Revista grupo GFQSC

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Revista del Grupo Noviembre 2009

Participaci贸n V ENIDI 2009 Res煤menes, p贸sters y fotos

Encuentro de Investigadores y Docentes de Ingeniería 2009 EnIDI 2009, Los Reyunos, San Rafael. Mendoza, Argentina

EnIDI 2009 Estudio Estadístico de Simulación de disolución de Fármacos Carlos A. Martínez,a, Lucas I. Candiaa, Fabricio O. Sanchez Varrettia, Guillermo D. Garcíaa, Félix D. Nietob a

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Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional San Rafael, Gral. Urquiza 314, 5600, San Rafael, Mendoza, Argentina carlosalberto_888@yahoo.com.ar

Departamento de Física, Universidad Nacional de San Luis, CONICET, Chacabuco 917, 5700 San Luís, Argentina

Resumen. El fenómeno de la liberación del principio activo en las píldoras comerciales es un fenómeno de gran importancia en la industria farmacológica debido a que rige la dosificación, que de ser excesiva puede tornarse tóxica y, además, posee un límite inferior para que esta sea efectiva. Este proceso ha sido modelado hasta ahora con procesos analíticos continuos. Sin embargo, este proceso posee un aspecto cuya naturaleza es fundamentalmente estocástica y no se ha realizado hasta el momento un análisis del mismo a una escala microscópica que reproduzca las curvas experimentales de disolución. El objetivo del presente trabajo es presentar modelos estadísticos que reproduzcan estas curvas experimentales para así poder relacionar este proceso con el fenómeno percolativo que parece regir el proceso de disolución. La metodología a emplear consiste en la simulación computacional mediante simulación de MonteCarlo, de una pastilla en dos dimensiones, considerando dos clases de partículas, “Medicamento” y “Excipiente”, considerando además los intersticios que quedan entre ellas. En las curvas de simulación obtenidas, se observa una variación no lineal, similar a la encontrada en la experiencia de laboratorio, pero la variación de curvas simuladas con la concentración de remedio en la pastilla no presentan las mismas características que las obtenidas experimentalmente. En estas últimas se producen saltos bruscos en las velocidades de extracción entre los porcentajes de 65% y 80%. Las diferencias observadas pueden deberse a que las probabilidades de extracción excipiente y medicamento (p) pueden no estar relacionadas de forma inversa (p y 1-p) sino con una funcionalidad más general. Claramente este parámetro condiciona la cinética del proceso y determina fuertemente los resultados. Palabras Clave: Medicamento – Excipiente – Simulación MonteCarlo Percolación

Encuentro de Investigadores y Docentes de Ingeniería 2009 EnIDI 2009, Los Reyunos, San Rafael. Mendoza, Argentina

Modelo analítico y simulación de Monte Carlo de un proceso de deposición de especies poliatómicas con interacciones laterales a primeros vecinos sobre superficies energéticamente homogéneas Guillermo D. Garcíaa, Fabricio O. Sánchez V.b a

Grupo de Fisico-Química de Sistemas Complejos UTN FRSR General Paz y Urzuiza San Rafael Mendoza - Argentina ggarcia@frsr.utn.edu.ar,

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Grupo de Fisico-Química de Sistemas Complejos UTN FRSR General Paz y Urzuiza San Rafael Mendoza - Argentina fsanchez@frsr.utn.edu.ar,

Resumen. En el presente trabajo se presenta un modelo analítico que complementa y generaliza una pluralidad de modelos que describen el fenómeno de adsorción en multicapas para incluír la adsorción de especies poliatómicas en un régimen de multicapas con interacciones atractivas/repulsivas en la primera capa del adsorbato. Se contrasta el modelo con simulaciones de Monte Carlo y se analizan las consecuencias experimentales del mismo. El modelo es analizado en sustratos unidimensionales y bidimensionales de redes cuadradas. Palabras Clave: Adsorción – Gas de red – Monte Carlo – Multicapas interacciones

1 Introducción La porosimetría es una técnica experimental ampliamente desarrollada y difundida que tiene, como uno de sus objetivos, determinar la porosidad (distribución de tamaños de poros) y topología de las superficies de los diversos materiales [1-5]. Claramente, las diferencias en los distintos materiales son prácticamente infinitas, así como los poros de los mismos varían desde los pocos amstrongs (tamaños atómicos) hasta las micras (milésimas de milímetros) que son los denominados macroporos. En un mismo material existe una distribución de tamaños de poros, como así también la denominada: superficie específica. Es sabido que existen sustancias, como los carbones, que presentan una gran superficie específica que alcanza los 400 m2/gr. Estas sustancias presentan una profusa aplicación en filtros y membranas filtrantes, como así también en sustratos para catalizadores, difusión de fluidos y gases en diversos materiales[8].

