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Intervista della SKA Organization a Jader Monari

L’ Istituto Nazionale di Astrofisica [INAF] è stato fortemente coinvolto nel lavoro di progettazione del consorzio per il Low Frequency Aperture Array (LFAA), collaborando con vari istituzioni di diversi continenti per sviluppare e installare i prototipi di antenne sul sito australiano, più recentemente il sistema AAVS2.0, che utilizza l’ultima generazione di antenne log-periodiche note come SKALA4.1AL.
L’Ingegnere Jader Monari è a capo del gruppo INAF che si è recato diverse volte al Murchison Radio astronomy Observatory, futura sede di SKA, per installare AAVS2.0 nel 2019. Cassandra Cavallaro (Online community e content officer alla SKA Organization) lo ha incontrato per intervistarlo sul coinvolgimento dell’Italia e su quali lezioni cosa possiamo apprendere dal lavoro sui prototipi. Traduzione a cura di Daria Guidetti (INAF).

– Ci parli del contributo dell’INAF al consorzio LFAA – di cosa si è occupato?

L’INAF ha iniziato a lavorare sulle antenne a bassa frequenza molto tempo fa ed è stato coinvolto nei lavori preparatori molto prima che AADC (Aperture Array Design Consortium) fosse formalmente costituito come consorzio. Questo periodo, a partire dal 2005, è stato un importante banco di prova per lo sviluppo delle tecnologie oggi installate al LFAA. All’interno del consorzio, l‘Italia ha guidato lo sviluppo dei ricevitori analogici con tecnologia ottica e ha svolto un ruolo essenziale sia nello sviluppo di sistemi di acquisizione (TPM Tile Processing Module) che di un amplificatore a basso rumore single ended (Low Noise Amplifier, LNA). INAF ha sviluppato dei prototipi di antenne a bassa frequenza, tra cui l’attuale prototipo installato ad MRO ovvero un’antenna log-periodica chiamata SKALA4.1AL e prodotta in collaborazione con SIRIO Antenne. Il contributo dell’INAF è stato essenziale nella fornitura di parti per l’AAVS1 (Aperture Array Verification System), un prototipo di stazione realizzato con le cosiddette antenne della generazione SKALA2, e nella realizzazione dell’attuale prototipo ora funzionante sul sito australiano e chiamato AAVS2.0. L’INAF ha fornito fornito i sistemi di ricezione anche per EDA2 (Electronic Demonstrator Array 2), un array composto da dipoli di tipologia uguale a quelli del precursore SKA Murchison Widefield Array e utilizzato per sperimentare i metodi di calibrazione. Per collaudare la singola antenna o tutto l’array, considerando l’impossibilità di effettuare i necessari controlli in ambienti standard (come la camera anecoica), il gruppo italiano ha creato un nuovo metodo innovativo basato sull’utilizzo di un drone (Unmanned Air Vehicle, UAV) con a bordo una sorgente di onde radio artificiale e calibrata. L’UAV emette segnali radio noti, permettendoci di verificare il comportamento dell’antenna e se i nostri modelli siano corretti. Oggi questa tecnica è utilizzata da vari gruppi di ricerca nella sperimentazione delle telecomunicazioni radio, in generale.

– E l’INAF ha collaborato anche con altri istituti italiani, vero?

Assolutamente sì. Per l’installazione e il collaudo dei prototipi citati, INAF ha acquisito una grande esperienza sul campo, sviluppando anche nuove idee per la manutenzione e il debug degli array, investendo molte risorse. Grazie ad un’importante rete di collaboratori distribuiti su tutto il territorio nazionale, siamo riusciti a portare a termine questo enorme lavoro. Un ringraziamento particolare va quindi ai ricercatori dell’Università di Bologna e di Firenze, del CNR-IEIIT, del Politecnico di Torino.

– Qual è il tuo ruolo all’interno del consorzio e che cosa ha comportato giorno per giorno?

Con una stazione di prototipi funzionante, le attività sono molto variegate e tutte molto importanti. È fondamentale verificare che l’intero sistema funzioni. È un po’ come dirigere un’orchestra, invece di suonare i singoli strumenti, è il momento di ascoltare se sinfonia e l’insieme di tutti strumenti “suonino” bene. Settimana dopo settimana si effettuano osservazioni di prova (per esempio misurando il transito del sole o l’emissione radio della Galassia) e verificando che i dati misurati siano identici alle simulazioni. Parallelamente continua la progettazione delle varie parti del sistema, utilizzando le tecnologie più moderne (come convertitori analogico-digitali a bassa potenza o dispositivi elettronici come gli FPGA di ultima generazione) per evolvere verso un sistema sempre più performante e magari più economico. Inoltre, si stanno ottimizzando tutte le procedure per l’installazione e la manutenzione delle migliaia di antenne che verranno installate.

