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Diseño del domo del E-ELT

Innovación y Tecnología

Los retos del espacio exterior Diseño del domo que albergará el “European Extremely Large Telescope” (E-ELT)

Desde finales de 2005, más de 100 astrónomos y astrofísicos colaboran con el European Southern Observatory (ESO) en la definición del nuevo telescopio gigante que deberá entrar en funcionamiento a mediados de la próxima década. Las dimensiones del telescopio y de las instalaciones anejas, muy superiores a todas las existentes, han puesto un nuevo desafío a la ingeniería. El original diseño presentado por IDOM ha merecido la aprobación unánime del European Southern Observatory, consorcio que agrupa a 14 países europeos.

Amaia Zarraoa Armando Bilbao Gaizka Murga Alberto Fernández Autores del artículo y miembros del equipo de proyecto.


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Diseño del domo del E-ELT

European - Extremely Large Telescope (E-ELT)

– 80 m – 70 m – 60 m – 50 m

Very Large Telescope (VLT)

– 40 m – 30 m – 20 m –

10 m

0m

Fig. 1. Comparación del E-ELT con uno de los mayores telescopios ópticos en la actualidad, el VLT. Es reseñable el incremento en la proporción entre la abertura de observación y el diámetro de la base.

El nuevo telescopio óptico es en estos

Junto a las dimensiones inéditas del

telescopio si finalmente se decide su

momentos una de las prioridades de la

telescopio y de la apertura de

construcción en cierto emplazamiento

comunidad astronómica mundial

observación (Fig. 1) y la necesidad de

que se está considerando.

porque permitirá avanzar en el

reducir al mínimo tanto el volumen de

conocimiento de temas como los

la construcción como el del aire

Todo lo anterior combinado con el

planetas de sistemas extra-solares, los

almacenado en su interior, otras

mantra de "lograr el menor costo

agujeros negros super-masivos o la

especificaciones de diseño que

posible para el sistema, asegurando

evolución cósmica (distribución de la materia oscura y la energía oscura del universo), entre otros.

Se trata de un diseño revolucionario

que el concepto resultante es fiable y

El E-ELT será el mayor “ojo del mundo” para observar el universo

que dispondrá de un espejo de

cumple los requisitos especificados" da una idea de las dificultades a las que tuvo que enfrentarse el equipo de diseño. Al cabo de muchos meses de trabajo, IDOM presentó una propuesta

42 metros de diámetro conformado

requirieron especial atención fueron: el

(Fig. 2) que consiste en una cúpula en

por segmentos hexagonales y se

sistema de desplazamiento de las

estructura de acero de 96 m de

albergará bajo una cúpula de

puertas; la pantalla de viento para

diámetro, capaz de rotar sobre el borde

96 metros de diámetro soportada por

proteger el telescopio cuando las

superior de un muro de hormigón de

una estructura que pesará alrededor

compuertas están abiertas; el sistema

17 m de anchura, sobre la que se

de 4.600 toneladas. La proporción de

de giro acimutal de la cúpula, que

disponen dos puertas de 26 m de

la abertura de observación en

introduce una discontinuidad

ancho cada una que se deslizan sobre

comparación con la dimensión del

estructural en el domo y es necesario

carriles hasta alcanzar 100 metros de

edificio contenedor es de una

para compensar el movimiento de la

envergadura.

magnitud desconocida hasta el

tierra mientras se enfoca a un punto

momento y plantea problemas

fijo del universo; el sistema de control

El diseño de las puertas

mecánicos y dinámicos relativos a la

térmico para igualar la temperatura

Una de las prioridades del diseño fue

estructura de la cúpula, la abertura, el

interior a la del aire libre exterior en el

conseguir que los esfuerzos de

sistema de cierre de la abertura

momento de apertura de la ranura de

gravedad originados por la estructura

y otros mecanismos que nunca se

observación; y la previsión de las

de las puertas no actuaran en contra

habían abordado.

cargas sísmicas que debería soportar el

de las fuerzas de desplazamiento de

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i+d


Diseño del domo del E-ELT

Innovación y Tecnología

las mismas, para lo cual era

complejidad a los mecanismos de

posibilidades, llegando a la conclusión

imprescindible que estas se movieran

apertura y cierre, así como a los

de que el sistema de cadenas

de forma perpendicular a su propio

sistemas de sellado de aire y de agua.

es el más compacto, robusto y barato.

peso; si además podía conseguirse que

Las puertas se mantuvieron como

Un juego de ruedas (“bogie”) en la

los mecanismos de apoyo mantuvieran

unidades compactas, con una forma

parte superior y otro de la parte inferior

siempre una trayectoria lineal (no

esférica ajustada a la cúpula y lo que

de cada puerta son traccionados por

curva) y el movimiento de las puertas

se hizo fue disponer un conjunto de

este sistema, con la ayuda de un motor

fuera una traslación sin rotación, el

cuatro pistas por cada puerta que

de inducción asíncrono con reductora

sistema de esfuerzos se simplificaría

minimizaran los esfuerzos generados

controlada por un convertidor de

considerablemente.

en la posición de máxima abertura.

frecuencia. Con el fin de permitir el

Este diseño implicaba, sin embargo, un

La estructura de las puertas (Fig. 3)

sísmico, la caja de cambios es

gran desplazamiento lineal de las

se compone de dos vigas de acero en

reversible y la potencia del motor de

puertas con la consiguiente sobrecarga

arco con sección triangular de 4,5 m

freno electromagnético es superior a la

de lado, formada por dos perfiles

necesaria para la operativa de carga e

tubulares de Ø355.6x8-10 en la cuerda

inferior a la resistencia de la cadena de

superior, uno de Ø508x12-16 en la

tracción. Teniendo en cuenta la

inferior y otros de Ø193.7x8 para las

criticidad de la operación de cierre de

diagonales. Mediante la adición de dos

puerta, se ha previsto un sistema de

vigas transversales se crean sendos

emergencia compuesto de eje, caja de

marcos y éstos se rigidizan con

cambios, motor y suministro de

de la estructura de la cúpula en la

tensores diagonales a fin de evitar

electricidad auxiliares. Los esfuerzos

posición de puertas abiertas.

resonancias e inestabilidades

generados por la forma arqueada de

Inicialmente se consideró la posibilidad

dinámicas en los movimientos de

las puertas y por la expansión térmica

de evitar este problema mediante la

apertura y cierre.

de estas hicieron pensar que sería

desplazamiento en caso de un evento

Se trata de un nuevo y revolucionario concepto de telescopio terrestre

superposición de segmentos retráctiles

necesaria algún tipo de articulación

(similar a los techos de algunos

El accionamiento de las puertas

compleja entre la puerta y la cúpula.

estadios), pero esta solución fue

Para el accionamiento de las puertas

Finalmente, se comprobó que dadas

desechada para evitar añadir

también se consideraron varias

las dimensiones de la estructura, la

Fig. 2. La geometría del edificio ha sido ajustada al máximo a las dimensiones del telescopio. De esta forma se optimizan los costes de construcción, operación y mantenimiento.

