Científicos de DESY apoyan la investigación de vanguardia en todo momento

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

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

DESY diseña, construye y opera aceleradores de partículas en colaboración con grupos de investigación de todo el mundo. Los aceleradores de partículas son algunas de las herramientas más importantes en la investigación científica moderna. Aunque hay diferentes tipos de aceleradores de partículas, la mayoría utiliza campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas a altas velocidades y canalizar esas partículas hacia un haz que puede utilizarse 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 con electrones libres de rayos X, European XFEL. European XFEL 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 aspiradores 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, grabar reacciones químicas y mostrar los materiales que componen el interior de los planetas. La instalación es relativamente nueva, pero ya hay científicos 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 de otros 11 países europeos asociados en el proyecto, DESY inició el diseño y la construcción del acelerador European XFEL, y hoy en día, el centro de investigación es gestionado por una entidad financiada por doce países asociados. Cada día, grupos de científicos de todo el mundo se turnan en la instalación para utilizar el acelerador European XFEL y llevar a cabo sus investigaciones. Cada grupo tiene un tiempo limitado para realizar experimentos, por lo que el European XFEL debe funcionar prácticamente las 24 horas al día, los 7 días de la semana. 

Un entorno de precisión 

Mantener cualquier máquina operativa en todo momento es un reto, pero el trabajo de DESY se complica aún más por la complicada naturaleza del acelerador European XFEL. El sistema de ordenadores y componentes electrónicos que hacen funcionar el acelerador debe funcionar constantemente con la máxima eficiencia y con una sincronización precisa. Los sistemas de sincronización son especialmente importantes debido a la enorme cantidad de datos que recopilan estas máquinas: las marcas de tiempo de 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 señales de datos complicadas. Las piezas del acelerador son sensibles, por lo que las diferencias de temperatura entre componentes dispares o las interferencias de radiación pueden afectar al funcionamiento del sistema. 

Los armarios son componentes importantes de cualquier sistema acelerador, ya que se utilizan para alojar placas que alojan componentes electrónicos esenciales. Estas placas son similares a las placas base de los equipos de sobremesa. Además de alojar las placas, los armarios mantienen conexiones de datos entre cada placa y entre las placas y todo el sistema European XFEL. Uno de los aspectos esenciales de la construcción del European XFEL fue la elección de un estándar de armarios. Los estándares de armarios son reglas que especifican ciertas características compartidas para todos los armarios fabricados con ese estándar, independientemente de la empresa o el fabricante. Esto facilita a los clientes saber que están comprando armarios que tienen características y atributos necesarios integrados. 

Una solución perfecta 

Para el European XFEL, DESY quería utilizar un estándar que no habían utilizado antes llamado microTCA. La capacidad de transferencia de datos rápida y fiable de microTCA, la redundancia de piezas esenciales y las capacidades de gestión remota lo convirtieron en una gran opción para el European XFEL. También faltaban algunas cosas: la capacidad de alojar placas tanto en la parte delantera como en la parte trasera del armario y algunas funciones de temporización y sincronización esenciales para el funcionamiento de máquinas precisas como el European XFEL. DESY necesitaba un nuevo tipo de solución. 

Gracias a la colaboración con varios grupos de investigadores e ingenieros de numerosas organizaciones internacionales, el equipo de ingeniería de DESY y nVent SCHROFF desarrolló las especificaciones para un nuevo estándar: MTCA.4. La nueva norma abordaba las deficiencias de los modelos microTCA anteriores manteniendo las características que hicieron de microTCA una opción tan atractiva en primer lugar. Con el nuevo estándar a mano, nVent fabricó 250 cajas (armarios) de MTCA.4 para DESY y el European XFEL. Con la ayuda de nVent, DESY se convirtió en el primer grupo del mundo en implementar el estándar microTCA en un proyecto de aceleración. 

Rendimiento constante 

Las cajas MTCA.4 maximizan el tiempo de actividad para el European XFEL, lo que permite que las investigaciones importantes avancen sin demora. Muchas de las piezas esenciales de la MTCA.4 son redundantes, lo que significa que si uno deja de funcionar, ya se habrá instalado una réplica de la misma pieza en el armario para que tome el relevo. Además, el MTCA.4 cuenta con funciones de gestión remota. Todas las funciones del MTCA.4 se supervisan desde ordenadores remotos y muchos servicios se pueden realizar de forma remota, lo que facilita mucho a los ingenieros el mantenimiento del acelerador y la actualización del software sin interrumpir la funcionalidad. 

Las cajas MTCA.4 alojadas en las instalaciones del European XFEL también están equipadas con conexiones de datos extremadamente rápidas que permiten la lectura de puntos de datos en tiempo real, aunque muchas operaciones dentro de la máquina se realizan en menos de una milmillonésima de segundo. Esto permite una captura de datos precisa al medir reacciones extremadamente cortas en experimentos. 

Además, las cajas MTCA.4 proporcionan un buen blindaje contra campos magnéticos y un excelente rendimiento de refrigeración puntual. El interior del túnel del acelerador no es un entorno óptimo para la maquinaria. El haz emite radiación y calor que podrían dañar componentes frágiles del ordenador. Esto hace que los armarios nVent SCHROFF sean aún más importantes. 

Desafío y oportunidad 

El European XFEL es una máquina intrincada y su diseño y construcción fue un proceso complicado. Definir un nuevo estándar de armarios y trabajar para implementarlo en el European XFEL fue un proyecto de varios años, pero el resultado es un acelerador que funciona a pleno rendimiento. 

“El complejo proyecto presentaba una serie de retos, pero gracias a un gran esfuerzo conjunto entre nVent y DESY, todo ha funcionado sin problemas”, afirma Ralf Waldt, ingeniero de aplicaciones de campo de nVent que se asoció con DESY para el proyecto. 

En proyectos como el European XFEL, son comunes los retrasos en la construcción, a veces durante años, al igual que los problemas de sincronización una vez que la máquina está en línea. Sin embargo, esta ha sido una empresa exitosa desde el primer día de operación. 

“El European XFEL confió completamente en el MTCA.4 desde el principio”, dijo Kay Rehlich, ingeniero de DESY. "Como estaba funcionando desde el principio, nadie puede creer lo rápido y fluido que era". 

El equipo de nVent siempre está preparado para proporcionar asistencia a DESY en caso de que sea necesario, garantizando que el acelerador pueda seguir funcionando en todo momento. 

“Las cosas que obtuvimos de nVent simplemente funcionan”, afirmó Rehlich. “No recuerdo que una sola caja fallara en las instalaciones”. 

Las soluciones de nVent SCHROFF en el European XFEL han sido fiables desde el comienzo del proyecto. Se han mantenido bajo un uso constante y proporcionan la velocidad de transferencia de datos y la fiabilidad que requiere este potente láser de electrones libres. Con el European XFEL funcionando sin problemas y de forma fiable, los científicos pueden aprovechar al máximo su tiempo en las instalaciones, centrando toda su atención en su importante trabajo: encontrar curas para enfermedades, inventar nuevas tecnologías y fomentar la comprensión de la humanidad de nuestro universo.