– Parliamo dell’antenna SKALA4.1AL – il più recente prototipo. Cosa c’è di così avanzato/diverso in questo progetto rispetto alle versioni precedenti?

SKALA4.1AL è un’antenna progettata come un sensore a banda larga (questo significa che può catturare segnali radio su un ampio intervallo di frequenze) per SKA-low, conosciuta come antenna log-periodica. La differenza rispetto ad un singolo dipolo è che SKALA4.1AL ha una larghezza di banda di ricezione più ampia, ma il processo di calibrazione potrebbe essere più complesso e richiedere digitalmente più risorse. Proprio quest’ultimo aspetto è attualmente in fase di studio, per capire le complessità che comporta la calibrazione dell’array con un’antenna log-periodica rispetto ad un sistema più semplice basato su dipoli come EDA2.

– Quali sono i vantaggi di utilizzare un’antenna di questo tipo per SKA-low, perché è meglio di un’antenna “parabolica” a questa gamma di frequenza?

L’array di antenne si basa su un concetto già utilizzato per vari precursori a bassa frequenza come LOFAR e MWA, chiamato sintesi elettronica. A differenza di una classica parabola comandata meccanicamente, questi array sono costituiti da molte antenne fisse (senza parti mobili n.d.r.) (il che li rende molto più economici da costruire e più resistenti!) che consentono di puntare verso una particolare zona del cielo, grazie ad una combinazione di tutti i segnali radio acquisiti, digitalizzati e opportunamente sfasati. Come ho detto prima, anche se il concetto è noto da tempo, è stato possibile implementarlo solo negli ultimi anni grazie all’evoluzione dei sistemi digitali e alla capacità di elaborare in tempo reale di un’enorme quantità di dati.

– Qual è stata la sfida più grande in termini di progettazione dell’LFAA?

Il numero di antenne, i sistemi di ricezione e di acquisizione da integrare in un unico sistema, che ha anche limitazioni di spazio per la sua installazione, sembrano essere la sfida più grande. Tenere sotto controllo il funzionamento dell’intero sistema, i bassi consumi e l’affidabilità in un’area remota e inaccessibile come il deserto australiano è una sfida altrettanto stimolante. Come ovviamente il mantenere i costi più bassi possibile senza andare a scapito delle prestazioni, la pianificazione dell’installazione e la manutenzione di radiotelescopio così grande.

– Quindi, con decine di antenne SKALA4.1AL ora installate nella stazione prototipo AAVS2.0 in Australia, cosa stiamo imparando da questo lavoro?

Sicuramente avere un sistema funzionante sul sito permette di ottenere una serie di informazioni molto importanti per il progetto. Prima di tutto è molto importante conoscere bene il panorama “RFI” (interferenze radio, n.d.r.): tutti i segnali radio di origine umana che possono essere ricevuti dalle antenne in banda e fuori banda. Questi dati sono essenziali per capire se i sistemi di ricezione hanno una risposta lineare sufficiente a soddisfare i requisiti necessari per realizzare i futuri esperimenti scientifici, e poi per valutare la presenza di distorsioni autoprodotte che possono inquinare il segnale ricevuto dal cielo. Altre informazioni riguardano la robustezza e la durata di vita dell’elettronica, specialmente per quelle parti esterne più esposte ai vari parametri ambientali.

– Come è stata l’esperienza all’interno di un così ampio consorzio, distribuito su tanti fusi orari?

Lavorare in un team internazionale è certamente molto impegnativo ma anche molto difficile quando si ha una finestra temporale molto ristretta di orari comuni. Dobbiamo considerare anche altre variabili come le abitudini e i diversi modi di lavorare. I tempi burocratici di ogni amministrazione rendono più complicate le produzioni di prototipi. Le diverse leggi sulle esportazioni/importazioni, che complicano le operazioni di spedizione e di dogana, sono variabili che a volte, purtroppo, ritardano i tempi del progetto. Detto questo, affrontare lo stesso problema da diverse angolazioni ci permette di capire molto meglio il problema, e la via verso la soluzione può seguire percorsi strani e lontani dai processi usuali. Il risultato può essere altrettanto sorprendente! Quello che vorrei dire è che la diversità culturale all’interno di un team internazionale è sicuramente un valore aggiunto e inestimabile quando si tratta di studiare sistemi complessi, la cui soluzione migliore può essere davvero lontana dalla propria “comfort zone”.

Intervista originale: https://cdr.skatelescope.org/#profiles?lfaa