Revista grupo GFQSC

Revista del Grupo Noviembre 2009

Participación

V ENIDI 2009

Resúmenes, pósters

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 Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional San Rafael, Gral. Urquiza 314,

5600, San Rafael, Mendoza, Argentina [email protected]

b 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

[email protected],

b Grupo de Fisico-Química de Sistemas Complejos � UTN FRSR � General Paz y Urzuiza � San Rafael � Mendoza - Argentina

[email protected],

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 Page 244

Encuentro de Investigadores y Docentes de Ingeniería 2009EnIDI 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.

[email protected], [email protected]

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

[email protected], [email protected]

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 Page 229

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].

[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.

Síntesis del análisisLos 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.

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.

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

AplicaciónComo 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..

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.

ConclusiónLos 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.

Ensayo a la compresiónDurante 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.

SUSTRATOS GENERADOS POR MEZCLAS CON NSUSTRATOS GENERADOS POR MEZCLAS CON NÚÚMERO DE MERO DE COORDINACICOORDINACIÓÓN ESTOCN ESTOCÁÁSTICA.STICA.

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: [email protected]

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.

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.

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:

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 = 0.00son coincidentes con los dados en la bibliografía, coincide con la red cuadrada df = 2 y dw = 2.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).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.

Fig. 1: Tipos de partículas utilizada BDA.

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

( ) ~ fdl lΘ

( ) ~ 1/ wR t t dν ν∴ =

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

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.

( ) ( ) ( )( )

1

1 , ,CN t

m i i iiC

r t r x y tN t =

= ∑

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.

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

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

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.

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):

( ) ( ) ( ) ( )( )( )

2

1

1, , ,CN t

i i i miC

w L t r x y t r tN t =

= −∑

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

San Rafael, Mendoza 15 de octubre de 2009.

Firma del becario Firma del director de beca Mella Celeste Ing. Guarino Walter

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.

Informe Mensual de Investigación

Periodo: Septiembre. Becario: Julio Carbonetti.

---------------------------------------------- Julio Carbonetti

Becario. - 1 -

---------------------------------------------- Ing. Fabricio O. Sánchez Varretti.

Director de Beca.

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.

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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JEFF HECHT contributing editor

NIF is up and running at last

The National Ignition Facility has

been a long time coming. The Depart-

ment of Energy approved building the

giant laser at the Lawrence Livermore

National Laboratory (Livermore, CA)

in 1994, with construc-

tion costs estimated at

$900 million and com-

pletion scheduled for 2002. But by

1999 the project was in deep techni-

cal and management trouble, and its

very survival seemed in question.

On March 31 of this year, Energy

Secretary Steven Chu formally declared

construction complete. Building NIF

cost $3.5 billion, nearly four times the

original estimate, and lagged nearly

seven years behind initial plans. The fully

assembled system is now fi ring test shots,

although not delivering the full design

energy of 1.8 MJ of ultraviolet light on

target. That will come in time as

Livermore tests and fi ne-tunes

the laser, slowly nudging its out-

put energy upward. They aren’t

shooting to meet a specifi c date;

they’re waiting until they are

sure the laser is ready.

That slow and careful

approach is a hallmark of Ed

Moses, principal associate

director of Livermore for NIF

and photon science,

who has run NIF since

1999. This approach

took time, but it got

the 192-beam laser

up and running after

some had thought the

project was doomed. It won’t change

as NIF approaches full power. Moses

views his role as stewardship for a

national asset, and his biggest concern

is optical damage. “I’m not blowing up

my machine,” he says. “The last thing

you want is to be a cowboy.” He cites

last year’s damage to the Large Hadron

Collider at CERN and says that, had he

been running their tests, he would have

increased power in much smaller steps.

Inertial confi nement fusion

The job of NIF is to heat and com-

press targets contain-

ing hydrogen isotopes

beyond the threshold

for nuclear fusion. The

idea of inertial confi ne-

ment fusion was born

at Livermore, where

John Nuckolls and colleagues outlined

the concept in a 1959 internal memo.

Soon after Theodore Maiman built the

fi rst laser in 1960, Livermore began fi r-

ing laser pulses at potential targets.

Laser fusion became a hot idea by the

early 1970s, with major U.S. projects at

Livermore, the University of Rochester

(Rochester, NY), KMS Fusion (Ann

Arbor, MI), the Naval Research

Laboratory (Washington, DC), and

the Los Alamos National Laboratory

(Los Alamos, NM). By then fusion work

was divided into two distinct but closely

related efforts. One was development

of fusion reactors for civilian energy

production, pursued by KMS and

Rochester, and described by Nuckolls,

Lowell Wood, and two Livermore col-

leagues in Nature.1 The second effort

was a long-classifi ed program to simu-

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.

FIGURE 1. NIF’s Laser

Bay 2, shown looking

away from the target

area, includes 96 of the

192 beam lines. Note

the three workers in

yellow hard hats for scale.

(Courtesy of Lawrence

Livermore)

P H O T O N I C F R O N T I E R S : THE NATIONAL IGNITION FACILITY

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late the heating and compression of hydro-

gen isotopes in thermonuclear weapons,

pursued at Livermore and the other gov-

ernment labs.

