Science and Technology in Italy for the upgraded alma observatory ialma



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Ritorni economici


iALMA e’ fortemente connesso al tessuto produttivo delle imprese italiane. L’acquisizione della strumentazione e dei prodotti software per i laboratori avverra’ facendo uso delle possibilita’ offerte dalle aziende italiane o multinazionali a partecipazione italiana, ove possibile. La produzione dele componenti per il prototipo di ricevitore in Banda 2 verra’ eseguita da aziende italiane. L’obiettivo primario di questa stretta collaborazione con le aziende italiane e’ di sviluppare in Italia la capacita’ di produrre la componentistica necessaria al ricevitore. Quando l’ALMA Band 2 entrera’ nella fase di produzione di serie dei 73 ricevitori, per equipaggiare tutte le 66 antenne piu’ i ricambi, il lavoro sui prototipi eseguito per iALMA mettera’ le aziende italiane in una posizione ottimale per poter accedere in modo competitivo alle commesse per la produzione di serie. Il costo complessivo di una produzione in serie di ricevitori ALMA oscilla tra 30ME e 40ME, a seconda della banda e della tecnologia utilizzata, e’ chiaro quindi che il ritorno di commesse in Italia pari a una frazione del 33% del totale renderebbe l’investimento di iALMA vantaggioso dal punto di vista puramente economico, senza contare i benefici nella ricerca scientifica e tecnologica.

Nel dettaglio, per quanto riguarda il WP4 si pensa di:



  • sviluppare i prototipi dei componenti passivi (FEED , OMT, MIRRORS) in collegamento con le aziende italiane.

  • Consolidare un rapporto di lavoro / collaborazione con i rappresentanti italiani delle ditte multinazionali potenziali fornitori del VNA (Vectorial Network Analyser). Questo punto è importante per instaurare una sinergia tra fornitori di strumentazione di laboratorio di precisione e gli enti di ricerca italiani in vista dell’ottimizzazione delle risorse.

  • Cercare di creare una competenza italiana per la progettazione di camere anecoiche e relativa fornitura di materiale assorbente alle microonde.

Riguardo al WP5 si prevedono subito nel arco del primo anno di attività i seguenti vantaggi:



  • verranno commissionati all’industria i lavori di aggiornamento della criofacility e del laboratorio di test del ricevitore in banda 2.

  • Verrà commissionata all’industria la lavorazione di alta precisione e tecnologia per la scatola che conterrà gli amplificatori.

  • L’aggiornamento del laboratorio e della criofacility permetterà di avere a disposizione una facility d’avanguardia che potrà in futuro essere messa a disposizione sia all’industria che al altri enti di ricerca. In questo contesto, unitamente all’esperienza in più acquisita del personale IASF-BO, si penserà ad un aggiornamento della criofacility il più possibile modulare ed adattabile a futuri progetti in modo da renderla utilizzabile il più possibile.

  • L’adattamento del calibratore presente nei laboratori dello IASF-BO verrà affidato ad un industria meccanica. L’esperienza acquisita negli anni dai ricercatori dell’IASF-BO verrà resa disponibile all’industria in modo da essere competitiva a livello europeo.

  • Lo sviluppo di un radiometro come quello proposto qui è sicuramente un passo importante sia per la ricerca sperimentale e tecnologica italiana sia per l’industria in quanto permette di prevedere una roadmap per allinearsi nel corso degli anni a venire con gli altri paesi prima Europei e poi Extraeuropei nel campo dello sviluppo delle tecnologie millimetriche.

E’ ovvio che la capacità dell’industria italiana di costruire sottosistemi ad alte prestazioni alle microonde e onde millimetriche quale quelli del ricevitore in banda 2 per ALMA può ulteriormente essere sfruttata per lo sviluppo di altri sistemi sia dedicati alla radioastronomia che ad applicazioni di altro genere quali ad esempio l’osservazione della terra dallo spazio, lo studio dell’atmosfera, e più in generale strumentazione radiometrica (ad esempio radar o imaging passivo). Infatti lo sviluppo di tecnologie nelle microonde ha importanti ricadute applicative, in generale per lo sviluppo dei Radar, ma anche per dispositivi specifici per la sicurezza negli aeroporti, e.g. TADAR (vedi ad esempio http://www.esa.int/ita/ESA_in_your_country/Italy/Lo_spazio_per_la_sicurezza_negli_aeroporti/(print).