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i+d


Innovación y Tecnología

Diseño del domo del E-ELT

Fig. 3. Estructura de las puertas. Detalle de los mecanismos de desplazamiento.

relación de curvatura y longitud es

bogie con objeto de obtener un reparto

tan pequeña que la carga de empuje

igual de cargas sobre las ruedas.

lateral resulta no significativa en comparación con las cargas de

Los bogies principales se sitúan en el

funcionamiento y que, además, las

extremo de las vigas en arco de la

vigas de arco se comportan de forma

puerta y se componen de dos

flexible en la dirección longitudinal. Se

conjuntos de ruedas (Ø800x150mm)

pudo prescindir, por tanto, de

cuyo eje es normal a dirección de

soluciones complejas y se hizo

carga (alrededor de 15-20º respecto al

descansar a cada puerta sobre bogies

plano vertical) que se desplazan sobre

conectados a la estructura principal de

carriles inferiores y que cuentan con carriles superiores de bloqueo para

El diseño ha tenido como objetivos la fiabilidad, la funcionalidad y la economía de medios

evitar desplazamientos verticales de la puerta. Otros dos juegos de ruedas más pequeñas (Ø600x120mm) ayudan a soportar las cargas. Los cálculos demostraron que cuatro bogies por puerta son suficientes para soportar las cargas previstas. Dicho un número,

la puerta a través de un rodamiento

además de minimizar el número de

esférico y un perno maestro de Ø320

partes móviles, permite prescindir de

que se ha situado en el centro del

sistemas de igualación de cargas

5

i+d


Diseño del domo del E-ELT

Innovación y Tecnología

Anillo inferior. Interfaz del sistema de rotación acimutal

Vigas de arco

Viga transversal

Viga dorsal

Fig. 4. Estructuras metálicas principales de la cúpula.

entre bogies. Tanto las ruedas

rotación acimutal (Fig. 4). El apoyo de

parte superior de las puertas. Una viga

principales como las secundarias

la cúpula se realiza mediante dos

auxiliar (“viga dorsal”) sirve de apoyo a

ruedan sobre carriles mecanizados

grandes vigas de arco paralelas a la

la “viga de nuca” para transmitir las

apertura (“vigas de hendidura”), de

cargas superiores de las puertas a la

sección triangular de 3,5 m de lado. La

viga de la base. Para soportar los

estructura circular de apoyo consiste en

carriles sobre los que deslizan las

una viga de sección triangular de

puertas, se disponen estructuras de

4.5x3 m, montada sobre una

ménsula

estructura mecanosoldada de sección

que transfieren los momentos de

rectangular de 4.5x4 m con cuerdas de

torsión y flexión a la base. Estas

sección circular de Ø457-508x10-12

estructuras principales se completan

soldados a la estructura de acero de la

para los miembros principales y Ø273-

con otras secundarias.

cubierta. En estos carriles se alojan

323x6 para las diagonales. Esta última

también los componentes del sistema

estructura proporciona la necesaria

El sistema de rotación acimutal

de accionamiento.

rigidez para el apoyo de las vigas de

La función principal de este sistema es

arco y para el buen funcionamiento del

orientar la ranura de observación en la

sistema de rotación acimutal.

misma dirección que el telescopio,

E-ELT permitirá realizar observaciones largamente esperadas por la cosmología moderna

La estructura de la cúpula La estructura de la cúpula, como la de

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i+d

aunque secundariamente se le asignó

las puertas, se compone de vigas

Otro gran arco (“viga de nuca”)

la de proporcionar a las grúas de

tridimensionales en forma de arco que

perpendicular a las dos vigas de

operación un grado de libertad

descansan sobre una estructura circular

arco estabiliza lateralmente el sistema y

adicional. En los domos de base

que actúa como interfaz del sistema de

proporciona soporte a los carriles de la

circular, la solución clásica al problema


Innovación y Tecnología

Diseño del domo del E-ELT

del movimiento acimutal consiste en

arriba mientras las ruedas motrices de

la pista. Otro efecto positivo

disponer los carriles de desplazamiento

los bogies la hacen girar con la ayuda

de este sistema es que proporciona

sobre la parte fija, mientras que los

de un motor eléctrico. Los actuadores

una amortiguación suplementaria,

bogies se anclan a la parte giratoria.

hidráulicos son piezas multifunción

propiedad muy a tener en cuenta ante

pues actúan también como

eventuales fenómenos sísmicos.

El comienzo de las operaciones está previsto para 2018

herramienta de mantenimiento de las ruedas, facilitando la sustitución de

Revestimiento y cierre

estas ante eventuales daños o

La solución del revestimiento de

desgastes y confiriendo así una mayor

puertas y cúpula se muestra en la

fiabilidad al conjunto del sistema. El

Fig. 6. Los espacios interiores de los

Esta solución es la mejor cuando se

sistema de rotación cuenta además

trata de un número reducido de

con elementos auxiliares como son una

bogies, pues estos pueden transmitir

rueda para guiado radial, una

eficazmente los esfuerzos si se sitúan

abrazadera para restricción de

en el extremo de las líneas de fuerza

movimientos y otros dispositivos que

de la cúpula. Pero cuando el diseño

minimizan la transmisión de

incluye un considerable número de

vibraciones a los cimientos. Las dos

bogies, lo mejor es anclarlos a la parte

principales ventajas de asociar los

fija porque de este modo se produce un

bogies a la parte fija son, por un lado,

reparto más homogéneo de la carga.

la reducción de la potencia requerida

Este es el diseño seleccionado para el

para la rotación de la estructura y, por

marcos creados por la estructura

E-ELT, que dispone de diez juegos de

otro, la sencillez

principal se rellenan con vigas ligeras

seis bogies equilibrados

de instalación del sistema hidráulico

de fachada sobre las que se colocan,

hidráulicamente (Fig. 5). En situación

de elevación. Mediante este sistema de

de reposo, los perfiles del borde inferior

elevación se equilibra el reparto de

de la cúpula descansan sobre unas

cargas sobre los bogies, reduciendo así

zonas de apoyo. Para iniciar el

la magnitud de los picos de máxima

movimiento, dos cilindros hidráulicos

reacción y mitigando los efectos

en cada bogie empujan la cúpula hacia

negativos de las irregularidades de

La discontinuidad estructural, necesaria para el giro acimutal, se resuelve con un sistema de rotación sencillo y robusto

Rueda de centrado radial

Ruedas de empuje horizontal

Fig. 5. Anillo de la base de la cúpula (parte móvil) y mecanismo de rotación acimutal (parte fija).

