Los Científicos de DESY Apoyan la Investigación Innovadora en Todo Momento

Permitir una investigación importante e innovadora en uno de los laboratorios líderes de Alemania

Cientos de científicos de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), uno de los principales centros aceleradores de Alemania, son pioneros en nuevas tecnologías y están creando innovaciones críticas que ayudan a la humanidad a responder preguntas urgentes sobre química, física y medicina.

DESY diseña, construye y opera aceleradores de partículas en colaboración con grupos de investigación en todo el mundo. Los aceleradores de partículas son algunas de las herramientas más importantes en la investigación científica moderna. Si bien existen diferentes tipos de aceleradores de partículas, la mayoría utiliza campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas a altas velocidades y canalizar esas partículas en un haz que se puede utilizar para experimentos en una amplia gama de campos científicos. Los proyectos anteriores con la participación de DESY han llevado al mapeo de la estructura del virus de la influenza, al aumento de la duración de los filamentos de la bombilla de luz, así como a la reciente detección de latidos de rayos gamma provenientes de una nube de gas cósmico. Además, se han logrado varios avances científicos importantes en nuestra comprensión de las unidades de materia más pequeñas conocidas con aceleradores o detectores diseñados y construidos por DESY.

Uno de los proyectos más grandes e importantes de DESY es la Instalación Europea de Láser de Electrones Libres de Rayos X, el XFEL europeo. El XFEL europeo es un acelerador que genera los rayos X más fuertes y brillantes del mundo. Dentro de un túnel de 3.4 kilómetros de largo que se extiende desde una instalación de DESY hasta un laboratorio de investigación en la ciudad vecina de Schenefeld, un sistema de imanes y vacíos acelera los electrones casi a la velocidad de la luz para crear intensos destellos láser de rayos X. Estos destellos pueden crear imágenes de procesos atómicos que se llevan a cabo en una fracción de un segundo. Pueden mostrar la estructura atómica de los virus, reacciones químicas de películas y mostrar los materiales que conforman el interior de los planetas. La instalación es relativamente nueva, pero ya hay científicos expertos en medicina, química, física, ciencia de materiales, nanotecnología, tecnología de energía eléctrica y componentes electrónicos trabajando para poner la máquina en uso.

Con el apoyo del gobierno alemán y otros 11 países europeos que se asociaron con el proyecto, DESY inició el diseño y la construcción del acelerador XFEL europeo y, en la actualidad, la instalación de investigación es dirigida por una entidad financiada por doce países asociados. Todos los días, grupos de científicos de todo el mundo se turnan en la instalación para utilizar el acelerador XFEL europeo para realizar su investigación. Cada grupo tiene tiempo limitado para realizar experimentos, por lo que el XFEL europeo debe funcionar casi 24/7.

Un Entorno de Precisión

Mantener cualquier máquina en funcionamiento en todo momento es un desafío, pero el trabajo de DESY se dificulta aún más por la complicada naturaleza del acelerador XFEL europeo. El sistema de computadoras y componentes electrónicos que ejecutan el acelerador debe funcionar constantemente a máxima eficiencia y con una sincronización precisa. Los sistemas de sincronización son especialmente importantes debido a la enorme cantidad de datos que estas máquinas recopilan: las marcas de tiempo hasta una fracción de segundo en cada punto de datos son fundamentales para organizar los resultados de los experimentos.

Muchos tipos de componentes electrónicos con especificaciones distintas deben comunicarse entre sí en tiempo real para sincronizar complicadas señales de datos. Las piezas del acelerador son sensibles, por lo que las diferencias de temperatura entre los distintos componentes o la interferencia de la radiación pueden afectar el sistema finamente ajustado.

Los gabinetes son componentes importantes de cualquier sistema acelerador porque se utilizan para sostener placas que albergan componentes electrónicos esenciales. Estas placas son similares a las placas madre de computadoras de escritorio. Además de alojar las placas, los gabinetes mantienen las conexiones de datos entre cada placa y entre las placas y todo el sistema XFEL europeo. Uno de los aspectos esenciales de la construcción del XFEL europeo fue elegir un estándar de gabinetes. Los estándares de gabinetes son reglas que especifican ciertas características compartidas para todos los gabinetes fabricados con ese estándar, independientemente de la empresa o el fabricante. Esto hace que sea más fácil para los clientes saber que están comprando gabinetes que tienen las características y los atributos necesarios incorporados.