Capítulo 1

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Encuentro de Investigadores y Docentes de Ingeniería 2009 EnIDI 2009, Los Reyunos, San Rafael. Mendoza, Argentina

Simulación Monte Carlo de Especies Poliatómicas con Interacciones Laterales sobre Sustratos Heterogéneos Fabricio Orlando Sanchez Varretti a , Guillermo Daniel Garcíaa, Jose Antonio Ramirez Pastorb , Federico Romáb. a

Grupo de Físico-Química de Sistemas Complejos, Facultad Regional San Rafael (UTN), Gral. Paz y Urquiza, M5600ADQ, San Rafael, Mendoza, Argentina. fsanchez@frsr.utn.edu.ar, ggarcia@frsr.utn.edu.ar b

Departamento de Física, INFAP, Universidad Nacional de San Luis, CONICET, Chacabuco 917, 5700 San Luís, Argentina. antorami@unsl.edu.ar, froma@unsl.edu.ar

Resumen. La descripción teórica de la adsorción es un problema complejo en la ciencia de superficies que no tiene una solución general. Pocas teorías se han propuesto para describir la adsorción de múltiples capas en el equilibrio pero las de Brunauer-Emmett-Teller (BET) y la de Halsey-Hill y Frenkel- (FHH) son los más simples que proporcionaron la base para construir acercamientos más elaborados que explicaban la interacción lateral entre los moléculas adsorbidas. Estos modelos han desempeñado un papel importante en la caracterización de superficies sólidas por medio de la adsorción de gas. La isoterma de la BET es la más útil, cubriendo la gama completa de presiones. Por otro lado hay pocos estudios que explican el hecho de la ocupación múltiple de sitios en el régimen de múltiples capas. Las determinaciones de las superficies y de las energías de adsorción pueden ser subestimadas si el carácter poliatómico no se incorpora correctamente en las funciones termodinámicas de las cuales se interpretan los experimentos. Para un substrato heterogéneo la energía de adsorción varía de sitio a sitio y es caracterizada por una función de densidad de energía. Un trabajo recientemente muestra cómo el volumen de la capa monomolecular previsto por la ecuación BET es diferente de su valor verdadero cuando se consideran el tamaño del adsorbato y la topografía superficial. Por ultimo existe otro hecho físico importante que no se ha estudiado suficientemente; a saber, el efecto de las interacciones laterales entre las moléculas adsorbidas en presencia de adsorción de múltiples capas. En este contexto, los trabajos recientes amplían el tratamiento al incluir interacciones laterales entre los adsorbatos con vecinos próximos en la primer capa. Siguiendo el enfoque de Bragg-Williams y la aproximación cuasi-química un trabajo reciente nos da un acercamiento mecánico estadístico simple para estudiar la adsorción de múltiples capas de especies poliatomicas. En base a estos antecedentes es que nos proponemos utilizar estos modelos en forma conjunta para analizar el posible efecto de compensación entre la multiple ocupación de sitios y la heterogeneidad superficial e interacciones laterales.

Palabras Clave: Adsorción, Heterogeneidad superficial, Interacciones laterales, Simulación.

Capítulo 1

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PROPUESTA Y ANÁLISIS DE NUEVOS PROCESOS DE ELABORACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS C. Mella, N. Romia, G. García, F. O. Sánchez Varretti, W. Guarino, Universidad Tecnológica Nacional, Regional San Rafael, Gral. Urquiza 314, 5600, San Rafael, Mendoza, Argentina

A. J. Ramírez-Pastor. Departamento de Física, INFAP, Universidad Nacional de San Luis, CONICET, Chacabuco 917, 5700 San Luís, Argentina.

Introducción Como vivimos en un mundo donde fabricantes y consumidores están demandando productos que no solamente tengan mejores características, sino que tengan un impacto menos negativo con el medio ambiente, es que proponemos un nuevo tipo de proceso en el cual trataremos de reducir los pasos necesarios para la obtención de un mismo resultado. Este proceso contribuirá a dar un nuevo paso en la fabricación de piezas estructurales cambiando el concepto de moldeo y adaptación al medio. Permitirá conocer mejor la idea de organización de estructuras en el núcleo de los paneles, estudiando sus movimientos de traslación y organización para la elaboración de los mismos [1-4].

Síntesis del análisis Los paneles sándwich se fabrican por medio de un proceso de plegado de papel o del material a utilizar como núcleo. Una vez obtenido el panel con núcleo “honeycomb”, se procede a un baño de resina para lograr así una mayor resistencia del material; luego se cortan secciones del mismo hasta lograr el núcleo del panel, Fig.1.

Esto es indudablemente lo que ha sucedido con las construcciones sándwich de plástico reforzado, cuyas aplicaciones abarcan actualmente sectores tan diversos e interesantes como la investigación espacial, la aeronáutica, la marina, los transportes por riel y carretera, la náutica deportiva, la fabricación de tanques, y en general, una multitud de otras construcciones de toda clase, especialmente de grandes dimensiones. Es particularmente importante tener presente que la resistencia mecánica final de un elemento de construcción sándwich, depende no solo de la resistencia combinada de sus dos capas exteriores y de la unión entre los laminados externos y el núcleo, o dicho de otra manera, cualesquiera que sean los materiales que forman este tipo de estructuras, su calidad estará siempre vinculada de manera decisiva a la posibilidad de lograr una unión íntima, perfecta, entre el núcleo y los estratificados exteriores; lo cual, de ser necesario, deberá asegurarse por medio de un pre-tratamiento apropiado de las superficies internas de los laminados para un mejor anclaje del núcleo. En cuanto a la selección del material más conveniente para la parte central del sándwich, es evidente que dependerá sobre todo del destino que habrá de tener la estructura.