Le stesse tecnologie vengono utilizzate per lo sviluppo di ponti radio a corto raggio e per la sensoristica a microonde di corto e medio-corto raggio.


9]Stato dell’arte e risultati attesi

Stato dell’arte


L’osservatorio ALMA e il contributo italiano

ALMA e’ attualmente la piu’ importante collaborazione internazionale per un osservatorio terrestre per lo studio dell’Universo. Fin dalla seconda meta’ degli anni ottanta, la costruzione di un grande osservatorio per le microonde e’ stata una priorita’ per l’Europa, il Nord America e il Giappone. Il raggiungimento degli obiettivi scientifici di ALMA e’ una priorita’ nei piani a lungo termine di tutti questi paesi, in particolare, per l’Europa, la Science Vision di Astronet e i piani a lungo termine di tutti i principali paesi (incluso il Piano a Lungo Termine dell’INAF). L'obiettivo principale di ALMA e' lo studio delle nostre origini cosmiche mediante l'osservazione della formazione ed evoluzione di stelle e galassie e, soprattutto, della chimica delle molecole organiche complesse in regioni di formazione planetaria. Alcuni degli obiettivi scientifici specifici includono: lo studio della formazione ed evoluzione delle galassie dalle origini dell’Universo ad oggi, lo studio della formazione di stelle e sistemi planetari nella nostra Galassia e nei dintorni del nostro Sistema Solare, lo studio della chimica delle molecole complesse e pre-biotiche nello spazio interstellare e nelle regioni di formazione dei sistemi planetari.


L’Europa partecipa per una quota complessiva del 37,5% alla costruzione e gestione di ALMA tramite l’organizzazione intergovernativa ESO, di cui l’Italia e’ Stato Membro dal 1982. Gli altri partner internazionali di ALMA sono il Nord America (37,5%, Stati Uniti e Canada), l’Asia dell’Est (25%, Giappone e Taiwan) e il Cile, stato che ospita l’osservatorio. L’osservatorio sta completando la prima fase di costruzione ad una quota di 5000m nella regione del deserto di Atacama nel nord del Cile. Questa prima fase prevede il completamento dei 66 telescopi che compongono ALMA ed una parte della strumentazione per l’analisi della radiazione. L’Italia ha dato un contributo di primo piano a questa fase di costruzione dell’osservatorio tramite la partecipazione a ESO: diversi centri di ricerca di INAF sono stati coinvolti nella progettazione di componenti di elettronica digitale di correlazione e dispositivi a microonde di ricezione del segnale (Arcetri), sviluppo del software di controllo (Trieste) e ovviamente alla definizione degli obiettivi e delle specifiche scientifiche tramite la partecipazione a vari gruppi di lavoro. All’attiva partecipazione scientifica e tecnologica al progetto e’ corrisposto anche un notevole ritorno di commesse industriali per le imprese italiane di alta tecnologia: gruppi di imprese italiane hanno ricevuto importanti commesse (in termini della frazione del valore complessivo del contributo europeo al progetto), ad esempio per lo sviluppo e costruzione del prototipo delle antenne, per la progettazione e produzione di antenne prodotte in Europa, la progettazione di una grossa frazione delle stazioni per le antenne a 5000m di quota.
Una tra le voci piu’ importanti del bilancio annuale del funzionamento di ALMA e’ il costo del combustibile fossile per la produzione di energia. ALMA ha attualmente un impianto di tre turbine multi-fuel per produrre fino ad un massimo di 14MW mediante combustione di LPG piu’ alcuni generatori secondari Diesel. Il fabbisogno medio continuo di ALMA nella fase di operazioni e’ stimato in quasi 5MW, con picchi significativamente piu’ alti nei cosiddetti modi di osservazione “fast switching” (durante i queli le antenne sono sottoposte a sontine accelerazioni per puntare sorgenti diverse in cielo ogni pochi secondi). Il sito di ALMA offre notevoli potenzialita’ per la produzione di energia pulita da fonti rinnovabili (solare, eolico e geotermico), l’osservatorio e’ intenzionato ad esplorare la possibilita’ di sostituire parte della produzione a forte impatto ambientale con una di queste fonti nel futuro. Un intervento di questo tipo ha la possibilita’ di abbattere significativamente i costi di produzione energetica a lungo termine e quindi permettere l’investimento di una maggiore parte del budget di funzionamento allo sviluppo delle capacita’ scientifiche. Per questo motivo l’ALMA Science Advisory Committee raccomanda ormai da diversi anni che vengano eseguiti degli studi di fattibilita’ per l’utilizzo di energie rinnovabili.
I primi risultati scientifici e la fase di sviluppo di ALMA

