I ricercatori dell’Università della California a Santa Cruz coinvolti nello studio (da sinistra: Andrew Phillips, Nobuhiko Kobayashi e David Fryauf)
A seguito di uno studio pilota del 2016 firmato da un team di scienziati dell’Università della California a Santa Cruz, guidati da Nobuhiko Kobayashi, è stata implementa la tecnica per realizzare rivestimenti protettivi su film riflettenti a base di argento (silver coating) per specchi astronomici di grandi dimensioni, con lo scopo di aumentare il tempo osservativo disponibile – preziosissimo per gli astronomi – limitando le operazioni di manutenzione e quindi i costi necessari per il mantenimento del telescopio a un alto livello di efficienza. I grandi telescopi ottici in corso di implementazione come Tmt (Thirty Meter Telescope, 30 metri di diametro), Elt (Extremely Large Telescope, 39 m di diametro) e Cta (Cherenkov Telescope Array, più di 100 telescopi complessivi di diametro compreso tra 4 e 23 metri) necessitano di realizzare coperture riflettenti per centinaia o addirittura migliaia di metri quadati di specchi, che dovranno essere performanti e resistenti nel tempo. La tecnologia riguardante le coperture riflettenti degli specchi astronomici vive quindi un momento di particolare importanza, con molte attività di sviluppo in corso a livello internazionale ma anche in Italia.
La tecnica oggetto dello studio è chiamata “atomic layer deposition” ed è utilizzata per depositare un film protettivo per le coperture riflettenti in argento in vista di una possibile applicazione per i quasi 500 segmenti esagonali di circa 1.4 metri di lato che formeranno lo specchio primario di Tmt. La tecnica, già largamente usata nel campo della microelettronica industriale e finora utilizzata per superfici molto piccole, non era ancora stata implementata per aree grandi come richiesto per i telescopi astronomici. Consiste nel realizzare un sottilissimo strato di materiale depositandone uno strato molecolare alla volta, garantendo così un’alta uniformità dello spessore sulla superficie. Kobayashi e i suoi collaboratori promettono risultati molto superiori a quelli ottenuti con le tecniche tradizionali di deposizione dei coating di protezione. I risultati incoraggianti hanno convinto il team a progettare un sistema in grado di applicare la tecnica agli specchi dei telescopi, sistema attualmente in grado di accogliere uno specchio di quasi un metro di diametro. «Non ci sono motivi per pensare che lo stesso design possa essere adattato a specchi ancora più grandi» dicono gli studiosi coinvolti.
La copertura riflettente in argento è in realtà una soluzione ben nota per la realizzazione di specchi astronomici. Presenta il grande vantaggio di essere semplice da applicare: non c’è bisogno di utilizzare tecniche di deposizione sotto vuoto (al contrario, ad esempio, dell’alluminio). Si possono fare anche dei veri e propri bagni d’argento nel materiale liquido: è questa la tecnica con cui ad esempio sono realizzati anche specchi a uso ornamentale. L’argento presenta un’ottima riflettività nella banda elettromagnetica del visibile e del vicino infrarosso, anche se l’efficienza cala molto nella regione dell’ultravioletto. D’altro canto, uno dei principali problemi dei rivestimenti in argento è costituito dal fatto che, se esposto a condizioni atmosferiche aggressive, tende a ossidarsi e rovinarsi molto velocemente e per questo si rendono necessarie coperture protettive molto sottili, come quelle proposte da Kobayashi e collaboratori.
Il telescopio Astri al sito Inaf di Serra La Nave sul Monte Etna. Gli specchi in vetro sottile a nido d’ape e le coperture riflettenti altamente performanti in alluminio e copertura di quarzo sono simili agli specchi realizzati sotto responsabilità Inaf per Magic
Su questo argomento abbiamo raccolto il parere di di Giovanni Pareschi, astronomo dell’Inaf di Milano e principal investigator del progetto Astri (Astrofisica con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana). Astri è il programma di supporto alla partecipazione Inaf per il futuro grande osservatorio per raggi gamma da terra, il Cherenkov Telescope Array Observatory in corso di realizzazione in due siti: Cile (in prossimità del Cerro Paranal) per l’emisfero australe e Canarie per quello boreale. In questo contesto, Astri ha già realizzato e installato al sito Inaf di Catania sull’Etna il prototipo dei telescopi Small-Size Telescope (Sst) per Cta (ce ne vorranno 70 unità) ed è responsabile per la realizzazione degli specchi dei venti telescopi Mst (Medium Size Telescope) di 15 m per il sito sud di Cta.
«Il lavoro di questi colleghi intende aumentare la durata dei coating applicati agli specchi, pur garantendo una buona uniformità nella riflettività dello specchio» dice Pareschi. «Il fatto che sia stato riscoperto l’argento come copertura riflettente non sorprende perché i grandi telescopi come Tmt, il Gmt, Elt hanno superfici talmente grandi per cui anche l’applicazione del rivestimento può diventare problematica perché stiamo parlando di centinaia di metri quadri di superficie da ricoprire. Inoltre l’argento è particolarmente performante nella banda del vicino infrarosso ed è quindi una buona alternativa all’alluminio, usato per esempio per gli specchi del Vlt».
Prosegue Pareschi: «In Italia, grazie alla partecipazione di Inaf alla realizzazione dei grandi telescopio Cherenkov come Magic e Cta e alla collaborazione con aziende italiane come Media Lario e Zaot sono state sviluppate tecnologie all’avanguardia basate su fogli in vetro sottile e sostegno a nido d’ape per realizzare specchi leggeri e a basso costo, con coperture riflettenti basate sull’alluminio con protezione in quarzo molto performanti. I 100 m2 di specchi realizzati sotto responsabilità Inaf per il telescopio Magic II, dopo ormai dieci anni di attività nel difficile ambiente vulcanico di La Palma, ha mostrato un calo di riflettività di pochi punti percentuali. Per quanto riguarda specificamente le coperture in argento, Media Lario sta sviluppando film riflettenti con uno strato protettivo basato su materiali silanici in collaborazione con il Politecnico di Milano e il consorzio Magic, che dovrebbero garantire una grande durata, un basso costo e un buona riflettività». L’intento è poter applicare queste soluzioni a produzioni di massa in campo astronomico e l’Italia – grazie anche e alle tecnologie sviluppate grazie all’impegno di Inaf – potrà avere un ruolo di grande rilievo anche a livello industriale.
Per saperne di più:
- Leggi sul sito web SPIE l’articolo Corrosion protection of silver-based telescope mirrors using evaporated anti-oxidation overlayers and aluminum oxide films by atomic layer deposition, di David M. Fryauf, Andrew C. Phillips, Nobuhiko P. Kobayashi
- Leggi su Arxiv l’articolo Status of the technologies for the production of the Cherenkov Telescope Array (CTA) mirrors di G. Pareschi et al. pubblicato su Proceedings of the SPIE, 2013