The serious money went to the military

program, centered at Livermore. Called

indirect drive fusion, it uses a two-stage

process, with the intense laser pulse fi rst

generating a burst of x-rays from a metal

foil, and those x-rays then compressing

the hydrogen to produce fusion, simulat-

ing hydrogen-bomb physics on a smaller

scale. During the 1970s, Livermore built

increasingly big and powerful neodym-

ium-glass lasers, including Argus, Janus,

and Cyclops. The 20-beam, 20 TW

Shiva followed at the end of the decade.

Livermore’s next step was the 10-beam

Nova laser, completed in 1985, which

eventually was able to produce 40 kJ,

2.5 ns pulses at 351 nm, delivering 30

kJ to targets.2

However, research at Livermore and

elsewhere also revealed unexpected prob-

lems. The laser-energy threshold for

fusion ignition proved to be much higher

than the 10 kJ that Nuckolls had origi-

nally calculated. The tests also revealed

that target illumination had to be very

uniform to avoid troublesome plasma

instabilities that could disrupt target com-

pression and fusion. After some debate,

Livermore proposed multiplying pulse

energy delivered to the target by a factor

of 60 to achieve ignition in NIF.

Building NIF

Like Nova, NIF splits a single oscilla-

tor pulse among parallel chains of neo-

dymium-glass amplifi ers to generate

high-energy pulses on the fundamental

near-infrared line, and then generates

the 351 nm third harmonic. But NIF

marks big steps up in energy per beam

line, the number of beam lines, and sheer

mass and complexity of the system. With

192 beam lines, NIF includes several

thousand laser amplifi ers and fi nal op-

tics wider than 50 cm (see Fig. 1). The

amount of glass is staggering, and the la-

ser is housed in a three-building complex

measuring 704 × 403 × 85 ft.

Livermore built and tested a proto-

type beam line called “Beamlet” to ver-

THE NATIONAL IGNITION FACILITY cont inued

FIGURE 2. The fi nal optical inspection system inside the target chamber examines focusing

optics to spot signs of potential damage. (Courtesy of Lawrence Livermore)


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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 fi nal 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 opti-

cal components more than 50 cm across,

including fi nal 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 fl ux 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,” Moses says. “We fi gured out

we had to go down fi ve orders of magni-

tude” to limit damage in NIF. To do that

he launched an intense effort that ranged

from studying the physics of the dam-

age process to working with vendors on

cleanliness and post-processing. To check

for damage to surfaces, Livermore added

an inspection system that can spot fail-

ure initiators as small as 5 μm—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.” He boasts

that NIF is now fi ring with optics “that

seem damage-proof at around 10 J/cm2.”

Ramping up the power

NIF is now in the midst of its National Ig-

nition Campaign, which runs from 2006


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THE NATIONAL IGNITION FACILITY cont inued

to 2012, and aims at demonstrating igni-

tion. Early this year, NIF easily passed the

criteria set in 1997 for commissioning—

installation of all 192 beams, with 96 of

them together generating 500 kJ in the

ultraviolet. In March, Livermore brought

ultraviolet energy up to 1.1 MJ, just un-

der 60% of the full output energy. It also

ran eight beam lines at energies of 9 kJ in

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 reach-

ing full power until autumn 2010.

The system’s modular design and sophis-

ticated control system gives Livermore

tremendous control over operation. The

beams are grouped in hierarchical struc-

tures. 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 cham-

ber, the other entering the bottom. Six

8-beam bundles make a cluster, two clus-

ters make a 96-beam laser bay, and two

bays make NIF. Each beam can be man-

aged separately, or grouped with others

in its quad, bundle, and so forth.

Two million lines of software manage

laser operation. “It shoots itself, to the fi rst

order. All the beam lines are autoaligning.

We’re trying to get to the point where we’re

spectators,” Moses says. With 192 beams

in NIF, he thinks that’s a necessity.

In early September, Livermore research-

ers described their fi rst ignition-campaign

experiments at the sixth international

Inertial Fusion Science and Applications

conference in San Francisco, CA.3 “We

fi red nine shots at 600 kJ with 192 beams,

delivering the right spot size,” in a series

of cryogenic target shots spanning two

weeks, says Moses. “We are very happy

about this.” He’s also happy about shots

with targets containing 10% deuterium

mixed with 90% helium, which yielded

NIF’s fi rst 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 industry for playing a big role in the

recovery. He says NIF should reach the

full 1.8 MJ level in about a year, and fi re

250 shots in fi scal 2010, reaching 700

shots a year in 2012. By then he hopes to

have demonstrated ignition as well.

Yet success is not guaranteed. Optical

damage is a notoriously tough problem

and reaching new realms of laser energy

has a history of revealing new physics that

makes it harder to control laser-plasma

interactions. Questions have been raised

about how well NIF can perform, how

well laser fusion can simulate nuclear

detonations, and whether civilian fusion

power is within the technological horizon.

Within a few years, we should have some

of the answers.


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developed by engineers at Fraunhofer

IPMS (Dresden, Germany) for projection

applications. The backplane for the dis-

play was designed in a 0.18 μm commer-

cial CMOS process and is currently under

prototype manufacturing; microprojector

optics for the display have been created

by Fraunhofer IOF (Jena, Germany) and

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 mono-

chrome version of the display has a bright-

ness of up to 30,000 cd/m2; the bright-

ness 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, Ger-

many), and the University of Edinburgh

(Edinburgh, Scotland). Contact Uwe Vogel

at [email protected].

A monochrome display

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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.

Revista grupo GFQSC

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