Parte móvil. Viga y railes del borde inferior de la cúpula

Parte fija. Bogies para rotación acimutal Motor eléctrico

Cilindros hidráulicos de elevación

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i+d


Diseño del domo del E-ELT

Innovación y Tecnología

sucesivamente, una capa de acero

los sectores nuclear y espacial. El

posteriores análisis confirmen si una

galvanizado, otra de aislamiento

mecanismo consta de un tornillo sin fin

configuración con un menor número

térmico y otra de material bituminoso

que acciona un arpón en la puerta

proporcionaría también la necesaria

para sellado a prueba de agua. Unas chapas recubiertas de “aluzinc” se fijan a la cubierta de acero galvanizado mediante perfiles en L.

Las puertas disponen de un sistema de enclavamiento o amarre, cuyo objetivo es garantizar la eficacia del sistema de sellado de aire y de agua. El sistema de

continuidad entre las puertas.

La complejidad constructiva del E-ELT está siendo un factor dinamizador para la industria tecnológica

cierre se ocupa de realizar el atraque

Con el fin de reducir al mínimo las fugas de aire cuando la cámara interior está presurizada, los huecos entre las partes móviles del sistema puerta-cúpula se rellenan con bolsas inflables de fibra de vidrio revestidas de teflón. Esos sellos tienen un ancho de 250 mm y una presión operativa

de los bordes correspondientes y ha

derecha y una pinza que lo atrapa en

de 400 Pa sobre la presión ambiente.

sido calculado con unos márgenes de

la izquierda. Un anillo dilatador sujeto

El total de volumen de aire requerido

tolerancia en la alineación de 100 mm

en el cuello del arpón puede liberar el

es de 39 m3 alrededor de las puertas y

en la dirección de enganche y 50 mm

cierre en un movimiento posterior. El

de 30 m3 en todo el anillo acimutal y es

en la dirección lateral. En busca de un

ciclo de amarre y liberación se puede

proporcionado por sistemas de aire

sistema sencillo y fiable, se ha elegido

realizar con un solo actuador y algunos

comprimido de baja potencia que se

un mecanismo de bloqueo y

sensores. Como una primera

sitúan en la plataforma de la grúa de

desbloqueo mediante empuje que es

aproximación, se han dispuesto siete

mantenimiento y en la cámara de de

bastante común en las instalaciones de

puntos de amarre a la espera de que

rotación acimutal.

Fig. 6. Cierre de puertas y revestimiento del domo. Detalles.

Tornillo de potencia

Arpón Mecanismo de cierre y apertura

Aluzinc

Capa impermeable Aislante Acero galvanizado

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i+d


Innovación y Tecnología

Diseño del domo del E-ELT

Fig. 7. Pantalla de viento. Estudios asociados.

Para la ventilación del recinto se han

hasta la altura que, en cada caso,

dispuesto juegos de persianas

requiera su ángulo de elevación

horizontales tanto en la cúpula y

(Fig. 7). Se seleccionó este diseño debido a su inherente robustez, a

El sistema de aire acondicionado evita la transferencia de fluido refrigerante entre las partes móviles del domo

la simplicidad de mantenimiento y a la reducida potencia necesaria para su funcionamiento, en comparación con otras alternativas. El sistema tiene otras ventajas: no trabaja contra la gravedad y no requiere abrirse los 45 m de máxima apertura de las puertas, lo cual podría causar esfuerzos de torsión y flexión debido a

como en la parte fija del edificio que

cargas de gravedad. La estructura de

consisten en hojas giratorias

la hoja está formada por una sola capa

soportadas por bastidores que además

en rejilla diagonal (“diagrid”) con una

de servir de soporte permiten optimizar

distancia de 4 m entre los centros,

el ajuste, mejorando la eficiencia

perfiles tubulares de Ø160x8 y barras

térmica y la impermeabilidad

de tensión de Ø30.

del sistema. Cada hoja rueda sobre dos raíles

Las pantallas de viento

sujetos a la estructura principal de la

El diseño propuesto se compone de

cúpula, uno en la parte superior y el

dos hojas esféricas, ejecutadas en

otro en la parte inferior. Los

estructura de acero monocapa, que se

transportines del borde inferior

deslizan paralelamente a la cúpula de

consisten en dos rodillos de carga de

la estructura protegiendo el telescopio

Ø110x30 y otros dos más pequeños

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i+d


Diseño del domo del E-ELT

Innovación y Tecnología

Geometría de la cimentación

Deformación ante evento sísmico

Estudio de cargas estáticas

Estudio de cargas de viento

Fig. 8. Cimentación de la estructura. Estudios asociados.

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i+d

de Ø50x25 en prevención de

de la estructura. Una línea de toberas

diseño tiene la principal ventaja de la

eventuales movimientos de elevación.

de soplado se encuentra en el

compacidad, ya que no hay necesidad

El despliegue de la hoja se realiza

perímetro inferior del muro y otras dos

de un gran puente grúa que abarque

mediante un movimiento de rotación

líneas se colocan en la parte superior

los 45 m de la ranura de apertura, lo

accionado por un sistema de piñón y

del mismo, orientando todas las

cual hubiera implicado una estructura

cremallera dotado de un motor de

boquillas hacia arriba y hacia el

muy pesada, compleja y costosa. Una

15 kW. La forma esférica de las hojas

interior del edificio. Se han dispuesto

grúa auxiliar de 5 toneladas de

es generada a partir de planchas

asimismo algunos ventiladores en las

capacidad permite llegar al perímetro

modulares de 5x5 metros. Los

pasarelas de la cúpula que, aunque no

exterior del recinto. El conjunto es

paneles que se encuentran en la zona

son estrictamente necesarios,

complementado con una plataforma

de la hendidura de observación

permiten reducir la velocidad del aire

de elevación de 30 toneladas

cuando las hojas están desplegadas se

en la interfaz del mecanismo acimutal

de capacidad.

cubren con paneles perforados o

y de esta forma mejorar el confort

en persiana.

de los operarios que deban realizar

Base y cimentación

labores de mantenimiento en

La cúpula rotatoria se apoya en una

El sistema de refrigeración y otros equipos

esa zona.

