Science and Technology in Italy for the upgraded alma observatory ialma



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Formazione


L’obiettivo di iALMA e’ di consolidare il contributo scientifico, tecnologico e industriale dell’Italia, quale Stato Membro dell’organizzazione intergovernativa European Organization for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), nell’ambito della piu’ importante infrastruttura mondiale per lo studio dell’Universo a lunghezze d’onda submillimetriche: l’Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA). Tra i campi di indagine astrofisica, quello radio e delle microonde e’ tra quelli con una maggiore necessita’ di coinvolgimento interdisciplinare tra astrofisica, sperimentazione in laboratorio, sviluppo congiunto con l’industria di tecnologie e sistemi informatici ad alta ricaduta applicativa anche strategica. Basti ricordare che, ad esempio, le tecnologie dei forni a microonde e per la trasmissione di dati tramite reti senza fili (WI-FI) sono strettamente connesse con le tecnologie ed i progetti sviluppati in radioastronomia. Con iALMA ci proponiamo di continuare e rafforzare la fruttuosa collaborazione tra ricerca astrofisica, chimica e tecnologica in Italia nel campo delle microonde e, in particolare, della strumentazione e utilizzo scientifico di ALMA. Ci proponiamo di sviluppare competenze interdisciplinari in un gruppo di giovani studenti e borsisti che potranno introdursi sia nel sistema della ricerca che nel tessuto produttivo dell’Italia. Nell’ambito del progetto sono previste sei borse di studio per l’alta formazione (Dottorato di Ricerca in Chimica, Fisica e/o Astrofisica) oltre a cinque borse di perfezionamento post-dottorato nei campi scientifici e tecnologici del progetto. Questa sinergia tra ricerca scientifica-tecnologica e alta formazione viene realizzata dalla stretta e pluriennale collaborazione tra l’INAF e le Universita’ di Bologna, Catania e Firenze.


Governance


Il piano di lavoro di iALMA e’ strutturato in 8 workpackages piu’ un workpackage di management. Il coordinatore (Dr. L. Testi) si avvale del supporto di due vice-coordinatori, uno con la responsabilita’ diretta per il contributo italiano allo sviluppo dei ricevitori di nuova concezione per ALMA nelle sedi di Bologna e Firenze (Dr. F. Villa) e uno con la responsabilita’ diretta per le attivita’ di Astrofisica di Laboratorio presso la sede di Catania (Dr.ssa M.E. Palumbo). Il coordinatore e i vice-coordinatori formano il team di management del progetto. Ciascuno segue i progressi dei workpackages assegnati e si incontrano almeno a cadenza mensile, preferibilmente per via telematica, per verificare lo stato di progresso del progetto e discutere eventuali interventi correttori qualora necessario. A cadenza bimestrale l’incontro e’ allargato a tutti i responsabili di workpackages, di norma sempre in via telematica. Sono previsti incontri di tutti i partecipanti a iALMA con cadenza annuale (a partire dal meeting iniziale di “kick-off”) in una delle sedi di Bologna, Catania e Firenze oppure presso la sede centrale dell’INAF. I progressi del progetto vengono registrati a cadenza annuale con report dettagliati sullo stato di avanzamento di ciascun workpackage e del progetto a livello globale. Questi report di responsabilita’ del WP0 verranno trasmessi a INAF ed alle competenti sedi di valutazione per documentare gli stati di avanzamento tecnico-scientifico e finanziario del progetto.
La componente femminile gioca un ruolo importantissimo in iALMA, non solo nella partecipazione al progetto, ma anche nella struttura gestionale, con una vice-coordinatrice e quattro degli otto responsabili di workpackage (50%).
iALMA si avvarra’ della consulenza di un “External Advisory Board” (EAB) composto da quattro personalita’ internazionali di elevata e riconosciuta qualificazione nei campi del progetto. Hanno accettato di far parte dell’EAB: Dr. C. Ceccarelli (IPAG, Grenoble, F), Prof. G. Fuller (University of Manchester, UK), Dr. R. Laing (ESO), e Dr. A. Navarrini (IRAM, Grenoble, F). L’EAB viene invitato agli incontri annuali del progetto (a partire dal kick-off meeting) dove assiste alle presentazioni del lavoro effettuato nell’ambito di ciascun workpackage e del piano per gli anni successivi, riceve con congruo anticipo copia del report annuale del progetto di cui al paragrafo precedente e produce un report sullo stato e sul piano di esecuzione del progetto per l’INAF e il management team del progetto.

