Los futuros aceleradores de partículas podrían salir de una impresora 3D

Imagine poder fabricar dispositivos complejos cuando quiera y donde quiera que esté. Crearía posibilidades imprevistas incluso en los lugares más remotos, como construir piezas de repuesto o nuevos componentes a bordo de una nave espacial. La impresión en 3D, o la fabricación aditiva, podría ser una forma de hacer precisamente eso. Todo lo que se necesitaría son los materiales de los que estará hecho el dispositivo, una impresora y una computadora que controle el proceso.

Diana Gamzina, científica del personal del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía; Timothy Horn, profesor adjunto de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad Estatal de Carolina del Norte; e investigadores de RadiaBeam Technologies sueñan con desarrollar la técnica para imprimir aceleradores de partículas y dispositivos electrónicos de vacío para aplicaciones en imágenes y tratamientos médicos, la red eléctrica, las comunicaciones por satélite, los sistemas de defensa y más.

De hecho, los investigadores están más cerca de hacer esto una realidad de lo que se podría pensar.

"Estamos tratando de imprimir un acelerador de partículas, lo cual es realmente ambicioso", dijo Gamzina. "Hemos estado desarrollando el proceso durante los últimos años, y ya podemos imprimir componentes del acelerador de partículas hoy. El objetivo de la impresión en 3D es hacer cosas sin importar dónde estés y sin mucha infraestructura. Así que puedes imprimir tu acelerador de partículas en un barco, en un pequeño laboratorio universitario o en algún lugar muy remoto".

La impresión en 3D puede hacerse con líquidos y polvos de numerosos materiales, pero no hay ningún proceso bien establecido para la impresión en 3D de cobre de ultra alta pureza y sus aleaciones, los materiales que Gamzina, Horn y sus colegas quieren usar. Su investigación se centra en el desarrollo del método.

Los aceleradores aumentan la energía de los haces de partículas, y los dispositivos electrónicos de vacío se utilizan en los amplificadores y generadores. Ambos dependen de componentes que pueden ser fácilmente moldeados y conducen el calor y la electricidad extremadamente bien. El cobre tiene todas estas cualidades y por lo tanto se utiliza ampliamente.

Tradicionalmente, cada componente de cobre se mecaniza de forma individual y se une con otros utilizando calor para formar geometrías complejas. Esta técnica de fabricación es increíblemente común, pero tiene sus desventajas.

"La soldadura de múltiples piezas y componentes requiere mucho tiempo, precisión y cuidado", dijo Horn. "Y cada vez que tienes una unión entre dos materiales, añades un punto de fallo potencial. Por lo tanto, es necesario reducir o eliminar esos procesos de ensamblaje".

Ejemplos de componentes de cobre impresos en 3D que podrían utilizarse en un acelerador de partícula. (Foto: Christopher Ledford/North Carolina State University)

Un procedimiento de impresión en 3D innovador

La impresión en 3D de los componentes de cobre podría ofrecer una solución.

Funciona mediante la superposición de finas láminas de materiales y la construcción lenta de formas y objetos específicos. En el trabajo de Gamzina y Horn, el material utilizado es polvo de cobre extremadamente puro.

El proceso comienza con un diseño 3D, o "manual de construcción", para el objeto. Controlado por un ordenador, la impresora extiende una capa de polvo de cobre de unas pocas micras de espesor sobre una plataforma. Luego mueve la plataforma unas 50 micras - la mitad del grosor de un cabello humano - y extiende una segunda capa de cobre sobre la primera, la calienta con un haz de electrones a unos 1.100 grados Celsius y la suelda con la primera capa. Este proceso se repite una y otra vez hasta que todo el objeto ha sido construido.

La parte asombrosa: no se necesitan herramientas, accesorios o moldes específicos para el procedimiento. Como resultado, la impresión en 3D elimina las limitaciones de diseño inherentes a los procesos de fabricación tradicionales y permite la construcción de objetos que son singularmente complejos.

"La forma no importa realmente para la impresión en 3D", dijo el científico de SLAC, Chris Nantista, que diseña y prueba muestras impresas en 3D para Gamzina y Horn. "Solo tienes que programarlo, iniciar tu sistema y puede construir casi todo lo que quieras. Abre un nuevo espacio de formas potenciales".

El equipo aprovechó eso, por ejemplo, cuando construyó parte de un klistrón - un tubo de vacío especializado que amplifica las señales de radiofrecuencia - con canales de refrigeración internos, en la NCSU. Construirlo en una sola pieza mejoró la transferencia de calor y el rendimiento del dispositivo.

En comparación con la fabricación tradicional, la impresión en 3D también requiere menos tiempo y podría traducirse en un ahorro de costes de hasta el 70%, dijo Gamzina.

Pero la impresión de dispositivos de cobre tiene sus propios desafíos, como sabe Horn, que comenzó a desarrollar la técnica con colaboradores de RadiaBeam hace años. Una cuestión es encontrar el equilibrio correcto entre las propiedades térmicas y eléctricas de los objetos impresos y sus durezas. Pero el mayor obstáculo para la fabricación de aceleradores y electrónica de vacío, sin embargo, es que estos dispositivos de alto vacío requieren materiales de altísima calidad y pureza para evitar fallos en las piezas, como grietas o fugas de vacío.

El equipo de investigación abordó estos desafíos mejorando primero la calidad de la superficie del material, usando polvo de cobre más fino y variando la forma en que fusionaban las capas. Sin embargo, el uso de polvo de cobre más fino llevó al siguiente desafío. Permitió que más oxígeno se uniera al polvo de cobre, aumentando el óxido en cada capa y haciendo que los objetos impresos fueran menos puros.

Así que Gamzina y Horn tuvieron que encontrar una forma de reducir el contenido de oxígeno en sus polvos de cobre. El método que se les ocurrió, y del que informaron recientemente en la revista Applied Sciences, se basa en unir gas de hidrógeno con el oxígeno para formar vapor de agua y expulsarlo del polvo.

Usar este método es algo sorprendente, dijo Horn. En un objeto de cobre fabricado tradicionalmente, la formación de vapor de agua crearía burbujas de vapor de alta presión dentro del material, y este se ampollaría y fallaría. En el proceso aditivo, por otro lado, el vapor de agua escapa capa por capa, lo que libera el vapor de agua más eficazmente.

Aunque la técnica ha demostrado ser muy prometedora, los científicos todavía tienen un camino por recorrer para reducir el contenido de oxígeno lo suficiente como para imprimir un verdadero acelerador de partículas. Pero ya han logrado imprimir algunos componentes, como la cavidad de salida del klistrón con canales de refrigeración internos y una serie de cavidades acopladas que podrían utilizarse para la aceleración de partículas.  (Fuente: NCYT Amazings)