Seppure la prima fase di costruzione non sia ancora completata, ALMA ha gia' cominciato una prima serie di osservazioni scientifiche utilizzando una frazione di circa il 30% delle sue potenzialita’ nella seconda meta’ del 2011. La risposta della comunita’ internazionale e’ stata sorprendentemente elevata, a dimostrazione del livello di eccellenza scientifica dell’osservatorio: sono state presentate proposte per l’utilizzo di ALMA almeno un fattore 10 superiori al tempo disponibile. La dura selezione dei progetti prioritari e’ stata eseguita da un comitato di 50 esperti internazionali, e ricercatori italiani sono alla guida di vari progetti di altissimo profilo scientifico (circa il 10% dei progetti Europei). I primi risultati di ALMA includono la scoperta di molecole fondamentali per lo sviluppo della vita in un giovane sistema proto-planetario (ESO PR eso1234, http://www.eso.org/public/news/eso1234/), nuove indicazioni sul meccanismo di formazione dei sistemi planetari (ESO PR eso1216/eso1248/eso1301, http://www.eso.org/public/news/eso1216/ , http://www.eso.org/public/news/eso1248/, http://www.eso.org/public/news/eso1301/ , vedere anche PR INAF del 30/11/2012: http://www.media.inaf.it/2012/11/30/un-disco-inedito-per-alma/) e l’arricchimento del mezzo interstellare di molecole complesse e polvere durante le fasi finali dell’evoluzione stellare (ESO PR eso1239, http://www.eso.org/public/news/eso1239/). I ricercatori italiani hanno gia’ cominciato ad ottenere risultati di assoluta eccellenza in particolare nelle aree scientifiche di piu’ stretta pertinenza del progetto iALMA: lo studio delle molecole organiche complesse e l’evoluzione della polvere nelle regioni determinanti per la formazione dei sistemi planetari, alcuni risultati sono mostrati in figura. Altri programmi a guida italiana approvati nelle aree dello studio della chimica delle molecole complesse e deuterate e dell’evoluzione della componente solida dei dischi protoplanetari sono pianificati per l’osservazione in alta priorita’ nel corso del 2013.