Dr. Cecilia Ceccarelli e’ ricercatrice presso il l’Istitut de Planetologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG-CNRS, Francia), e’ specializzata nello studio della chimica del mezzo interstellare e della formazione stellare, principalmente mediante l’utilizzo di osservatori (sub-)millimetrici e infrarossi sia terrestri che spaziali.

Prof. Gary Fuller e’ Professor of Astrophysics presso l’Universita’ di Manchester (Manchester, UK), i suoi interessi principali sono legati alla chimica e la fisica delle regioni di formazione stellare di alta massa; attualmente guida il consorzio internazionale per gli studi preliminari dell’ALMA Band 2 sotto contratto con ESO.

Dr. Robert Laing e’ ALMA Instrument Scientist presso l’ESO (Garching, Germania), segue gli aspetti scientifici e tecnologici dello sviluppo e costruzione di nuova strumentazione per ALMA in Europa.



Dr. Alessandro Navarrini e’ responsabile presso l’Istitut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM, Francia) del laboratorio di sviluppo dei ricevitori, sotto la sua guida l’IRAM ha completato la produzione della serie completa di 73 ricevitori per la Banda 7 di ALMA, attualmente e’ responsabile per la partecipazione di IRAM al consorzio ALMA Band 2.

4]Parole chiave proposte


Astrofisica, Tecnologie delle Microonde, Astrofisica di Laboratorio, Energia pulita per le grandi infrastrutture scientifiche