El sistema de control térmico se aloja

La actividad normal del telescopio y

de espesor con aperturas de 4x4 m

en la base o parte fija del edificio. El

las operaciones de mantenimiento

para disponer las ventanas de

principal objetivo de la propuesta de

requieren varios sistemas de manejo

ventilación. El muro está rematado con

diseño es la simplicidad y la fiabilidad

de cargas. El principal es una grúa de

una viga en forma de corona que

del sistema, para lo cual se considera

20 toneladas que se desplaza sobre un

proporciona el espacio necesario

imprescindible evitar la de

rail curvo fijado al borde de la puerta.

para alojar el sistema de rotación

transferencia de aire frío o agua

El sistema de rotación acimutal se

acimutal y confiere al borde superior

desde la parte fija a la parte giratoria

utiliza para operar la grúa. Este

de la pared la rigidez requerida.

base (Fig. 8) que consiste en un cilindro de hormigón armado de 1 m


Innovación y Tecnología

Diseño del domo del E-ELT

Además, con el objeto de dotar al

hormigón armado de 1 m de espesor,

descansan sobre cimentaciones

edificio un amplio hueco de acceso, se

están rematados por vigas de

de zapata sin que se haya visto la

ha diseñado una viga puente de

coronación y descansan sobre zapatas

necesidad de utilizar pilotes de

hormigón postensado de 30 m de ancho que además confiere al sistema de rotación acimutal la necesaria rigidez. Dicha viga se apoya en dos grandes muros de 12,5 m de altura que actúan como contrafuertes y están dispuestos perpendicularmente

profundidad. En el telescopio se han

En 2008, el diseño fue presentado en las instalaciones del ESO en Munich (Fig. 9)

a la pared cilíndrica.

dispuesto además pantallas radiales de hormigón que proporcionan rigidez y unidad a toda la base y que cuentan con las aberturas necesarias. Algunas losas auxiliares conectan las vigas de coronación con las zapatas.

de 5 m de ancho y 1,7 m de Los cimientos del telescopio, son

profundidad. Tanto el muro de la

cilindros huecos concéntricos de

cúpula como el del telescopio

Fig. 9. Modelo a escala. Presentación en Munich.

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i+d


Laboratorio de litio líquido

Innovación y Tecnología

En torno a la fusión nuclear

La creación de un laboratorio de litio líquido en España

El gobierno español quiere impulsar la participación de empresas y grupos de investigación en el proyecto internacional de reactor nuclear (ITER). Para ello es necesario crear instalaciones donde se puedan llevar a cabo experimentos relacionados con la fusión nuclear. IDOM ha realizado el diseño preliminar integral de una instalación de carácter estratégico: el laboratorio de litio líquido. El proyecto ha sido financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) en el marco del Programa Nacional del Espacio y de la Fusión.

Agustín Alemán Javier Encabo María Roch Autores del artículo y miembros del equipo de proyecto.


Innovación y Tecnología

Laboratorio de litio líquido

Solenoide central, responsable de generar un campo elétrico de 17 millones de amperios (en ITER)

Pared interior de litio líquido (en reactores futuros avanzados). Contiene la radiación y produce tritio, uno de los componentes de la reacción nuclear

Bobinas toroidales. Junto a las poloidales, crean el campo magnético responsable del confinamiento del plasma. Están refrigeradas con helio líquido a 4,5ºK, cerca del “cero absoluto”

El plasma, a 150 millones de grados centígrados (en ITER), no puede entrar en contacto con materiales sólidos

Criostato. Aislamiento térmico entre las bobinas y el núcleo interior

Cámara de vacío toroidal

Fig. 1. Un reactor nuclear avanzado de confinamiento magnético. Representación del papel que puede jugar el litio líquido en el futuro.

Bobinas poloidales, correctoras del campo magnético

Actualmente hay una docena de

capacitarse y utilizar instalaciones y

diseños y componentes en diferentes

proyectos de reactores de fusión

laboratorios que no se pueden costear

áreas: manejo y mantenimiento remoto

nuclear de confinamiento magnético,

de forma individual. Por este motivo, el

de reactores, técnicas avanzadas de

dentro de los cuales los más

Centro de Investigaciones Energéticas,

fabricación de materiales y

ambiciosos son el reactor experimental

Medioambientales y Tecnológicas

componentes, simulación

de 500 MW ITER, cuya entrada en

(CIEMAT) y la Universidad Politécnica

computacional y experimentación con

funcionamiento está prevista para

de Madrid (UPM) han propuesto la

metales líquidos.

2020 y a partir del cual se desarrollará

creación de un Centro para las

el reactor de uso comercial de 2.000

Tecnologías de Fusión por el que ya

MW DEMO, previsto para 2030.

han manifestado su interés algunas

El futuro de la fusión nuclear: el litio

instituciones como la Comunidad de

La investigación con metales líquidos comenzó en los años 50 del siglo XX

ITER es un proyecto internacional que se construirá en Cadarache (Francia) y en el que la Unión Europea invertirá 4.500 millones de euros. Se espera que suponga un impulso para la investigación española en el campo nuclear a lo cual contribuirá también sin duda el hecho de que la Agencia Europea de Fusión, responsable de la

El litio puede actuar como “combustible” en la reacción de fusión y como envoltura protectora del plasma

en el ámbito de la fisión. Con motivo de esas investigaciones se descubrió que el litio, metal alcalino, se podía utilizar también en algunos procesos de la fusión nuclear como son la producción del isótopo radiactivo tritio (3H o T), la disipación del calor producido en la reacción nuclear o la protección de las estructuras del

gestión de 2.000 millones de euros, se Madrid. Dicho centro albergará

recipiente contenedor (Fig. 1). Debido

instalaciones para el desarrollo de las

a su naturaleza alcalina, el litio

Un centro para investigar en la fusión nuclear en España

diferentes tecnologías que intervendrán

presenta una elevada reactividad

en los futuros reactores de fusión.

química y explosiona en contacto con

Las empresas y grupos de

Desde él se realizará la transferencia

el agua o el aire, lo cual confiere

investigación españoles que deseen

de conocimientos a las empresas para

dificultad a su manejo y tiene costosas

participar en el futuro de la fusión

que éstas puedan participar en los

implicaciones en el diseño de las

nuclear controlada necesitarán

proyectos nucleares, aportando

instalaciones. Esta reactividad puede

ubicará en Barcelona.