Una Solución Perfecta

Para el XFEL europeo, DESY quería usar un estándar que no había utilizado antes llamado microTCA. La capacidad de transferencia de datos rápida y confiable de microTCA, la redundancia de partes esenciales y las capacidades de gestión remota lo hicieron una opción ideal para el XFEL europeo. También faltaban algunas cosas: la capacidad de alojar placas en la parte delantera y trasera del gabinete y algunas funciones de temporización y sincronización esenciales para el funcionamiento de máquinas precisas como el XFEL europeo. DESY necesitaba un nuevo tipo de solución.

Colaborando con varios grupos de investigadores e ingenieros de varias organizaciones internacionales, el equipo de ingeniería de DESY y nVent SCHROFF desarrolló las especificaciones para un nuevo estándar: MTCA.4. El nuevo estándar abordó las deficiencias de los modelos anteriores de microTCA mientras mantenía las características que hicieron que microTCA fuera una opción atractiva inicialmente. Con el nuevo estándar disponible, nVent fabricó 250 cajones (gabinetes) MTCA.4 para DESY y el XFEL europeo. Con la ayuda de nVent, DESY se convirtió en el primer grupo del mundo en implementar el estándar de microTCA en un proyecto acelerador.

Rendimiento Constante

Los cajones MTCA.4 maximizan el tiempo de actividad para el XFEL europeo, lo que permite una importante investigación para avanzar sin demora. Muchas de las piezas esenciales del MTCA.4 son redundantes, lo que significa que si una deja de funcionar, ya se encuentra instalada una réplica de la misma pieza en el gabinete para que tome el control. Además, el MTCA.4 tiene capacidades de administración remota. Todas las funciones dentro del MTCA.4 se monitorean desde computadoras remotas y se pueden realizar muchos servicios de forma remota, lo que facilita mucho que los ingenieros realicen el mantenimiento del acelerador y actualicen el software sin interrumpir la funcionalidad.

Los cajones MTCA.4 alojados en la instalación del XFEL europeo también están equipados con conexiones de datos extremadamente rápidas que permiten leer puntos de datos en tiempo real, aunque muchas operaciones dentro de la máquina se realizan en menos de miles de millones de segundos. Esto permite la captura precisa de datos cuando se miden reacciones extremadamente cortas en experimentos.

Además, los cajones MTCA.4 proporcionan un buen blindaje contra campos magnéticos y un excelente rendimiento de enfriamiento por puntos. El interior del túnel del acelerador no es un entorno óptimo para la maquinaria. El haz emite radiación y calor, lo que podría dañar los componentes frágiles de la computadora. Esto hace que los gabinetes de nVent SCHROFF sean aún más importantes.

Desafío y Oportunidad

El XFEL europeo es una máquina compleja y su diseño y construcción fueron un proceso complicado. Definir un nuevo estándar de gabinetes y trabajar para implementarlo en el XFEL europeo fue un proyecto que tardó años en concretarse, pero el resultado es un acelerador que funciona a plena potencia.

"Hubo una serie de desafíos presentados por el proyecto complejo, pero a través de un gran esfuerzo conjunto entre nVent y DESY, todo se ha estado ejecutando sin problemas", afirmó Ralf Waldt, Ingeniero de Aplicaciones de Campo de nVent que se asoció con DESY en el proyecto.

En proyectos como el XFEL europeo, los retrasos en la construcción (a veces años) son comunes, al igual que los problemas de sincronización una vez que la máquina se conecta. Sin embargo, este ha sido un proyecto exitoso desde el primer día de operación.

"El XFEL europeo se basó completamente en el MTCA.4 desde el principio", dijo Kay Rehlich, Ingeniero de DESY. "Estaba funcionando bien desde el principio y nadie podía creer lo rápido que estaba operando y lo eficaz que era".

El equipo de nVent siempre está listo para proporcionar apoyo a DESY en caso de que surja la necesidad, lo que garantiza que el acelerador pueda seguir funcionando en todo momento.

"Las cosas que obtuvimos de nVent simplemente funcionan", dijo Rehlich. "No puedo recordar una sola caja fallando en las instalaciones".

Las soluciones de nVent SCHROFF en el XFEL europeo han sido confiables desde el comienzo del proyecto. Se han mantenido bajo uso constante y proporcionan la velocidad de transferencia de datos y la confiabilidad que requiere este potente láser de electrones libres. Con el XFEL europeo funcionando sin problemas y de manera confiable, los científicos pueden aprovechar al máximo su tiempo en las instalaciones, poniendo toda su atención a su importante trabajo: encontrar curas para las enfermedades, inventar nuevas tecnologías y promover la comprensión de nuestra humanidad sobre nuestro universo.