5]Obiettivi


L’Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) e’ l’osservatorio piu’ importante a livello mondiale per lo studio della formazione ed evoluzione delle galassie, lo studio della formazione di stelle e sistemi planetari extrasolari e lo studio della chimica delle molecole organiche nello spazio interstellare. L’osservatorio e’ frutto di una collaborazione mondiale che coinvolge paesi in Asia (Giappone e Taiwan), Europa (stati membri ESO), Nord America (USA, Canada), Sud America (Cile). L’Italia e’ parte del progetto fin dagli inizi quale stato membro dell’organizzazione intergovernativa ESO. ALMA e’ nelle fasi finali della costruzione e ha cominciato a produrre eccezionali risultati scientifici nella cosiddetta fase di Early Science. L’INAF, e il sistema-Italia di Ricerca, Universita’ e Industria, e’ profondamente coinvolta nei vari aspetti del progetto con importanti contributi alla fase iniziale di progettazione, alla realizzazione industriale, e all’utilizzo scientifico. L’osservatorio e’ attualmente nella fase di transizione verso la Full Science e sono in corso di pianificazione e studio le priorita’ tecniche/scientifiche per lo sviluppo delle future capacita’ scientifiche di ALMA. E’ opportuno notare che il piano di sviluppo di ALMA prevede la possibilita’ di finanziare direttamente (tramite ESO in Europa) la costruzione di nuova strumentazione scientifica o nuove infrastrutture volte a migliorare l’efficienza (anche finanziaria) delle operazioni, ma non prevede significativi investimenti per la parte di sviluppo delle tecnologie necessarie per la produzione di prototipi, queste attivita’ sono demandate in Europa principalmente ad iniziative e finanziamenti interni agli stati membri di ESO. Tra le priorita’ scientifiche a lungo termine per l’evoluzione di ALMA suggerite dall’ALMA Science Advisory Committee, sono incluse in modo preminente lo sviluppo di ricevitori di nuova generazione per le bande di frequenza non coperte attualmente (quali ad esempio la cosiddetta Banda 2, 67-90GHz, con possibile estensione fino a 115GHz), lo sviluppo della capacita’ di usare ALMA come una stazione del network mondiale mmVLBI, e la produzione di energia mediante fonti rinnovabili.
iALMA e’ centrato sul potenziamento della sinergia in Italia tra: le competenze e gli strumenti per ottimizzare il ritorno scientifico per il sistema di ricerca italiano di ALMA; gli sviluppi di nuove tecnologie e strumentazione per l’osservatorio ALMA; gli esperimenti in laboratorio di chimica-fisica necessari per la comprensione dei processi di formazione nell’Universo delle molecole complesse osservate con ALMA. Al progetto partecipano: i gruppi italiani scientifici piu’ attivi nell’utilizzo di osservatori millimetrici, e in particolare ALMA; il nodo italiano dell’ALMA Regional Centre (ARC) europeo, specializzato nel supporto e nel training per utenti italiani di ALMA; i laboratori di sviluppo e caratterizzaizone di radiometri per le microonde dell’INAF gia’ coinvolti negli studi preliminari sui ricevitori di nuova generazione per ALMA; e il laboratorio italiano di astrofisica sperimentale specializzato nello studio della produzione di molecole organiche complesse. Un valore aggiunto di questo progetto e’ anche la partecipazione di docenti dei tre atenei di Bologna, Catania, e Firenze, che portano un contributo fondamentale per la formazione dei giovani nelle aree tecnico-scientifiche del progetto. L’obiettivo primario di questa iniziativa e’ quello di consolidare la partecipazione italiana, sia scientifica che tecnologica e industriale, alla piu’ grande infrastruttura mondiale per l’osservazione dell’Universo attualmente in funzione: ALMA. Strumentazione, tecnologie e competenze sviluppate nell’ambito di iALMA permetteranno un salto di qualita’ nella ricerca astrofisica con ALMA a livello nazionale e mondiale, permettendo al sistema-Italia di giocare un ruolo primario nella produzione dei componenti e nel loro utilizzo scientifico. Dato il livello di interesse mondiale per le tecnologie impiegate in ALMA e i risultati scientifici dell’osservatorio, nonche’ le importanti applicazioni in campi diversi dalla ricerca astrofisica delle tecnologie a microonde, una attiva partecipazione allo sviluppo e costruzione della nuova strumentazione sara’ un efficiente sistema di promozione del sistema-Italia, sia per la ricerca scientifico-tecnologica che per le imprese italiane.
In questo contesto e’ anche particolarmente interessante lo studio di un possibile sviluppo del sistema di produzione energetica di ALMA. Attualmente ALMA produce il suo fabbisogno energetico mediante il consumo di combustibili fossili (GPL e/o gasolio) in turbine ad alta efficienza. Questo metodo di produzione e’ ad alto impatto ambientale ed estremamente costoso per l’osservatorio nel lungo periodo. Nel medio periodo c’e’ la volonta’ da parte di ALMA di individuare altri metodi piu’ efficienti e puliti di produzione energetica. In questo progetto proponiamo di completare uno studio di fattibilita’ per coprire, almeno parzialmente, il fabbisogno energetico di ALMA con produzione di energia pulita (solare, eolico o geotermico) in collaborazione con imprese italiane specializzate nel settore. Qualora lo studio dimostri la fattibilita’ della parziale sostituzione delle fonti energetiche, si potrebbero aprire importanti opportunita’ di commesse, ma anche di immagine, per il sistema di produzione energetica alternativa italiano.
INAF e’ gia’ fortemente coinvolta in ALMA: prima nella fase di progettazione tecnica e scientifica dell’osservatorio, e nel supporto all’industria italiana che ha partecipato in modo massiccio alla costruzione; poi nell’utilizzo scientifico dello strumento e nella sua gestione a livello europeo, anche grazie all’istituzione di un centro italiano per il supporto utenti (ARC node presso l’INAF-Istituto di Radioastronomia) e al distaccamento di alcuni elementi del personale ad ESO per ricoprire posizioni chiave nel progetto (e.g. L. Testi – European ALMA Programme Scientist; P. Andreani – European ARC Manager); attualmente nella partecipazione agli studi preliminari per ricevitori a microonde di nuova generazione per la Banda 2. Quest’ultimo studio preliminare e’ effettuato da un consorzio ALMA Band 2 europeo che coinvolge ricercatori nel Regno Unito (STFC, University of Manchester, University of Oxford), Francia (IRAM) e Italia (INAF-IASF Bologna e INAF-Arcetri) sotto contratto con ESO per sviluppare i progetti preliminari della componentistica. Questa fase di progettazione sara’ completata alla fine del 2013 e iALMA si propone di passare alla fare successiva di prototyping.
iALMA ha i seguenti obiettivi principali:

  1. Sviluppo del supporto all’utilizzo scientifico da parte della comunita’ italiana. Questo avverra’ sviluppando le competenze e le capacita’ di supporto dell’ARC node presso INAF-IRA, in particolare nelle aree delle osservazioni polarimetriche e osservazioni in modo Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Un altro aspetto essenziale di questo obiettivo e’ lo sviluppo di un programma di “advanced training” multidisciplinare in collaborazione con le Universita’ di Bologna, Catania e Firenze.