Ensayo a la compresión

Fig. 1. Componentes de un panel típico.

Nuestro proceso modifica el procedimiento de elaboración del núcleo mediante la unión de columnas hexagonales individuales. Para analizar su comportamiento se ensayan las probetas de paneles con núcleo honeycomb y caras reforzadas mediante un análisis mecánico; flexión , compresión, para determinar parámetros de resistencia mecánica y poder comparar con paneles comerciales, Fig.2.

Durante la investigación en el proyecto, realizamos un ensayo a la compresión. Para ello se analizaron 11 probetas de papel de 80 gramos/m2 , las cuales presentaban las siguientes dimensiones: 12 cm de ancho, 15 cm de largo y 5 cm de alto. El ensayo se realizo en una máquina donde la carga se aplicaba de forma puntual, y mediante un suplemento es distribuida uniformemente sobre el área de la probeta. El promedio obtenido de la resistencia a la compresión de las probetas fue: 1,68 Kg/cm2 , Fig.4. Hay que destacar que la realización de las probetas fue de forma manual, por lo tanto se debe tener en cuenta un rango de tolerancia comparado con la fabricación automática y tradicional de estas. A pesar de la producción manual de éstas probetas, se considera que la realización del ensayo fue de manera positiva debido a los datos obtenidos.

Fig.3. Ensayo a la compresión con carga puntual y distribuido uniformemente.

Fig.4. Datos de esfuerzo a la compresión. Fig.2. Ensayo a la flexión con 4 puntos de apoyo.

Aplicación Como siempre acontece cuando un nuevo concepto técnico aporta una contribución substancial o una solución efectivamente útil para algún problema o limitación que presenta el empleo de determinados materiales o productos en desarrollo- ávidos por eso mismo de nuevos progresos para completar su reciente tecnología, inmediatamente la práctica se apodera de él para probarlo y lanzarlo en un sinnúmero de aplicaciones consideradas hasta ese momento técnica o económicamente inconveniente y a veces sólo latentes; con el resultado de extender con gran rapidez el empleo del material interesado a campos cada vez más amplios y de mayor jerarquía o responsabilidad. . [1] , ED. METER W. R. BEAUMONT, (1995) Applied Composite Materials, pag. iiiVol. 2 Nº4, kluwer Acad. Press. [2] Sourcebook 2008, (Dec. 2007),pag. 6-45, Vol. 16, , A Gardner Publication Suplement, 2007. [3] DUILLO D´ARSIÉ (1980), Los Plásticos Reforzados con Fibras de Vidrio, , editorial América Lee, pag. 83 – 120. [4]The Doorway, M.C. Gill Corporation Group of Companies, (2007), Vol. 44, Nº 3, Summer.

Conclusión Los materiales compuestos “composites” difieren de los materiales tradicionales en que los primeros están compuestos por dos tipos de materiales, fibras y una matriz por lo general polimérica, que cuando se combinan a pesar de estar separadas (sistema heterogéneo) funcionan interactuando para hacer un nuevo material cuyas propiedades no pueden ser predichas por la simple suma de las propiedades de las sustancias que lo componen. De hecho una de las mayores ventajas de los “composites” es la naturaleza complementaria de sus propiedades, por ejemplo las fibras poseen una muy alta resistencia a la tracción, pero son susceptibles al daño. En cambio las resinas poliméricas son frágiles pero son extremadamente maleables y resistentes al daño. En este trabajo proponemos profundizar en el conocimiento experimental y teórico de los materiales compuestos. Mejorar los procesos productivos tendientes a la obtención de un material de mejores características. Reducir los costos de fabricación al reducir el uso de insumos y procesos, tanto como el tiempo de procesamiento. Para todo esto es que analizamos las características mecánicas del material obtenido mediante el nuevo procedimiento.

SUSTRATOS GENERADOS POR MEZCLAS CON NÚ NÚMERO DE COORDINACIÓ COORDINACIÓN ESTOCÁ ESTOCÁSTICA. J. Carbonetti, L. I. Cándia, G. D. García, F. O. Sánchez Varretti. Universidad Tecnológica Nacional, Regional San Rafael, Gral. Urquiza 314, 5600, San Rafael, Mendoza, Argentina. F. Nieto Quintas. Departamento de Fsica, Universidad Nacional de San Luis, CONICET, Chacabuco 917, 5700 San Luís, Argentina. Dirección de contacto: J. Carbonetti: julio_carbonetti@hotmail.com

Introducción. En la literatura se han propuesto métodos que producen objetos cuya topología posee dimensionalidad fraccionaria; uno de estos métodos es la agregación limitada por difusión (DLA), otra muy similar, es la deposición balística. En el presente trabajo utilizamos una generalización de esta idea para generar este tipo de topologías particulares por Deposición Balística con partículas caracterizadas por un número de coordinación por sitio distinto de aquel dado por los sitios de la red, además en el presente estudio, estas entidades depositadas no se encuentran en una única tipología sino que se presentan en mezclas de diferentes proporciones. Una vez generada esta estructura se caracteriza su topología midiendo las dimensiones fractal, y del caminante. Además se analiza la dinámica de cubrimiento y se obtienen los exponentes característicos del sistema.