13

i+d


Laboratorio de litio líquido

Innovación y Tecnología

mitigarse utilizando una variante del

resultado del impacto de neutrones de

(Pb15.7Li) cuyo punto de fusión es más

litio: la aleación eutéctica de litio.

alta energía sobre los isótopos del litio

bajo que el que ambos elementos por

(6Li y 7Li).

separado y que permite no sólo obtener

Los reactores que hacen uso de los dos

tritio (a partir del litio) sino también

isótopos del helio, el deuterio (núcleo

Por tanto, si se construye envoltura que

multiplicar neutrones (producidos a

de helio con un neutrón) y el tritio

contenga litio en la zona en la que se

partir del plomo), además de evitar el

(núcleo de helio con un protón y dos

producen las reacciones de fusión, los

peligro de una reacción explosiva en

neutrones), fusionan ambos átomos

neutrones rápidos (o de alta energía)

contacto con el aire o el agua. Por estos

para producir cuatro átomos de helio y

resultantes de la fusión y los neutrones

motivos, en 2002 Europa eligió un

un neutrón de alta energía (portador

productos de las reacciones con el 7Li,

del 80% de la enorme energía que se

producirán el tritio necesario para

libera en la reacción). Ver Fig. 2.

alimentar el reactor. Si esa envoltura es líquida, se puede utilizar además como

En nuestro planeta el deuterio

fluido para evacuar calor y convertir

es abundante en el agua del mar

éste en energía mecánica y eléctrica y,

(30 g/m3), pero el tritio no existe en

por último, si la pared tiene suficiente

Es necesario investigar el proceso de producción de tritio a partir de litio

espesor, puede proteger de la

Los futuros reactores de fusión necesitarán tritio, un elemento que escasea en la naturaleza

radiación los componentes situados

modelo oficial de envoltura para

detrás de la envoltura, en particular la

experimentar su posible implementación

cámara de vacío y las bobinas

en ITER en el que se utiliza helio como

superconductoras que se encuentran

refrigerante y Pb15.7Li en estado líquido.

a temperatura criogénica. La investigación en litio puro está

El litio puro y su aleación eutéctica

orientada hacia reactores como DEMO,

estado natural pues se trata de un

Actualmente existen dos grandes líneas

diseños actuales de reactores de pared

isótopo inestable con un tiempo de

de investigación con litio: la asociada al

sólida, los neutrones de alta energía

vida medio de 12,3 años, que debe ser

litio puro y la que investiga la aleación

producto de la fusión nuclear

producido de forma artificial como

eutéctica, una mezcla de plomo y litio

reaccionan con los materiales de la

es decir, a muy largo plazo. En los

Fig. 2. Producción de neutrones de alta energía a partir de litio. Proceso de realimentación de la reacción nuclear.

Protón

Helio

Deuterio: 1 neutrón + 1 protón

Energía de fusión

Neutrón

Tritio: 2 neutrones + 1 protón

Neutrón de alta energía

Litio. Isótopo 7 Helio

Neutrón de baja energía

14

i+d

Neutrón de alta energía


Innovación y Tecnología

Laboratorio de litio líquido

Reservas de deuterio utilizadas como combustible

Criostato

Deuterio y tritio

Reservas de tritio purificado para utilizar como combustible Obtención de tritio y helio como productos de la reacción nuclear

Manto de litio Plasma

Obtención de helio como subproducto del proceso

Intercambiador de calor

Turbina y alternador Generador de vapor Energía eléctrica

Fig. 3. Posible esquema de producción de energía eléctrica mediante fusión nuclear a partir de litio y deuterio.

pared produciendo isótopos

futuros reactores de fusión estarán

de litio: una superficie libre de litio

radioactivos y causando daños

sometidos a elevados niveles de

puro; un lazo cerrado de acero

químicos que pueden llevar a la

radiación y temperatura y será preciso

inoxidable 316L que permitirá mover

erosión y pérdida de integridad

ensayarlos bajo esas condiciones

el litio puro haciendo uso de bombas

estructural del recipiente contenedor.

extremas. Con este propósito, los

electromagnéticas; un sistema de

países promotores de ITER

purificación del litio que permita

El litio puro se puede utilizar como

decidieron que construir instalación,

elemento de primera pared (o pared de

a la que llamaron IFMIF

contención), puesto que absorbe los

(International Fusion Materials

neutrones de alta energía para dar

Irradiation Facility), que consistirá

helio, tritio y neutrones de baja energía.

en un acelerador que proyectará

Una primera pared de litio puro líquido

deuterones (núcleos de deuterio)

no estaría sujeta a daños, podría

contra una corriente de litio líquido

manejar grandes cargas térmicas (del

para producir neutrones con una

orden de 100 MW/m ) extrayendo el

energía muy similar a la de los que se

calor del interior de la cámara de vacío

generarán en el interior de ITER

y actuaría como productor de tritio.

y DEMO.