  2. Sviluppo di un prototipo di ricevitore in Banda 2 per ALMA. In stretta collaborazione tra un Science Working Group (SWG) responsabile della definizione degli obiettivi e delle specifiche scientifiche e i gruppi dei laboratori di Arcetri e Bologna e nell’ambito di una collaborazione itnernazionale con STFC (UK) e IRAM (F) verranno sviluppati sia i prototipi delle componenti principali che un sistema integrato completo per un ricevitore che copra la banda 67-90GHz (goal 67-115GHz) per ALMA.

  3. Studio della chimica delle molecole organiche complesse nello spazio interstellare. Lo studio della chimica delle molecole organiche complesse verra’ portato avanti come sinergia tra le osservazioni presenti e future di ALMA e gli esperimenti di laboratorio per lo studio dei processi fisico-chimici di produzione delle molecole nei ghiacci. Per riuscire a misurare in laboratorio le molecole rare che sono adesso accessibili con ALMA, sara’ necessario sviluppare un apparato strumentale completamente innovativo. I dati prodotti dall’apparato sperimentale del laboratorio di Catania verranno confrontati con i risultati delle osservazioni del SWG e serviranno a pianificare futuri programmi osservativi.

  4. Studio di fattibilita’ per la produzione di energia pulita per ALMA. Verra’ commissionato ad una azienda italiana specializzata uno studio di fattibilita’ per la produzione di energia pulita per ALMA. Lo scopo e’ di verificare la possibilita’ per l’industria italiana del settore di giocare un ruolo primario nella realizzazione di un eventuale impianto presso l’osservatorio in Cile negli anni futuri.

Il progetto che proponiamo ha uno sviluppo quadriennale. iALMA richiede una fase iniziale in cui i laboratori coinvolti dovranno predisporre la strumentazione necessaria per i test di laboratorio e gli esperimenti, sempre in questa fase si procedera’ alla commessa delle parti che compongono l’hardware del prototipo di ricevitore in Banda 2. Nelle fasi iniziali del progetto si procedera’ anche al reclutamento del personale che lavorera’ al progetto e alla selezione degli studenti di Dottorato di Ricerca nelle tre sedi universitarie. Sempre nel primo anno sara’ completato lo studio di fattibilita’ per la produzione di energia pulita per ALMA. Nel corso del secondo e terzo anno del progetto si procedera’ allo sviluppo del prototipo di ricevitore in Banda 2 e ai suoi test di laboratorio ad Arcetri e Bologna. Nel laboratorio di Catania sara’ assemblato l’apparato sperimentale e si cominceranno a fare i primi test funzionali dell’intero sistema nonche’ i primi esperimenti sulla produzione di molecole complesse nei ghiacci. In questa fase sono pianificate l’organizzazione di una scuola nazionale di scienza e tecnologia a lunghezze d’onda millimetriche. Nel corso del quarto anno verranno analizzati in modo piu’ compiuto gli esperimenti di laboratorio e verranno confrontati con i risultati osservativi di ALMA, in questa fase e come risultato di questi confronti verranno anche pianificati i programmi osservativi con ALMA-Band 2. L’ultimo anno del progetto e’ dedicato alla definizione delle specifiche tecniche finali del ricevitore in Banda 2 per ALMA, sulla base dei risultati dei test di laboratorio sul prototipo, e sara’ preparata la documentazione finale per presentare, assieme ai partners internazionali, il progetto di costruzione della serie dei ricevitori per ALMA (che avverra’ dopo il completamento di questo progetto). Nel corso del terzo e quarto anno del progetto verra’ anche valutata la possibilita’ di effettuare un test del prototipo di ricevitore utilizzando uno dei radiotelescopi italiani con le migliori caratteristiche ottiche, essenziali per osservazioni nella banda 67-115GHz (il radiotelescopio di Noto in Sicilia oppure il Sardinia Radio Telescope, grande infrastruttura osservativa di primaria imporanza per INAF). Qualora venga verificata la compatibilita’ tra il ricevitore e i sistemi di Noto/SRT e sia verificata la possibilita’ di utilizzo dei telescopi per questo scopo, il SWG sara’ responsabile della definizione di un progetto per i test scientifici mentre i gruppi tecnologici di Arcetri e Bologna saranno responsabili per l’installazione al telescopio e il supporto durante le osservazioni. L’ARC node italiano, in collaborazione con i gruppi che si occupano del trattamento dei dati ottenuti da radiotelescopi italiani, sara’ responsabile del supporto analisi dati sviluppando procedure specifiche con il software di analisi dati di ALMA (CASA).