Fig. 1: Tipos de partículas utilizada BDA.

Deposición Balística. El sustrato generado por deposición balística con diferentes proporciones de objetos depositantes presenta diferentes topologías conforme varía dicha relación, como se puede apreciar en las figuras 2 y 3. Se simularon sustratos con diversas proporciones en redes de tamaño 100 x 100. La metodología de simulación que adoptamos, a diferencia de trabajos anteriores, se basa en detectar la cantidad de conexiones posibles dada por los objetos depositados al tiempo t y finalizamos la simulación cuando el número de éstas es cero, es decir no quedan posibilidades de absorción o bien, el sustrato está saturado (Figura 4). De esta manera se logró disminuir el costo computacional. Fig. 2 y 3: En estas representaciones las diferentes estructuras que se obtienen mediante BDA con diferentes proporciones, en la figura izquierda x=0.3 y en la derecha x=0.4

También hemos prestado especial atención en mantener constante la proporción de la mezcla, x, esto puede verse en la Figura 5, y en la misma se ve un periodo transitorio al inicio de la simulación.

Fig. 4 y 5:Variación de las conexiones posibles (izquierda) y variación de la proporción x = Nk=4 / Nk=1 (derecha). Ambas curvas para x = 0.25.

Fig. 10, 11 y 12: Variación de valor correspondiente a la saturación como función del porcentaje de dopado (izquierda). Radio medio como función del tiempo (centro) y cantidad de partículas de contorno como función del tiempo (derecha), ambas para las proporciones allí indicadas.

Simulación. Se generaron sustratos mediante la deposición de partículas de distintos números de coordinación en distintas proporciones. Los números de coordinación (k) son 4 y 1. Se estudiaron los casos en que la orientación de las partículas k=1 era aleatoria. A los sustratos se les determinó la dimensión fractal (df) utilizando el método counting box (Figura 6), el cual puede escribirse matemáticamente como sigue: df

Θ (l ) ~ l

También se midió (Figura 7) la dimensión del caminante (dw), para la cual:

R ( t ) ~ tν ∴ν = 1/ d w

Se buscaron relaciones para el cubrimiento como función del tiempo y la velocidad de deposición, como se ve en las Figuras 8 y 9, respectivamente. Para la determinación de los exponentes se analizaron casos con cubrimientos de por lo menos el veinte por ciento del tamaño dado por la red, ya que pudimos notar que en determinadas ocasiones el sustrato saturaba para un número mucho menor. Para la determinación de los exponentes característicos del sustrato se definió el radio medio (rm) de las partículas depositadas en el contorno al tiempo t según la relación siguiente y la cual puede verse en la figura 11 para distintas proporciones.

rm ( t ) =

NC ( t )

1

NC ( t )

∑ r ( x , y ,t ) i =1

i

i

i

Generamos un algoritmo que nos permitió detectar las partículas de contorno (NC) al tiempo t, en la figura 12 puede verse el crecimiento de las mismas dependiente del tiempo. Las dos definiciones anteriores (NC y rm) las utilizamos para medir la rugosidad (w) del contorno según (Figura 15):

w ( L, t ) =

1

NC ( t )

NC ( t )

∑ ( r ( x , y , t ) − r (t )) i =1

i

i

i

2

m

Fig. 13, 14 y 15:Variación de la dimensión fractal y del caminante del sustrato frente a diversas proporciones de los objetos depositantes.

Conclusiones. Se midió la dimensión fractal (df, Figura 6) y la dimensión del caminante (dw, Figura 7) para sustratos generados por deposición balísitica (BDA). Esto para mezcla de partículas con k (número de coordinación) 4 y 1. Obviamente, los resultados que se obtuvieron para una proporción x = 0.00 son coincidentes con los dados en la bibliografía, coincide con la red cuadrada df = 2 y dw = 2.

Fig. 6 y 7:Variación de la dimensión fractal y del caminante del sustrato frente a diversas proporciones de los objetos depositantes.

Pudimos ver que con proporciones entre 0 < x < 0.30 la dimensión del sustrato es un poco menor que el de la red cuadrada, pero a partir de x = 0.31 comenzamos a observar pequeñas variaciones (incrementos de dw y decrementos de df) y a partir de x ≈ 0.37 las variaciones se incrementaron en mayor medida (Figuras 13 y 14). Tales variaciones se deben al incremento en tamaño y cantidad de agujeros contenidos en el cuerpo del sustrato. Puede verse en la Figura 10 que a medida que aumenta el porcentaje de dopado con partículas de k = 1 el cubrimiento es cada vez menor, siguiendo una ley de variación semejante a la de df. No se calcularon valores del tiempo de saturación, a veces llamado Tx (ref: Barabasi) debido a que, como se aprecia en la Figura 8, para valores x > 0.31 el sustrato sigue dos leyes de crecimiento. Tampoco se tomaron los valores correspondientes a la velocidad de deposición, debido a que para valores del cubrimiento x > 0.31 no es claro que la variación sea lineal en tramos antes de la saturación (Figura 9).

