Pierluigi Ortu, ingegnere elettronico responsabile del laboratoro di optoelettronica dell’Inaf – Osservatorio astronomico di Cagliari e del progetto Gaia, sistema alcune schede Gaia in un rack che andrà installato in un ricevitore del Sardinia Radio Telescope. Crediti P. Soletta/Inaf
I radio telescopi sono grandi parabole che ricevono e processano debolissime onde elettromagnetiche provenienti da varie sorgenti nell’universo, come stelle e galassie. In questi complessi sistemi tecnologici tutto ruota intorno alla figura del “ricevitore”, alla sua sensibilità e alle minacce al suo regolare funzionamento, che sono principalmente le interferenze radio (in inglese, radio frequency interferencies, o Rfi). Interferenze radio che provengono da altre antenne emittenti – come telefonia, radio, televisione – ma anche da impianti eolici, cavidotti, sottostazioni elettriche, elettrodomestici non funzionanti, allarmi, motori di cancelli elettrici e così via. Non solo: le interferenze elettromagnetiche sono prodotte, anche e soprattutto, dagli stessi sistemi di ricezione dei radiotelescopi, perché necessitano di energia elettrica per funzionare. Per questo vengono studiate continuamente nuove soluzioni e nuove idee.
Una tra le più avanzate e pionieristiche a livello internazionale è stata ora trovata da una collaborazione tra l’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), l’Agenzia spaziale italiana (Asi) e il Dipartimento di ingegneria elettrica ed elettronica (Diee) dell’Università di Cagliari. Come si può leggere in uno studio pubblicato a maggio di quest’anno sulla rivista americana Ieee Access, un team capitanato dall’ingegnere elettronico dell’Inaf di Cagliari Pierluigi Ortu ha infatti messo a punto una scheda elettronica che promette di cambiare radicalmente le regole del gioco in quanto a gestione dei ricevitori, limitazione delle interferenze radio, ottimizzazione del tempo e, non ultima, sicurezza lavorativa durante le osservazioni radioastronomiche di Srt, il Sardinia Radio Telescope (per ora).
Tra l’ideazione, lo sviluppo e la messa a punto di Gaia – questo è il nome della scheda, che non è un acronimo e non ha niente a che vedere con l’omonima missione spaziale dell’Esa – sono passati ben sette anni, nonché una quantità incalcolabile di ore lavorative di un gruppo di lavoro di nove persone delle tre istituzioni coinvolte. Oggi, nel 2023, Gaia è diventata realtà ed è già in implementazione su alcuni dei nuovi ricevitori in dotazione al Sardinia Radio Telescope, costruiti ex novo grazie al progetto Pon-Innovazione appena concluso. Ma come funziona in concreto questa scheda? Partiamo dai ricevitori criogenici per poi passare alla loro alimentazione.
I ricevitori criogenici
I ricevitori criogenici (letteralmente “produttori di freddo”) richiedono molta energia elettrica per essere mantenuti alle temperature di lavoro previste – costanti e bassissime, molto vicine allo zero assoluto, raggiunte attraverso sistemi progressivi che potremmo definire “matrioske del freddo” che utilizzano il gas elio. Il freddo serve a rallentare gli atomi delle superfici riceventi fin quasi a farli fermare, garantendo così la ricezione di un segnale esterno in un ambiente il più possibile immobile, e dunque silenzioso.
Oltre alla mera ricezione del segnale, i ricevitori hanno anche il compito di amplificarlo il più possibile con appositi apparati detti Low Noise Amplifiers (Lna), ovvero amplificatori a basso rumore. Attraversata questa prima interfaccia di accoglimento esterno – il front end – il segnale può essere digitalizzato e processato nel successivo ambiente – il back end – per poter poi essere reso disponibile come dato utilizzabile dai radioastronomi. In pratica il ricevitore è l’interfaccia tra il segnale reale proveniente dal cielo e quello amplificato e digitalizzato a valle del sistema.