L’alta formazione e’ un aspetto essenziale di iALMA, al quale partecipano tre atenei tra i piu’ importanti in Italia. Nella moderna ricerca astrofisica la formazione multidisciplinare e’ un valore aggiunto che permette ai giovani non solo di accedere competitivamente nel mondo della ricerca a livello internazionale, ma offre anche le competenze necessarie ad un eventuale carriera nelle imprese che collaborano con gli enti di ricerca a livello mondiale. Nell’ambito di questo progetto ci proponiamo di offrire sei borse per dottorato di ricerca su tematiche tecnico-scientifiche di iALMA, una nel primo e una nel terzo anno di progetto in ciascun ateneo coinvolto. La stretta collaborazione con ESO e altri istituti internazionali permetteranno anche la possibilita’ di importanti periodi di formazione all’estero. I professori universitari coinvolti nel progetto si impegnano anche a proporre tesi di Laurea Magistrale sulle tematiche coperte dal progetto.
La disseminazione dei risultati del progetto e’ prevista su vari fronti: i risultati tecnico-scientifici delle osservazioni e dei risultati degli esperimenti di laboratorio verranno pubblicati su riviste internazionali con referee specializzate e presentati a conferenze internazionali, e’ inoltre pianificata l’organizzazione di una conferenza internazionale sulla chimica delle molecole complesse nel cosmo nel quarto anno del progetto; i risultati della costruzione del prototipo e i suoi test funzionali saranno utilizzati nelle sedi opportune di ESO ed ALMA per promuovere l’approvazione finale del progetto di costruzione della Banda 2 per tutti i telescopi di ALMA; lo studio di fattibilita’ per la produzione di energia pulita per ALMA sara’ anch’esso utilizzato nelle sedi competenti di ESO ed ALMA per promuovere come parte dell’ALMA Development Plan la sostituzione, anche parziale, della produzione energetica da combustibile fossile; e’ infine prevista la produzione di materiale didattico-informativo sul progetto destinato al pubblico, alle agenzie di finanziamento e alla comunita’ scientifica internazionale. Questa attivita’ verra’ svolta in stretta collaborazione con l’Ufficio Comunicazione INAF e il dipartimento di Education and Public Outreach (ePOD) di ESO.
Valore aggiunto per il sistema-Italia di iALMA

Lo scopo di iALMA e’ di ottimizzare la sinergia in Italia tra la ricerca scientifica, tecnologica e di laboratorio svolta dall’INAF nel campo dell’astrofisica millimetrica e di rafforzarne i legami con le attivita’ di alta formazione portata avanti dagli atenei di Bologna, Catania e Firenze. In ultima analisi, lo scopo e’ quello di mantenere e ottimizzare nel lungo periodo il ritorno scientifico e industriale per l’Italia dall’investimento in ESO e nel progetto ALMA. Nello specifico del progetto di sviluppo della Banda 2 per ALMA, lo scopo di questo progetto e’ di commissionare prototipi delle varie componenti ad imprese italiane del settore e verificarne le funzionalita’ nel sistema integrato in laboratorio. Questo permettera’ eventualmente lo sviluppo di componenti per la Banda 2 che potranno essere prodotti da imprese italiane come parte di una futura produzione a larga scala dei ricevitori in Banda 2 per tutte le antenne di ALMA. Lo studio di fattibilita’ per la produzione di energia pulita per l’osservatorio ALMA potra’ essere utilizzato per eventualmente procedere, nelle sedi competenti, al commissionamento di un impianto idoneo in Cile, possibilmente con il coinvolgimento dell’industria nazionale del settore.


Il progetto iALMA avra’ anche importanti ricadute per il sistema-Italia in aree non direttamente connesse con la ricerca astrofisica, ma anche per le scienze dello spazio e dello studio dell’atmosfera e per la produzione di apparecchiature di largo consumo. Lo sviluppo nelle aziende italiane di alta tecnologia per le microonde le rendera’ quindi piu’ competitive in un settore industriale strategico. Ad esempio, le tecnologie delle microonde vengono utilizzate nella componentistica per Radar, per apparecchiature per la sicurezza negli aeroporti e per la realizzazione di comunicazioni e ponti radio a corto e medio-corto raggio. Le tecniche e tecnologie utilizzate nei laboratori di astrofisica sperimentale hanno applicazioni anche nei campi dello studio e modifica dei materiali quali semiconduttori e la componentistica elettronica complessa, nonche’ nei campi della ricerca medica e dell’analisi dei cibi.



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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