Fig. 8 y 9:Variación de las leyes de cubrimiento (izquierda) y velocidad de deposición (derecha) como funciones del tiempo del sustrato frente a diversas proporciones de los objetos depositantes.

De los resultados que se obtuvieron de la rugosidad (Figura 15) no pudimos obtener los exponentes críticos debido a que la curva no sigue una clara ley polinomial. Observamos de las curvas de la Figura 11 y 12 que rm y NC siguen una ley de potencias posterior a un periodo transitorio de los primeros pasos de simulación.

INFORME MENSUAL DE INVESTIGACIÓN

Informe correspondiente al mes de octubre Nombre y apellido del becario: Celeste Yanina Mella Nombre y apellido del director de beca: Ing. Walter Guarino

Detalle de tareas desarrolladas  Tuvimos respuesta de la empresa “Carmas Composites s.r.l”, nos confirman que el corte de 30 x 90 cm es el más pequeño que realizan, el importe actual del mismo es de $ 147.70 - final. Precio con IVA del 21% incluido.  Nuevamente consultamos a “Carmas Composites s.r.l” acerca del tiempo de espera para recibir el material, y si tendremos otro tipo de gasto.  Se evaluó la posibilidad de realizar algún ensayo para poder así tener valores de las propiedades mecánicas, para compararlos con los valores de las probetas originales, o sea, del material a comprar. Por lo tanto, se esta viendo la posibilidad de conseguir el lugar donde realizar el ensayo. Una de las posibilidades podría ser la Máquina Universal de Ensayos que se encuentra ubicada en la escuela Nº 4-117 Ejercito de los Andes.

San Rafael, Mendoza 15 de octubre de 2009.

Firma del becario Mella Celeste

Firma del director de beca Ing. Guarino Walter

Informe Mensual de Investigación

Periodo: Septiembre. Becario: Julio Carbonetti.

San Rafael, Mendoza. 24 de septiembre de 2009.

PID: Adsorción en multicapas de especies poliatómicas con interacciones laterales sobre sustratos heterogéneos. Periodo: Septiembre. Becario: Julio Carbonetti. Director de beca: Ing. Fabricio O. Sánchez Varretti.

Sustratos generados por mezclas con número de coordinación estocástica. Tareas realizadas durante el mes de Septiembre. 1. Presentación de resultados en la 94ª Reunión Nacional de Física. Se armó el póster con los resultados obtenidos hasta el momento para la presentación en la 94ª Reunión Nacional de Física, organizada por la Asociación de Física Argentina, la cual tuvo lugar en Corrientes. Se llevaron a cabo las tareas de una cuidadosa revisión de los resultados obtenidos, se elaboraron conclusiones y se presentó la información en formato póster. Vale aclarar que debido a la gran cantidad de información recopilada y/u obtenida a lo largo de las tareas de investigación, no se pudieron presentar en la Reunión todos los resultados obtenidos al día de la fecha. 2. Conclusiones. Quedamos a la espera de una reunión de grupo, con los representantes del mismo que asistieron al congreso para definir nuevas tareas o la corrección de algunas ya realizadas.

---------------------------------------------Julio Carbonetti Becario.

-1-

---------------------------------------------Ing. Fabricio O. Sánchez Varretti. Director de Beca.

Artículos de Interés (¡Mirá vos!)  The National Ignition Facility (Fusión Nuclear mediante Laser, Laser Focus World) .  Skinning the F-35 Fighter (Materiales Compuestos, High Performance Composite).  VGA OLED Microdisplay (Laser Focus World) .  Meteorología Planetaria, Issac Asimov.

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T H E N AT I O N A L I G N I T I O N FAC I L I T Y