2

Se desconocen muchos aspectos del comportamiento del litio sometido a las condiciones que rodean a la fusión mantener los niveles de los productos radioactivos (tritio, 7Be) y otras

IFMIF: una instalación de cooperación internacional

Todavía no se ha decidido dónde se

impurezas bajo condiciones de

construirá IFMIF, pero a finales de

operación seguras; y un sistema de

Los materiales avanzados que

2002 se definieron las cuatro partes

refrigeración a través de

formarán parte del núcleo de los

principales que conformarán el blanco

intercambiadores, que permita

15

i+d


Laboratorio de litio líquido

Innovación y Tecnología

Estudio fluidodinámico

Bomba electromagnética para la circulación del litio Haz de electrones

Blanco de litio. Diseño mecánico

Perfil de temperaturas en la superficie libre con deposición de potencia

Acelerador de electrones

Zona de filtrado del litio. Evaluación de efectos corrosivos

Superficie libre de litio

Fig. 4. Esquema de lazo de litio líquido. Algunos sistemas analizados.

evacuar la energía producida por el

instalaciones para realizar ensayos con

El diseño preliminar

impacto del haz de deuterones sobre

litio puro concentrada principalmente

Atendiendo a esta última necesidad, se

el blanco de litio.

en EEUU y Japón; y con la aleación

ha diseñado un lazo de litio puro que

eutéctica, orientada a ITER, se

pueda someterse a las condiciones de

También se decidió que se construirían

concentra en Europa. Pero la oferta de

temperatura de superficie libre y

prototipos de cada una de las unidades

instalaciones versátiles que permitan

condiciones de deposición de potencia

principales que conformarán IFMIF: el

experimentar tanto con litio como con

similares a los proyectados para IFMIF

acelerador de deuterones, el blanco a

Pb15.7Li con objetivos a medio y largo

(Fig. 4) y en el se podrían validar las

escala de litio puro y las celdas de

plazo no es del todo satisfactoria.

tecnologías que finalmente se implanten

Esto supone una oportunidad para

en IFMIF. En la instalación se ha

crear un laboratorio orientado a

sustituido el acelerador de deuterones

experimentos de interés internacional

de IFMIF por uno de electrones.

En Europa existe un déficit de laboratorios para experimentar con litio puro

16

i+d

tanto de litio puro como de la aleación eutéctica. Dicho laboratorio debería

El diseño incluye la zona de superficie

disponer de una infraestructura

libre con deposición de potencia, la

versátil, lograr una sinergia de

zona para llevar a cabo ensayos de test

tecnologías y de dispositivos

de materiales bajo condiciones de

experimentales con otras instalaciones

radiación, así como una tercera zona

ensayo de de materiales. Las

españolas, integrar a empresas,

instalaciones de esta fase de validación

administraciones públicas y

han de estar construidas antes de 2017

universidades de todo el mundo;

y España (representada por CIEMAT)

abrirse a los grupos interesados en

puede aspirar a hospedarlas si

desarrollar tecnologías propias;

demuestra que dispone de experiencia

publicar la información que se genere

e instalaciones preliminares.

de modo que llegue a la comunidad

de filtrado del litio. Esta última tiene

científica; y por último desarrollar

como objetivo evaluar el

La oferta actual de laboratorios

proyectos singulares, como el propuesto

“envenenamiento” del litio por

IDOM ha llevado a cabo un análisis en

con litio puro, que le permitan

formación de N2 y por productos

el que se concluye que la oferta de

distinguirse del resto de laboratorios.

derivados de corrosión y ensayar

Estamos ante una oportunidad estratégica


Innovación y Tecnología

Laboratorio de litio líquido

sistemas que permitan mantener los

laboratorio de materiales, para hacer

En resumen

niveles de pureza deseados. La

incidir un haz de electrones sobre la

IDOM ha analizado los aspectos

instalación de filtrado se ha diseñado y

superficie libre de litio puro. Todo ellos

técnicos, económicos y de

dimensionado de forma que será

convertiría al laboratorio en una

licenciamiento de un posible

posible el acoplamiento de

instalación única en el mundo.

laboratorio de litio puro, confirmado su

subsistemas de purificación en paralelo

Complementariamente, se han realizado

viabilidad y diseñando las instalaciones para trabajar de forma integrada

sin interferir en los demás procesos.

Algunos de los parámetros definidos en el diseño han sido las condiciones de presión (cercana al vacío 10-3 Pa), la velocidad de diseño del fluido, el caudal

IDOM ha confirmado la viabilidad del laboratorio y realizado su diseño preliminar

de diseño, las especificaciones de

con el acelerador de electrones que, se prevé, existirá en el futuro Centro para las Tecnologías de Fusión. Un laboratorio de las características diseñadas, sería la primera instalación a nivel mundial que lleva a cabo

blindajes para protección radiológica y

los pertinentes estudios de arquitectura

algunos de los ensayos que se

las temperaturas de diseño (entre

así como los de seguridad y

han descrito someramente en este

250 ºC hasta 500 ºC según el tipo de

licenciamiento, necesarios para legalizar

artículo, lo cual permitiría

ensayo). El diseño incorpora también el

una instalación de estas características

avanzar de forma significativa en el

acoplamiento del sistema de

en España. Se ha valorado técnica y

desarrollo de la instalación

irradiación, esto es, el desvío de una

económicamente llegando a un coste

internacional para el ensayo de

línea de vacío desde un acelerador de

estimado de 6 millones de euros para la

materiales (IFMIF) y en la comprensión

electrones que se situaría en el

construcción e instalación y unos

de diversos fenómenos implicados en

cubículo contiguo a la zona del

700.000 anuales para la operación.

los futuros reactores de fusión.

Fig. 5. Futuro laboratorio internacional de metales líquidos en España. Diseño arquitectónico de ACXT - IDOM.

17

i+d


Diagnóstico de estrabismo

Innovación y Tecnología

Innovación en el sector sanitario Médicos e ingenieros trabajando en equipo

El Dr. Joan Prat, jefe de oftalmología del Hospital de Sant Joan de Déu sabía cómo debía ser un dispositivo para el diagnóstico del estrabismo en niños, pero carecía de medios para llevar su idea a la práctica. IDOM puso a su disposición una metodología para la innovación de productos y le ayudó a realizar el análisis de viabilidad, el diseño y la fabricación de un prototipo de dispositivo que ha sido patentado y que será sin duda una referencia obligada para el sector durante los próximos años.

© Bayer


Innovación y Tecnología Diagnóstico de estrabismo

Con frecuencia, los profesionales del sector sanitario tienen ideas con las que podrían solucionar necesidades concretas de su práctica diaria pero, al carecer de las herramientas tecnológicas y financieras necesarias, raramente las materializan. Con el propósito de ayudar a dar este paso desde el concepto hasta la realidad, IDOM ha desarrollado una metodología propia para la realización de proyectos de innovación de producto, que contempla desde la generación de

Visión normal: los ejes oculares convergen en el objeto y producen una visión nítida

Estrabismo: uno de los ejes está desviado, produciendo la visión borrosa

Actualmente se prueban prismas con diferentes ángulos de difracción, hasta conseguir que el paciente enfoque el objeto

una idea hasta su concreción en un nuevo producto comercializable.

