Stampa questa pagina

L’antenna SKALA4.1AL: chi è costei?

Alla fine del 2018, l’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) e l’International Centre for Radio Astronomy Research (Icrar) si sono posti l’ambizioso obiettivo di completare e mettere in funzione all’Osservatorio Radioastronomico di Murchison (MRO) nel deserto australiano occidentale, una stazione di 256 antenne prototipi di ultima generazione (SKALA4.1AL) per la componente a bassa frequenza, da 50 e 350 MHz, dello Square Kilometre Array – il progetto internazionale volto a costruire il più grande radiotelescopio del mondo.

L’obiettivo è stato raggiunto entro la fine del 2019 con l’installazione al sito MRO della stazione dal nome Aperture Array Verification System 2.0, dove il team italiano si è recato diverse volte, lavorando in collaborazione con l’Università di Oxford/Malta e Icrar. Tale progetto ha permesso tra l’altro di capitalizzare l’immenso lavoro del teamitaliano avviato a metà 2017 nella progettazione dell’antenna Skala 4.1Al. Un’attività che comunque è stata fonte di molteplici soddisfazioni, in primis l’adozione della Skala 4.1 Al, gioiello tecnologico made in Italy, come prototipo di riferimento per le antenne SKA a bassa frequenza nella Ska System Critical Design Review (CDR). Questa pietra miliare, superata con successo a dicembre 2019, ha congelato la fase di progettazione e proiettato il progetto nella fase d’implementazione. Inoltre, di recente l’antenna SKALA 4.1AL ha accresciuto la sua autorevolezza, anche scientifica, diventando oggetto di una pubblicazione sulla rivista di prestigio peer-review IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. La lista dei co-autori mostra come questo sia frutto di un lavoro corale italiano svolto da tanti ricercatori Inaf e collaboratori italiani di altri enti di ricerca e industrie.

Le antenne Skala4.1al all’Osservatorio Radioastronomico di Murchison, nel deserto australiano. Crediti: Icrar

 

Ma come siamo arrivati all’attuale modello Skala 4.1 Al?

L’antenna Skala 4.1 Al è l’ultimo prototipo, ideato e realizzato da Inaf in collaborazione con il CNR-IEIIT e l’azienda italiana Sirio Antenne, a partire da precedenti generazioni di antenne Skala progettate dal Consorzio “Aperture Array Design and Construction” con l’Università di Cambridge a guida del relativo work package.

Skala 4.1 Al, larga 1.6 metri per 2 metri di altezza, ha una simpatica forma ad albero di Natale, data dall’incrocio a 90° di due componenti log-periodiche identiche, in modo da ricevere due polarizzazioni, ed è caratterizza dall’ampia banda di ricezione, da 50 a 350 MHz. Tecnicamente si parla di banda 7:1 che significa che la frequenza massima ricevuta è 7 volte quella minima. Nessuno degli attuali radiotelescopi a bassa frequenza è in grado di raggiungere queste larghezze di banda (per fare un esempio, Lofar raggiunge un rapporto di circa 3.5:1).

L’antenna Skala 4.1 Al. Crediti: Inaf

Apparentemente semplice, dietro questa antenna ci sono numerosi accorgimenti sia meccanici che elettrici frutto di esperienze pluri-decennali maturate nel settore della progettazione di antenne a bassa frequenza. “Nonostante la somiglianza alle comuni antenne installate nei tetti delle nostre case, solo un radio amatore esperto potrebbe pensare di costruirsela per conto proprio …. Anche se probabilmente non sarà particolarmente agevole farne 131.072 per poi competere con SKA” dice Pietro Bolli, tecnologo all’Inaf, che si occupa della progettazione di antenne ed analisi elettromagnetica per la componente Ska a bassa frequenza e primo autore dell’articolo sopra citato.

Fin dall’inizio, la progettazione dell’antenna Skala è stata infatti impegnativa, dovendo soddisfare i molteplici requisiti tecnici imposti dalle esigenti prestazioni osservative di Ska a bassa frequenza: osservazione a banda larga, comportamento stabile e affidabile nell’ampia gamma di frequenze osservate e nelle dure condizioni ambientali del deserto australiano in cui l’antenna avrebbe dovuto operare, limitazioni alle dimensioni massime dell’antenna nonché fattori più pragmatici quali il costo di produzione (determinato dal grande numero di antenne da realizzare) e la facilità di trasporto verso il sito remoto australiano. La scelta è caduta su una tipologia di antenna log-periodica (dove la lunghezza dei vari elementi – dipoli – cambia secondo il logaritmo della frequenza) che assicura all’antenna ottime prestazioni in un’ampia banda di ricezione del segnale.

