimiento: acimut y elevación. (…)

Actuador

El trabajo de manejar los motores de seguimiento recaerá sobre un Arduino, empleando para ello la ayuda de un shield específico que incorpra cuatro relés. A continuación podemos ver unas fotos del Arduino y el shield de relés por separado, y un poco mas abajo ensamblados en condiciones de funcionamiento normal:

(…)

Motor

El amigo Victor “Hatos” nos ha donado dos potentes motores de corriente continua de 12 voltios que incorporan un reductor mecánico cada uno.

La baja tensión de funcionamiento (12 v) los hace ideales para el MÍAR. Mediante el control por relés podríamos emplear incluso motores de corriente alterna de 220 voltios, pero emplear 12 voltios nos permite mantenernos en un margen de tensiones mucho mas seguras.

El consumo en giro libre de estos motores ronda los 3 amperios, aproximadamente. durante las pruebas comprobaremos que en carga su consumo se mantenga dentro del régimen de trabajo de los relés. Si resultase excesivo, recurriremos al uso de transistores mosfet de potencia para el manejo directo de los motores.

(…)

Controlador


1)
o mas exactamente “reflector de cilindro parabólico”
2)
O lo que es lo mismo: la menor longitud de onda λ
3)
0,1 λ
4)
Esta frecuencia corresponde al espectro de emisión del hidrógeno y es una de la principales frecuencias estudiadas en radioastronomía.
5)
λ=c/F; la longitud de onda es igual a la velocidad de la luz dividida entre la frecuencia de oscilación
miar/reflector.txt · Última modificación: 2014/12/18 21:12 por eb1hbk

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