Investigación en cuántica y espacio-tiempo

Instituto de Hannover para la Tecnología - Boceto (© Jörg Stanzick)

Labor de corte 3D

Sección 3D del ascensor de Einstein

Albert Borucki - Carpus+Partner

El edificio de laboratorio innovador HITec en la Universidad Leibniz Hannover ofrece espacio para la investigación interdisciplinaria en el más alto nivel. Aire limpio sin turbulencias, estabilidad absoluta de temperatura en varios pisos, así como requisitos elevados de libertad de vibraciones —generalmente de manera simultánea— plantearon grandes desafíos a los arquitectos, planificadores de salas limpias y expertos en instalaciones técnicas.

Los investigadores e institutos del clúster de excelencia QUEST (Centro de Ingeniería Cuántica e Investigación del Espacio-Tiempo) en la Universidad Leibniz Hannover son líderes en el mundo en ingeniería cuántica e investigación del espacio-tiempo. Los científicos aquí desarrollan, por ejemplo, instrumentos de medición láser que registran cambios de longitud de una fracción de un núcleo atómico, investigan con sensores de medición de alta precisión el campo gravitacional de la Tierra o verifican la teoría de la relatividad de Einstein mediante mediciones láser hacia la Luna.

Para mejorar aún más las condiciones de investigación en la ubicación de Hannover y consolidar el nivel internacional de excelencia, actualmente se está construyendo el instituto de tecnología de Hannover de última generación — breve HITec. Adyacente a los edificios existentes en el área universitaria Callinstraße/Appelstraße, representa una infraestructura de investigación innovadora que — por primera vez en Europa — combina investigación básica, aplicada y desarrollo tecnológico en un solo lugar de manera interdisciplinaria. Hasta 120 científicos de los campos de física cuántica, física de la materia condensada, geodesia, desarrollo de láseres y tecnología espacial trabajarán aquí en conjunto.

En el nuevo edificio de dos pisos, parcialmente subterráneo, se encuentran exclusivamente laboratorios físicos donde se desarrollan, fabrican y prueban instrumentos ópticos, así como algunos de los equipos de investigación más potentes de Europa y del mundo: por ejemplo, un sistema de fibra óptica altamente especializado para equipamiento espacial en un total de tres pisos, una llamada fuente de átomos, en la que se miden con precisión las trayectorias de los átomos, y —como punto culminante para los científicos— el elevador de Einstein, un simulador de caída libre para experimentos en ingravidez. Este se encuentra en una torre de 40 m de altura ubicada junto al edificio.

“Los investigadores de Hannover necesitan un entorno de sala limpia sin partículas y con la máxima estabilidad de temperatura para sus complejos sistemas ópticos y configuraciones. Sin embargo, la TGA (instalación técnica del edificio) necesaria para ello, debido a las vibraciones causadas por los sistemas de ventilación o bombas, podría afectar los experimentos. Además, las perturbaciones por el simulador de caída libre”, explica Albert Borucki, director de proyecto en la oficina de arquitectura y planificación Carpus+Partner, responsable del HITec, “representan un desafío en la realización del proyecto.

También los grandes equipos científicos, que en parte deben alojarse en los laboratorios, plantearon tareas difíciles a los planificadores. Por ejemplo, la ya mencionada línea de fibra de 12 metros de altura para fibras ópticas especiales. Se utiliza para la fabricación de fibras activas por láser para uso en el espacio. Por lo tanto, es imprescindible evitar la incorporación de partículas, ya que afectarían negativamente las propiedades ópticas de las fibras y las inutilizarían. “Por eso, la instalación se encuentra en una sala limpia de clase 7 según EN ISO14644-1, que abarca en total tres pisos”, explica Borucki.