Fig. 1. El problema: ¿cómo lograr una medición objetiva de la desviación ocular?

Uno de los primeros frutos de esta metodología surgió en el marco de colaboración continua que IDOM

ángulos delante del ojo dominado

la prueba a la que se le somete y

mantiene con el Hospital Sant Joan de

hasta conseguir que este mire al punto

conteste adecuadamente a las

Déu, un centro médico sin ánimo de

correcto del espacio. La inclinación del

preguntas que se le realizan (Fig. 2).

lucro orientado a la atención a niños y

prisma óptico con el cual se elimina la

Como consecuencia de todo ello las

perteneciente a la Orden Hospitalaria

desviación del alineamiento es una

acciones correctoras (intervenciones

que le da nombre.

medida de la corrección ocular que

quirúrgicas o lentes) no siempre son

hay que realizar al paciente, ya sea en

las correctas, provocando la repetición

una intervención quirúrgica o mediante

de las intervenciones quirúrgicas o la

El problema El estrabismo (bizquera) es una enfermedad con una incidencia del 3-4% en la población infantil y de 1-2% en adulta y consiste en la desviación de los ejes oculares, del alineamiento de un ojo en relación al otro (Fig. 1), que impide fijar la mirada

prolongación del período de utilización

El método de diagnóstico tradicional entraña una gran subjetividad

en el mismo punto del espacio,

de lentes. En el Hospital se hacen unas 400 operaciones de estrabismo al año y el Dr. Joan Prat pensó en un método para reducir el coste psicológico y económico de los diagnósticos imprecisos. De esa forma, estableció contacto con los ingenieros de IDOM y

dificultando una correcta percepción

lentes. Pero el sistema de prismas no

les expuso su idea de desarrollar un

de la profundidad y proporcionando

es suficientemente preciso por varias

novedoso dispositivo oftalmológico que

una visión borrosa. En el estrabismo

causas: en primer lugar, la persona

eliminase la subjetividad.

existe un ojo dominante y un ojo

que realiza la exploración debe

dominado, el primero consigue

interpretar de forma subjetiva cuándo

La solución

centrarse correctamente en un punto

ambos ojos están alineados; además,

La idea del Dr. Prat para mejorar los

del espacio, mientras que el otro no.

la desviación no es la misma en todas

sistemas actuales de diagnóstico

A día de hoy la medición de la

las zonas de visión; y cuando el

consistía en la grabación del

desviación se realiza con la colocación

paciente es un niño de poca edad,

movimiento de los ojos mientras estos

de prismas ópticos de diferentes

resulta difícil explicarle la naturaleza de

se dirigen hacia unos puntos de

19

i+d


Diagnóstico de estrabismo

Innovación y Tecnología

referencia emitidos por un proyector

aproximación técnica y económica para

situado sobre la cabeza. A partir de ese

evaluar la viabilidad del nuevo equipo y

registro de movimiento, se realiza un

con base a ella decidió abordar el

cálculo informático mediante un

desarrollo del proyecto y solicitar la

algoritmo que permite obtener el ángulo

patente del concepto propuesto.

de desviación de un ojo en relación al otro (Fig. 3). De aquí surgió el nombre

Optimización del proyecto

que se dio al proyecto: DigMO

Como condición para iniciar el proyecto

(digitalizador de la motilidad ocular).

el Hospital solicitó una reducción del plazo de ejecución y del coste

Los métodos cualitativos están condicionados por la subjetividad del examinador y en el caso de pacientes de corta edad, por la dificultad de los pequeños para comprender las pruebas a las que son sometidos

El nuevo método se funda en mediciones objetivas

Fig. 2 El método tradicional. Aproximaciones sucesivas

económico, una mayor caracterización del concepto inicial y apoyo en la búsqueda de financiación. IDOM colaboró estrechamente tanto en la definición de los elementos que debían

Los ingenieros de IDOM comenzaron a

conformar el dispositivo como en la

colaborar con el Dr. Prat en la

presentación de la idea a organismos

concreción del concepto del nuevo

oficiales y entidades del sector sanitario

equipo, trazando las líneas

que pudiesen apoyar el proyecto

fundamentales del diseño mecánico,

financieramente.

estableciendo plazos de realización y estimando el coste económico, entre

Para conseguir el objetivo de reducción

otras cuestiones.

de coste se descartaron dos elementos (silla de exploraciones y pantalla de

Al finalizar esta primera parte del

proyección) considerados inicialmente

estudio, el Hospital dispuso de una

necesarios y que, en la práctica, se

Fig. 3. La solución propuesta. Una medición objetiva de la desviación ocular.

Un programa informático calcula la desviación ocular a partir del registro de movimiento

Con la ayuda de un proyector se registra el movimiento de los ojos en un mapa visual

El movimiento de los ojos se captura mediante video-cámaras, eliminando toda valoración subjetiva Casco de sujección: sujección firme sin afectar a los músculos faciales

Cámaras de video

20

i+d


Innovación y Tecnología

Proyector delante, cámaras con giro y traslación, soporte en guía

Proyector delante, cámaras con giro y traslación, soporte en rectángulo

Proyector encima, cámaras con giro y traslación, soporte en guía

Diagnóstico de estrabismo

Proyector encima y giro, cámaras con rótula, soporte por puntos

Fig. 4. Fase de ingeniería básica. Algunas variantes funcionales y ergonómicas.

encuentran disponibles en cualquier

de los aspectos informáticos y

uniones aparecían como simples

hospital. Asimismo se redefinieron

electrónicos se confió a la empresa

bocetos en forma esquemática y aún sin

algunas características técnicas y de

Advancare, una Start-up del Parque

soluciones constructivas concretas.

alcance que permitirían realizar un

Tecnológico del Vallés. Esta fase se

Como primer paso en la fase de

primer prototipo de menor coste. Todo

vertebró, a su vez, en tres etapas:

ingeniería básica (Fig. 4), se obtuvo la

ello condujo a un ahorro del 60% del

ingeniería básica, ingeniería detalle y

información de partida del proyecto

presupuesto inicialmente previsto.

construcción del prototipo.

incluyendo aspectos relacionados con la

Además, tras algunos contactos y

función que debería realizar el equipo

presentaciones ante organismos e

En el concepto mecánico se

(sujeción firme a la cabeza, cámaras

instituciones se obtuvo el apoyo

consideraron, de forma genérica,

que graban desde debajo de los ojos,

financiero del Departament de Salut de

diversos elementos funcionales tales

etc.), sus dimensiones (máximas,

la Generalitat de Catalunya. A renglón

como proyector, casco y cámara. Hasta

mínimas, pesos, etc.), las regulaciones

seguido se procedió a buscar y concretar

el momento, dichos elementos y sus

necesarias, los materiales (resistencia,

los proveedores que fabricarían los elementos que configuraban el nuevo equipo, así como a confirmar los plazos, requisitos, etc. Con ello dio inicio la fase de desarrollo de DigMO.