NIF is up and running at last COVER STORY

JEFF HECHT contributing editor

and photon science, John Nuckolls and colleagues outlined who has run NIF since the concept in a 1959 internal memo. 1999. This approach Soon after Theodore Maiman built the took time, but it got first laser in 1960, Livermore began firthe 192-beam laser ing laser pulses at potential targets. up and running after Laser fusion became a hot idea by the some had thought the early 1970s, with major U.S. projects at The National Ignition Facility has project was doomed. It won’t change Livermore, the University of Rochester been a long time coming. The Depart- as NIF approaches full power. Moses (Rochester, NY), KMS Fusion (Ann ment of Energy approved building the views his role as stewardship for a Arbor, MI), the Naval Research giant laser at the Lawrence Livermore national asset, and his biggest concern Laboratory (Washington, DC), and National Laboratory (Livermore, CA) is optical damage. “I’m not blowing up the Los Alamos National Laboratory in 1994, with construc- my machine,” he says. “The last thing (Los Alamos, NM). By then fusion work tion costs estimated at you want is to be a cowboy.” He cites was divided into two distinct but closely VIDE 00:00 $900 million and com- last year’s damage to the Large Hadron related efforts. One was development pletion scheduled for 2002. But by Collider at CERN and says that, had he of fusion reactors for civilian energy 1999 the project was in deep techni- been running their tests, he would have production, pursued by KMS and cal and management trouble, and its increased power in much smaller steps. Rochester, and described by Nuckolls, Lowell Wood, and two Livermore colvery survival seemed in question. leagues in Nature.1 The second effort On March 31 of this year, Energy Inertial confinement fusion Secretary Steven Chu formally declared The job of NIF is to heat and com- was a long-classified program to simuconstruction complete. Building NIF press targets containcost $3.5 billion, nearly four times the ing hydrogen isotopes original estimate, and lagged nearly beyond the threshold seven years behind initial plans. The fully for nuclear fusion. The assembled system is now firing test shots, idea of inertial confinealthough not delivering the full design ment fusion was born energy of 1.8 MJ of ultraviolet light on at Livermore, where target. That will come in time as Livermore tests and fine-tunes FIGURE 1. NIF’s Laser the laser, slowly nudging its outBay 2, shown looking put energy upward. They aren’t away from the target shooting to meet a specific date; area, includes 96 of the they’re waiting until they are 192 beam lines. Note sure the laser is ready. the three workers in That slow and careful yellow hard hats for scale. (Courtesy of Lawrence approach is a hallmark of Ed Livermore) Moses, principal associate director of Livermore for NIF

The National Ignition Facility has yet to reach its full 1.8 MJ UV pulse energy, but it has already begun target experiments. Managers plan a slow ramp-up to full power, and hope to reach ignition by 2012.

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late the heating and compression of hydro- nally calculated. The tests also revealed gen isotopes in thermonuclear weapons, that target illumination had to be very pursued at Livermore and the other gov- uniform to avoid troublesome plasma instabilities that could disrupt target comernment labs. The serious money went to the military pression and fusion. After some debate, program, centered at Livermore. Called Livermore proposed multiplying pulse indirect drive fusion, it uses a two-stage energy delivered to the target by a factor process, with the intense laser pulse first of 60 to achieve ignition in NIF. generating a burst of x-rays from a metal foil, and those x-rays then compressing Building NIF the hydrogen to produce fusion, simulat- Like Nova, NIF splits a single oscillaing hydrogen-bomb physics on a smaller tor pulse among parallel chains of neoscale. During the 1970s, Livermore built dymium-glass amplifiers to generate increasingly big and powerful neodym- high-energy pulses on the fundamental ium-glass lasers, including Argus, Janus, near-infrared line, and then generates and Cyclops. The 20-beam, 20 TW the 351 nm third harmonic. But NIF Shiva followed at the end of the decade. marks big steps up in energy per beam Livermore’s next step was the 10-beam line, the number of beam lines, and sheer Nova laser, completed in 1985, which mass and complexity of the system. With eventually was able to produce 40 kJ, 192 beam lines, NIF includes several 2.5 ns pulses at 351 nm, delivering 30 thousand laser amplifiers and final opkJ to targets.2 tics wider than 50 cm (see Fig. 1). The However, research at Livermore and amount of glass is staggering, and the laelsewhere also revealed unexpected prob- ser is housed in a three-building complex lems. The laser-energy threshold for measuring 704 × 403 × 85 ft. Livermore built and tested a protofusion ignition proved to be much higher than the 10 kJ that Nuckolls had origi- type beam line called “Beamlet” to ver-

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FIGURE 2. The final optical inspection system inside the target chamber examines focusing optics to spot signs of potential damage. (Courtesy of Lawrence Livermore) www.laserfocusworld.com

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ify its NIF design. Although the Beamlet tests seemed successful, serious problems emerged with capacitors, optical damage, and project management and by 1999 NIF was in trouble. Moses was put in charge with a mandate to get NIF on track. Optical damage was a key issue. Energy densities reached about one joule per square centimeter on the final optics of both Nova and Rochester’s Omega laser, but NIF’s design called for 8 J/cm2, a big jump. Beamlet exposed a relatively small area to peak energy, so it gave a poor assessment of the risk of damage to NIF, which with 192 beams has 7000 optical components more than 50 cm across, including final optics, lenses, doublers and triplers. “You’re talking about a lot of area� at risk of damage, Moses says. Laser damage is a two-stage process. A high-energy flux initiates the damage, but after the initial event, the damaged zone can grow at a lower energy. “When I got

here, we were seeing 100,000 initiators per shot,â€? Moses says. “We figured out we had to go down five orders of magnitudeâ€? to limit damage in NIF. To do that he launched an intense effort that ranged from studying the physics of the damage process to working with vendors on cleanliness and post-processing. To check for damage to surfaces, Livermore added an inspection system that can spot failure initiators as small as 5 Îźm—it spends 45 minutes after each shot checking the optics (see Fig. 2). If the system detects any weak points, the affected component is swapped out and repaired. It’s been a big effort, but Moses says, “We think damage is in the bag.â€? He boasts that NIF is now firing with optics “that seem damage-proof at around 10 J/cm2.â€? Ramping up the power NIF is now in the midst of its National Ignition Campaign, which runs from 2006