No es tarea sencilla: el aire debe introducirse en varias plantas en la sala, ya que las fluctuaciones de temperatura reducirían la calidad de las fibras huecas. “Sin embargo, no deben ocurrir velocidades de flujo altas. Las fibras se activarían por vibraciones y se dañarían”, añade Bernd Weiskopf, director de proyecto en la oficina de ingeniería Wolf + Weiskopf, responsable de ventilación y refrigeración. “Para alcanzar las cantidades de aire necesarias, se realiza la entrada de aire mediante salidas textiles en forma de anillo alrededor de la instalación. El aire fluye a través de mangueras textiles microperforadas y sale sin corrientes y de manera uniforme por toda la superficie.”

Para proteger los laboratorios de las vibraciones causadas, por ejemplo, por sistemas de ventilación, refrigeración o compresores, los planificadores los ubicaron con aislamiento de vibraciones en dos lugares: para sistemas que requieren proximidad espacial a la aplicación, el HITec cuenta con una columna de servicios central que recorre toda la longitud del edificio y que es fácilmente accesible desde cada laboratorio. Allí, los sistemas están montados sobre soportes de elastómero. Las instalaciones centrales de la TGA, en cambio, se encuentran en un “paquete técnico” que está completamente desacoplado en vibraciones del área del laboratorio. Aquí también está el ascensor de carga, necesario para transportar instrumentos de investigación pesados a los equipos de medición en la azotea del edificio. Así, los laboratorios también están protegidos de las vibraciones emitidas durante el ascenso y descenso.

También desacoplado del cuerpo principal del edificio está la torre de 40 m de altura, que alberga el simulador de caída libre para investigación básica en física cuántica, llamado elevador de Einstein. A diferencia de las cabinas de caída habituales, que existen en no más de diez instalaciones en todo el mundo, en su interior hay una góndola que puede ser acelerada y frenada verticalmente mediante tres accionamientos electromagnéticos lineales. Gracias a este sistema de propulsión, se pueden realizar experimentos de varios segundos en ingravidez, así como experimentos bajo fuerzas de atracción, como las que existen en la Luna o Marte.

En la góndola, aunque no se cumplen condiciones de sala limpia, se puede llenar con un gas protector o evacuar para crear un vacío, según la necesidad. Esto también diferencia a este simulador de otros, en los que toda la cabina de caída debe ser evacuada para eliminar la resistencia del aire. Se pueden realizar hasta 100 experimentos por día, multiplicando así la capacidad en comparación con otros sistemas.

En la planificación de la torre del elevador de Einstein surgieron dos desafíos para el arquitecto y los ingenieros: primero, mantener una temperatura constante en toda la altura de casi cuarenta metros para que la guía de la góndola de alta precisión no se deforme. De lo contrario, bloquearía el ascensor y dañaría los accionamientos. También aquí hay conductos de aire en varias plantas.

“Pero sobre todo, los procesos de aceleración y frenado generan impulsos que se transmitirían como vibraciones a los laboratorios”, explica Borucki. “Por eso, la torre y su sala de control y preparación de experimentos están completamente desacopladas del resto del edificio mediante una junta de separación vibratoria.” Las dos salas, como aproximadamente un tercio de la torre, están bajo la superficie y se pueden acceder a través del sótano del HITec.

También desacoplada del cuerpo principal del edificio está la torre de 40 m de altura, que alberga el simulador de caída libre para investigación básica en física cuántica, llamado elevador de Einstein. A diferencia de las cabinas de caída habituales, que existen en no más de diez instalaciones en todo el mundo, en su interior hay una góndola que puede ser acelerada y frenada verticalmente mediante tres accionamientos electromagnéticos lineales. Gracias a este sistema de propulsión, se pueden realizar experimentos de varios segundos en ingravidez, así como experimentos bajo fuerzas de atracción, como las que existen en la Luna o Marte.

En la góndola, aunque no se cumplen condiciones de sala limpia, se puede llenar con un gas protector o evacuar para crear un vacío, según la necesidad. Esto también diferencia a este simulador de otros, en los que toda la cabina de caída debe ser evacuada para eliminar la resistencia del aire. Se pueden realizar hasta 100 experimentos por día, multiplicando así la capacidad en comparación con otros sistemas.