L’alimentazione dei ricevitori e il concetto di bias
Analogamente al concetto meccanico di “coppia” – che in un motore endotermico rappresenta il massimo rendimento tra numero di giri motore e potenza erogata – anche nell’alimentazione dei ricevitori vi è un range ottimale di funzionamento, chiamato “bias”: ovvero, un punto di equilibrio tra vari tipi di corrente e di tensione (tensione di gate, tensione di drain e corrente di drain) in cui il flusso elettrico raggiunge la massima efficienza e produce il minimo di emissioni elettromagnetiche indesiderate. Per assicurarsi che il bias di un ricevitore fosse costantemente in stato ottimale, i tecnologi e gli ingegneri dell’Inaf e dell’Asi avevano sviluppato, già da tempo, un sistema di monitoraggio in grado di inviare in remoto – ovvero tramite una rete Lan via cavo, dal ricevitore a un computer situato nella zona della control room, all’esterno del telescopio – informazioni puntuali sullo stato del ricevitore e su quantità e qualità del flusso elettrico in entrata. Non vi era, però, alcuna capacità di controllo e di intervento.
La scheda Gaia promette di rivoluzionare la gestione dei ricevitori del Sardinia Radio Telescope e, in prospettiva, anche di altri radiotelescopi, sia italiani che esteri, grazie alla possibilità di controllare in remoto i flussi di corrente ottimali per il loro funzionamento. Crediti: P. Soletta/Inaf
Una volta riscontrato un eventuale dato anomalo o un malfunzionamento, infatti, è sempre stato necessario intervenire fisicamente sul ricevitore montato sul telescopio per regolare questo flusso elettrico armati, letteralmente, di cacciavite per “dare un mezzo giro” e ristabilire il corretto flusso di corrente. Non è difficile immaginare le implicazioni pratiche: fermata e messa in sicurezza del telescopio in posizione di parcheggio, organizzazione di una missione dei tecnici al suo interno (con relative comunicazioni, calendarizzazioni e burocrazia), rischi connessi al lavoro in altezza. Interventi che richiedevano dunque molto “tempo antenna” e andavano inevitabilmente a intaccare le tempistiche delle osservazioni già programmate, facendole accavallare, ritardare o annullare.
Tutto questo a breve potrebbe essere solo un ricordo, se non per tutti, almeno per una buona parte dei ricevitori attualmente attivi su Srt, perché il sistema Gaia prevede – oltre al monitoraggio in remoto dei parametri dei ricevitori, già disponibile – soprattutto la possibilità di intervenire sui flussi elettrici direttamente da remoto, ottimizzandoli al massimo ed evitando così di mobilitare fisicamente tecnici e ingegneri a caccia del guasto. Dei circa dieci ricevitori attualmente costruiti per Srt, più della metà è già pronta a montare e utilizzare questo nuovo sistema, che rappresenta una novità da un certo punto di vista rivoluzionaria e pionieristica a livello mondiale.
Pierluigi Ortu (Inaf) non nasconde l’entusiasmo per questo risultato. «Sono stati anni di lavoro serrato, gomito a gomito con i colleghi di Asi e Diee per limare fino all’estremo ogni dettaglio di questa scheda che, a oggi, rappresenta il non plus ultra in fatto di tecnologia ed efficienza nella scienza radioastronomica, un vero e proprio benchmark che sta già facendo parlare di sé grazie alla pubblicazione nella rivista americana di riferimento. Per poter ottenere un ambiente di lavoro così proficuo è stato fondamentale il progetto Sarda Sensors, condotto da Tonino Pisanu e finanziato dalla Regione Sardegna per aprire il nostro sviluppo tecnologico verso la società e le imprese locali. Da questo contesto è partita la genesi di Gaia. Terrei inoltre a sottolineare il fatto che la maggior parte delle persone coinvolte nel progetto è partita in una condizione di precariato. Ancorché precarie, molte risorse umane sono fondamentali per portare avanti progetti importanti, e andrebbero valorizzate e tutelate dagli istituti di provenienza con le dovute attenzioni».
Per saperne di più:
- Leggi su Ieee Access l’articolo “A New Monitor and Control Power Supply PCB for Biasing LNAs of Large Radio Telescopes Receivers”, di Pierluigi Ortu, Andrea Saba, Giuseppe Valente, Giacomo Muntoni, Alessandro Navarrini, Tonino Pisanu, Riccardo Ghiani, Enrico Urru e Giorgio Montisci