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SC-3 Sub-Miniature Resonant Scanner

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Applications

The Smallest Available Non-MEMS Resonant Scanner

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T H E N AT I O N A L I G N I T I O N FAC I LI T Y c on t in u e d

© 2009 Thermo Fisher Scientific Inc. All rights reserved.

to 2012, and aims at demonstrating igni- laser industry for playing a big role in the has a history of revealing new physics that tion. Early this year, NIF easily passed the recovery. He says NIF should reach the makes it harder to control laser-plasma criteria set in 1997 for commissioning— full 1.8 MJ level in about a year, and fire interactions. Questions have been raised installation of all 192 beams, with 96 of 250 shots in fiscal 2010, reaching 700 about how well NIF can perform, how them together generating 500 kJ in the shots a year in 2012. By then he hopes to well laser fusion can simulate nuclear detonations, and whether civilian fusion ultraviolet. In March, Livermore brought have demonstrated ignition as well. Yet success is not guaranteed. Optical power is within the technological horizon. ultraviolet energy up to 1.1 MJ, just under 60% of the full output energy. It also damage is a notoriously tough problem Within a few years, we should have some ran eight beam lines at energies of 9 kJ in and reaching new realms of laser energy of the answers. the ultraviolet, enough to reach the target 1.8 MJ when all 192 beams are operating. But the cautious Moses plans to continue ramping the power up slowly, not reaching full power until autumn 2010. The system’s modular design and sophisticated control system gives Livermore tremendous control over operation. The beams are grouped in hierarchical structures. Quads of four beams combine to enter a port of the target chamber (see Fig. 3). Two quads make a bundle, one entering the top half of the target chamber, the other entering the bottom. Six 8-beam bundles make a cluster, two clusters make a 96-beam laser bay, and two bays make NIF. Each beam can be managed separately, or grouped with others When talented engineers talk to smart customers, in its quad, bundle, and so forth. Two million lines of software manage the results are remarkable. laser operation. “It shoots itself, to the first order. All the beam lines are autoaligning. We’re trying to get to the point where we’re We spent a year interviewing hundreds of users like you who spectators,” Moses says. With 192 beams told us exactly what they wanted in a recirculating chiller. in NIF, he thinks that’s a necessity. The Thermo Scientific NESLAB ThermoFlex platform offers superior performance and flexibility to cost effectively meet In early September, Livermore researchthe broadest range of applications. Our chillers provide: ers described their first ignition-campaign experiments at the sixth international • Enhanced reliability: advanced refrigeration technology and Inertial Fusion Science and Applications Thermo Scientific NESLAB recirculation system protection ensure maximum uptime ThermoFlex recirculating conference in San Francisco, CA.3 “We • Ease-of-use and maintainence: an integrated ramp for chillers fired nine shots at 600 kJ with 192 beams, simple unpacking and a quick-start guide for fast set-up Configurable for a variety delivering the right spot size,” in a series of markets including: plus filters that can be changed while the unit is in operation of cryogenic target shots spanning two • laser • optical • analytical • Total peace of mind: backed by Thermo Scientific global • industrial • printing weeks, says Moses. “We are very happy support and service for worry-free operation • packaging • semiconductor about this.” He’s also happy about shots with targets containing 10% deuterium Learn more about the complete family of NESLAB ThermoFlex mixed with 90% helium, which yielded chillers, visit www.thermo.com/thermoflex NIF’s first fusion neutrons that Livermore is still analyzing. Outlook NIF has come a long way from its low point, and Moses credits the optics and Laser Focus World

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VGA OLED microdisplay is picoprojector source An all-digital VGA (640 x 480-pixel) resolution full-color organic-light-emitting-diode (OLED) microdisplay is being developed by engineers at Fraunhofer IPMS (Dresden, Germany) for projection applications. The backplane for the display was designed in a 0.18 μm commercial CMOS process and is currently under prototype manufacturing; microprojector optics for the display have been created by Fraunhofer IOF (Jena, Germany) and

A monochrome display has a brightness of up to 30,000 cd/m2; the brightness for the full-color version has not been revealed.

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Screen

are now fully functional. In a step toward practical implementation for consumers, the microdisplay—called the Hypoled— even has Wi-Fi connectivity. With dimensions of 7.68 x 5.76 mm, the display is situated on a chip 12 x 11 mm in size. The pixels have a 12 μm pitch and are separated by gaps of only 0.5 μm; the frame rate is a standard 50 or 60 Hz, while the color depth reaches 24 bits. A monochrome version of the display has a brightness of up to 30,000 cd/m2; the brightness for the full-color version has not been revealed. Along with microprojection, the Hypoled device is intended for use in head-mounted displays. Other partners in the project include Mobintech (Farum, Denmark), Universität zu Köln (Köln, Germany), and the University of Edinburgh (Edinburgh, Scotland). Contact Uwe Vogel at uwe.vogel@ipms.fraunhofer.de.