Figure . Esempi di alcuni dei risultati scientifici di ALMA piu’ pertinenti alle tematicche scientifiche di iALMA e ottenuti nello scorso anno dai ricercatori italiani coinvolti nella proposta. In alto: metanolo (CH3OH), metyl cianide (CH3CN), cianoacetylene (HC3N), osservate in un disco attorno a una (proto-)stella massiccia; in basso a destra: methyl formate (CH3OCHO) e ketene (H2CCO) osservate in un sistema analogo al Sistema Solare in formazione; in basso a sinistra: evidenza di aggregazione di grani in agglomerati solidi di grandi dimensioni (primo passo per la formazione di pianeti rocciosi come la Terra) nei dischi protoplanetari attorno alle nane brune giovani.
Questi primi risultati hanno gia’ evidenziato l’enorme potenziale di ALMA per lo studio della formazione delle molecole complesse nelle nubi interstellari e nelle regioni di formazione planetaria, aprendo la strada allo studio della chimica delle molecole essenziali per lo sviluppo della vita sui pianeti. La grande sensibilita' di ALMA sta finalmente permettendo l'osservazione di molecole complesse poco abbondanti, ma essenziali per la chimica delle molecole biologiche. Le catene chimiche ed i processi di produzione di queste molecole sono ancora non chiari e devono essere studiati in laboratorio. L'analisi della produzione di molecole cosi' poco abbondanti in laboratorio richiede un salto di qualita' dalla spettroscopia Raman o infrarossa alla spettroscopia di massa per misurare direttamente le molecole prodotte, invece di rivelarle indirettamente dalla loro emissione elettromagnetica.
L’utilizzo scientifico di ALMA da parte degli astronomi e’ facilitato dal ruolo essenziale dell’ALMA Regional Centre (ARC) Europeo e dai suoi sette nodi distribuiti in altrettanti stati e coordinati da un nodo centrale situato ad ESO-Garching. Al fine di garantire il dovuto ritorno scientifico per la comunita’ italiana, INAF ha creato e sviluppato fin dal 2005 un ARC-node presso la struttura Istituto di Radioastronomia a Bologna. I nodi operano in stretta collaborazione tra loro e col nodo centrale a ESO. Ogni nodo contribuisce con la propria esperienza in modo da garantire che sia sfruttata al massimo la competenza europea nel campo dell'astronomia millimetrica e dell'interferometria. Il nodo italiano dell'ARC ha uffici all’interno dell’INAF-IRA per lo staff e gli utenti, e si e’ dotato di potenti mezzi di calcolo e per l’archiviazione di dati; attualmente l’ARC node da impiego a 2 membri dello staff e a 5 post-doc (incluso un ESO EC-FP7-Cofund fellow) esperti in astronomia millimetrica e/o interferometria, e un system manager. Uno dei principali obbiettivi dell'ARC e’ quello di supportare i potenziali utenti ALMA nella preparazione e nell'invio delle proposte osservative, nel seguire i progetti ALMA accettati (come Contact Scientist), dino alla fase di accertamento della qualita’ dei dati, per fornire assistenza con la riduzione dati con il Common Analysis Software Applications (CASA), con l'estrazione dei dati dall'archivio ALMA, e con la gestione di grandi pacchetti di dati. L'ARC italiano sviluppa anche nuove task CASA, investiga nuove tecniche di riduzione e gestione dati (anche provando l'utilizzo di tecnologie GRID), e istruisce la comunia’ italiana che opera nelle bande millimetrica e submillimetrica, e stimola la discussione e la collaborazione scientifica attraverso l'organizzazione di workshop e scuole.
Adesso che la prima fase di costruzione volge al termine, sono in fase di definizione le priorita’ scientifiche e gli sviluppi strumentali e le nuove capacita’ di ALMA nel medio-lungo periodo (5-10 anni). Tra le priorita’ scientifiche gia’ individuate ci sono: lo sviluppo completo delle capacita’ polarimetriche per ALMA, queste verranno sviluppate nell’immediato futuro con l’obiettivo di eseguire osservazioni scientifiche entro 1-2 anni; lo sviluppo delle capacita’ di usare ALMA come stazione della rete mondiale di mmVLBI, l’INAF e’ attualmente coinvolto, in collaborazione con altri istituti europei ed extra-europei, all’ ALMA Phasing Project, che si propone di arrivare entro il 2014 ad avere le prime osservazioni con la rete globale mmVLBI; in parallelo viene incoraggiato lo sviluppo di ricevitori di nuova concezione per le regione spettrali attualmente non coperte da ALMA, in particolare, per lo studio delle molecole organiche complesse, delle molecole deuterate e della polvere cosmica viene incoraggiato lo sviluppo di un ricevitore per la banda di frequenza 67-90GHz (Banda 2). INAF e’ coinvolto in uno studio preliminare portato avanti da un consorzio internazionale guidato da Manchester University nel Regno Unito e che include, oltre a INAF, i partners STFC, Oxford University e IRAM. Cosi’ come nella prima fase di costruzione di ALMA, la costruzione vera e propria di nuova strumentazione potra’ essere finanziata direttamente da ESO (per l’Europa) con commesse dirette a imprese o istituti di ricerca. Tuttavia, l’essenziale fase di R&D per preparare le tecnologie necessarie e la fase di test dei prototipi per la produzione di strumenti di nuova concezione, lo sviluppo delle competenze necessarie presso l’ARC node italiano, ed il lavoro preparatorio scientifico astrofisico e di laboratorio debbono essere principalmente finanziate a livello delle singole nazioni. Tutti questi sono aspetti fondamentali e strategici per l’INAF e la comunita’ scientifico-tecnologica italiana per poter partecipare da protagonisti alla costruzione degli sviluppi strumentali di ALMA e sfruttarne appieno le potenzialita’ scientifiche.



Science and technology in italy for the upgraded alma observatory - ialma
Obiettivi scientifici di questo progetto
Villa fabrizio – refereed journals publication list 2010-2012
Nesti renzo – refereed journals publication list 2010-2013



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