El desarrollo Ya en la fase de desarrollo, se incorporó

Fig. 5. Fase de Ingeniería de detalle. Diseño de las soluciones definitivas, fabricación, compras y ensamblaje.

Ingeniería de detalle para el elemento proyector

a la ejecución del proyecto DigMO el Área de Tecnologías Avanzadas de IDOM para ocuparse de los aspectos técnicos y mecánicos del proyecto y evolucionarlo desde el concepto inicial hasta un prototipo funcional que permitiera realizar la posterior experimentación clínica. El desarrollo

21

i+d


Diagnóstico de estrabismo

Innovación y Tecnología

Mejoras sucesivas: rediseño del casco, del sistema de sujeción de cámaras y del proyector, hasta conseguir cumplir con todos los requisitos listados

textura, peso, etc.) y también aspectos

cada rama del árbol funcional. Esto se

ergonómicos, medioambientales (uso

realizó mediante sucesivas reuniones de

desechables, materiales reciclables,

brainstorming, en las que se aportaron

etc.) y legales, como normativas y

bocetos de alternativas posibles a cada

patentes existentes, etc. En paralelo a la

función básica. Una vez se dispuso de

acción anterior se realizaron entrevistas

las soluciones para las funciones

con médicos especialistas, usuarios y expertos del tema, así como análisis de equipos similares, pero de aplicación diferente, ya existentes en el mercado.

Posteriormente se identificó el árbol funcional del nuevo equipo como paso

En la fase de validación final hubo que realizar hasta tres prototipos

previo para su posterior materialización en soluciones constructivas. Para ello, la

básicas, se procedió a generar a partir

función principal –medir la desviación

de éstas una solución única para la

ocular de forma objetiva y fiable– se

función principal. Los elementos

desdobló en dos sub-funciones: “mover

genéricos que describían dicho

la vista del paciente a un determinado

concepto –proyector, casco, y cámara–,

punto” y “medir la posición real del ojo

dieron paso a una descripción mucho

respecto la posición teórica”. Cada una

más concreta del equipo.

de estas sub-funciones se desdobló a

22

i+d

su vez en otras sub-funciones y éstas

La ingeniería de detalle

todavía en alguna sub-función más,

En la etapa de ingeniería de detalle se

hasta llegar a un listado de funciones

resolvió la unión entre casco y cámaras,

básicas difícilmente reductibles. De este

la fijación de las cámaras a la varilla

modo fue posible buscar posteriormente

frontal, la colocación del proyector, el

soluciones constructivas óptimas, fáciles

movimiento de éste, etc (Fig. 5). Ello

de implementar y económicas, para

permitió decidir qué elementos serían

Fig. 6. La fase de validación y el prototipo.


Innovación y Tecnología

de compra y cuáles sería necesario

ocuparía de explotar la patente del

diseñar y fabricar de forma especial. En

Hospital, fabricando y comercializando

sucesivas reuniones y rediseños se

el nuevo equipo.

Diagnóstico de estrabismo

plasmó una solución final caracterizada hasta el último detalle y que cumplía

Conclusiones

todos los criterios definidos en la

Así pues el proyecto DigMO ha aportado

ingeniería básica. A partir de aquí se

un doble valor al Hospital Sant Joan de

realizaron los planos constructivos,

Déu: por una parte, la posibilidad de

negociaciones con talleres, seguimiento

desarrollar una nueva práctica clínica

de fabricación, compras necesarias,

y por otra la oportunidad de poner en

etc. hasta disponer al cabo de varias

marcha una iniciativa empresarial en la

semanas de los primeros componentes

industria de alto valor añadido de los

fabricados. Se probaron por separado y

“medical devices”. Pero Digmo también

se realizaron los ajustes necesarios

ha enriquecido el acervo innovador de

hasta conseguir su correcto

IDOM, permitiéndole validar su

funcionamiento. Una vez finalizada esta

metodología para el desarrollo de

Tras realizar las pertinentes pruebas clínicas se constituyó una empresa Start-up para explotar la patente

Fig. 7. El entregable.

verificación se procedió al montaje de todos los componentes en un único prototipo funcional para realizar las pruebas de validación final.

El prototipo y la comercialización Con el prototipo ya en manos del Dr. Prat se procedió a validar el

Se ha contituido una empresa para producir y comercializar el nuevo equipo

cumplimiento de la función principal.

se basa en un enfoque de innovación abierta en el que IDOM orquesta una solución única a todas las necesidades del proyecto, incorporando todas las capacidades necesarias, y gestionando de forma integral la totalidad del proceso para asegurar la obtención del

Inicialmente no se consiguió el

nuevos productos, recorriendo todo

mejor resultado. La línea de

resultado esperado pues, aunque el

el camino que lleva desde el nacimiento

colaboración permanente de IDOM con

conjunto de proyector y cámaras

de una idea hasta la obtención de

el Hospital de Sant Joan de Déu ha

funcionó correctamente se descubrió

un producto industrializable, pasando

conducido al desarrollo de dos nuevos

que el casco carecía de la estabilidad

por la construcción y prueba de un

dispositivos médicos con sus

necesaria. Hubo que rediseñarlo y

prototipo funcional. Dicha metodología

correspondientes patentes.

también mejorar el proyector con un sistema de cierre y protección de sus diferentes componentes (Fig. 6). Se cambió el soporte de las cámaras y se realizaron otros ajustes menores. Hubo un segundo y un tercer prototipo hasta conseguir cumplir con todos los requisitos listados.

Belén Hermosa Óscar Bergua Menno Veefkind Autores del artículo y miembros del equipo de proyecto.

A partir del tercer prototipo se hicieron las pruebas clínicas en el Hospital con resultados satisfactorios. También se constituyó una Start-up que se

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i+d



BOLETÍN I+D 2009