La progettazione dell’antenna Skala è stata proseguita negli anni per migliorare via via sia le prestazioni elettromagnetiche che gli aspetti meccanici. In particolare la versione 4.1 implementa vari accorgimenti tutti italiani che la differenziano da quella inglese. Per esempio, la scelta dell’alluminio come materiale costituente al posto del ferro, che pur garantendo la stessa solidità, è più economico e leggero, facilitando quindi le fasi di trasporto e di installazione e permettendo di limitare i costi di spedizione. Tra le caratteristiche più rilevanti della versione italiana rientrano anche lo sviluppo di un amplificatore a basso rumore (LNA) operante a 50 ohm ed integrato nella parte superiore dell’antenna per l’amplificazione dei deboli segnali astronomici e la messa a terra dell’antenna per scaricare eventuali cariche elettrostatiche. Un’altra grossa fetta del lavoro è stata rappresentata dalle fasi di collaudo e di verifica dell’affidabilità e stabilità del comportamento elettromagnetico dell’antenna nell’ampia gamma di frequenze osservate con misure effettuate sia presso l’Università di Ferrara (LUCE -Laboratorio Universitario di Compatibilità Elettromagnetica)) sia al sito Australiano. L’accordo tra misure e simulazioni riportato nella Figura 11 dell’articolo sopra menzionato rappresenta lo stato dell’arte in termini di accuratezza raggiungibile per questo tipo di misure. Allo stesso tempo si è anche verificato quanto il comportamento della singola antenna sia influenzato dalle altre antenne operative vicine. Quest’ultimo punto è molto importante in quanto le antenne Skala osserveranno raggruppate in una stazione di 256 antenne distribuite in uno spazio molto limitato, entro un’area circolare con una massima distanza tra esse di 38 m, e che a radiotelescopio Ska ultimato, le stazioni saranno 512 per un totale di 131.072 antenne!

Il drone Unmanned Air Vehicle usato al sito australiano durante la campagna di misure in giugno 2019. Crediti INAF & CNR

Misurare sperimentalmente ognuna delle 256 antenne nell’ampia banda di frequenze 50-350 MHz è un’impresa impossibile. Figuriamoci quando le antenne saranno oltre 130.000. Allora gli ingegneri e tecnici di ICRAR, INAF, CNR e Università di Malta hanno condotto una serie di prove sperimentali al sito, per alcune antenne e frequenze scelte, avvalendosi dell’utilizzo di un drone (Unmanned Air Vehicle, UAV), dotato sia di una sorgente a radio frequenza che di un sistema di posizionamento satellitare, che ha permesso di verificare con grande accuratezza e da centinaia di metri di distanza il comportamento delle antenne prototipo. Tali misure sperimentali hanno permesso di validare, i modelli numerici di pattern di antenne generati da software avanzati di simulazioni EM, tra cui il tool GALILEO sviluppato da un’azienda leader nell’ambito dell’elettromagnetismo quale l’Italian Ingegneria dei Sistemi (IDS). Le analisi hanno mostrato un ottimo accordo con le misure condotte nell’ambiente operativo delle antenne come mostrato in Figura 12 dell’articolo. Saranno poi questi modelli a permettere agli astronomi di calibrare lo strumento per raggiungere le prestazioni richieste. Al momento le simulazioni hanno richiesto più di un anno per convergere su un modello di antenne accurato e decine di migliaia di ore di tempo macchina per essere completate; il lavoro di analisi numerica è però tutt’altro che terminato!

E intanto il pensiero vola proprio alle 131.072 antenne che, a partire dal 2025, lavoreranno in tandem con la schiera di 197 parabole da installare in Sudafrica, che osserveranno a frequenze radio più alte (0,35 – 15,35 GHz), come recentemente e definitivamente stabilito dalla System Critical Design Review e il Cost Audit di Ska1 per un costo complessivo di 1,87 miliardi di euro nella prima fase di dieci anni del progetto. Con centinaia di migliaia di antenne sparse su due continenti, Ska fornirà sensibilità e velocità di osservazione nelle onde radio senza precedenti, per fare breccia di scoperte in diversi settori dell’astronomia.