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Meteorología Planetaria El Estudio de Otros Mundos Nos Ayudará a Entender Mejor el Nuestro. Por Isaac Asimov Si hay algo que encierra continuo interés para los hombres es el tiempo meteorológico. La temperatura y las precipitaciones, las tormentas y las calmas, las inundaciones y las sequías nos afectan con carácter inmediato y a largo plazo. Lo bueno sería poder controlar el tiempo y prevenir extremos destructivos; pero en su defecto sería útil, al menos, predecirlo con precisión. Las predicciones meteorológicas, sin embargo, siguen siendo poco certeras e inseguras incluso a corto plazo, y casi inservibles a plazo largo. A pesar de que actualmente contamos con satélites metereológicos que envían cada hora fotografías de la cubierta de nubes de la Tierra y de los movimientos de las tormentas, no estamos en condiciones de predecir con exactitud. El problema es que la atmósfera de la Tierra es un sistema extraordinariamente complejo. En cualquier momento dado la atmósfera es calentada irregularmente por el Sol. La configuración de zonas caldeadas cambia constantemente a medida que la Tierra gira sobre su eje cada veinticuatro horas, alternando día y noche, y a medida que la Tierra rota alrededor del Sol recorriendo las estaciones del año. Luego tenemos un amplísimo océano que, al evaporarse bajo la luz del Sol, engendra nubes, que se forman y se mueven irregularmente, complicando todo ello por la existencia de extensiones de tierra pluriformes donde la evaporación es mucho menor que sobre el mar. Todos estos cambios imprevisibles de temperatura de un lugar a otro en configuraciones siempre cambiantes producen vientos cuya velocidad y dirección varían de forma infinitamente compleja. Una cosa que podría ayudarnos a comprender mejor el problema sería simplificar de algún modo el sistema atmosférico: reducir la irregularidad del caldeamiento, o dilatar la rotación planetaria, o enderezar el eje, o eliminar la cubierta de nubes, o eliminar las masas de tierra irregulares, o vaciar los océanos. De este modo podríamos estudiar una configuración más regular de los movimientos del aire y de los cambios de temperatura, comprender bien la situación, añadir uno a uno los factores que complican la situación, observar las modificaciones y

complejidades que introduce cada uno y llegar así, en último término, a comprender realmente la meteorología. Pero ¿cómo simplificar la tierra? Pues utilizando otros planetas como laboratorios atmosféricos. Los cohetes-sondas han estudiado ya cuatro planetas que poseen atmósfera: Marte, Venus, Júpiter y Saturno. Marte gira alrededor de su eje en algo más de veinticuatro horas; pero como es un cuerpo menor que la Tierra, la superficie se mueve tan sólo a mitad de velocidad. Su calentamiento es irregular, igual que en la Tierra, y la inclinación axial es muy parecida a la de ésta; pero dado que Marte se halla más lejos del Sol, el año es dos veces más largo y los cambios estacionales son más lentos. Y como tiene muy poca agua superficial, apenas tiene cubierta de nubes. Así pues, la tenue atmósfera de Marte debe ser más simple que la terrestre. Consideremos luego Venus. Este planeta se halla cerca del Sol, pero su cubierta de nubes y la naturaleza de su espesa atmósfera determinan una temperatura superficial bastante uniforme a lo largo y ancho de todo el planeta. Carece por completo de agua superficial, y la temperatura y la capa de nubes no varían significativamente ni con el lugar ni con el tiempo. Además, el planeta rota muy lentamente, de modo que no existe prácticamente el efecto Coriolis, que es el que ocasiona las tormentas circulares en la Tierra: huracanes, tifones y tornados. En Cuanto a Júpiter, posee también una cubierta de nubes permanente y una temperatura superficial uniforme. Sin embargo, a diferencia de Venus, gira muy rápidamente: su ingente masa da una vuelta cada diez horas solamente. Bajo la espesa atmósfera de Júpiter parece ser que existe una superficie de hidrógeno líquido, una especie de océano planetario ininterrumpido. Saturno se parece a Júpiter, pero sin alcanzar sus extremos. Es más pequeño, gira más despacio y es más frío. Viene a ser un mundo con todas las características de Júpiter, aunque algo simplificadas. Hasta ahora sólo tenemos información fragmentaria acerca de las pautas de cambio atmosférico en estos cuatro planetas. No obstante, si el programa de exploración espacial prosigue, es posible que acabemos sabiendo mucho sobre cada uno de ellos. Con estos nuevos conocimientos podremos comparar lo que sucede en el caso de rotaciones rápidas, medias y lentas de atmósferas espesas y tenues, de superficies enteramente líquidas y enteramente sólidas, de calentamiento regular e irregular. Aprenderemos mucho más sobre las leyes generales

que gobiernan los movimientos atmosféricos si estudiamos los cuatro planetas que si estudiamos uno sólo. A continuación podríamos aplicar ese conocimiento a nuestro propio sistema atmosférico, que probablemente sea más complicado que cualquiera de los otros; y al comprenderlo mejor, nos convertiríamos en expertos “hombres del tiempo” en la Tierra.

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