INAF e la Tecnologia SKA

Il coinvolgimento tecnologico dell’Istituto Nazionale di Astrofisica nel progetto SKA è articolato e ampio. L’INAF ha preso parte allo sviluppo tecnologico della più grande infrastruttura radio-astronomica del mondo fin dall’inizio del progetto, attraverso programmi europei specifici per ricerca e sviluppo tecnologico. Negli anni, l’INAF ha partecipato attivamente ai lavori di quattro SKA Design Consortia, recentemente conclusisi, il cui obbiettivo generale era quello di sviluppare il design di tutti gli elementi delle antenne SKA. In particolare l’INAF è stato coinvolto:

  • nel design delle antenne, dei ricevitori e della catena di acquisizione del segnale per le antenne a bassa frequenza del progetto SKA (in Australia Occidentale), in collaborazione con le Università di Bologna, Firenze e Ferrara e il Cnr-Ieiit
  • nello sviluppo di software di monitoraggio e controllo del telescopio e delle antenne a parabola (in Sudafrica)
  • nello sviluppo di algoritmi e processing di dati
  • in un programma per lo sviluppo di ricevitori di tipo Phased Array Feed (PAF).

L’INAF ha anche realizzato dimostratori di small aperture array: il Medicina Array Demonstrator (MAD) e il Sardinia Array Demonstrator (SAD), al fine di acquisire esperienza e tecnologie utili per lo sviluppo dell’array a bassa frequenza. Questa esperienza è stata poi messa a frutto con la costruzione di dimostratori presso il Murchinson Radio Observatory (MRO), il sito del progetto SKA nel deserto australiano. In Australia, gli esperti italiani guidati dall’INAF hanno effettuato test per controllare le prestazioni di due diversi design d’antenna: quello italiano (che è stato poi scelto per la costruzione, SKALA 4.1AL) e quello australiano.

Il contributo a precursori e pathfinder

L’Italia dà un grande contributo non solo a SKAO, ma anche al lavoro di alcuni precursori e pathfinder che stanno spianando la strada al progetto SKA: rispettivamente MeerKAT+ e LOFAR. 

MeerKAT+ consiste nell’estensione del radiotelescopio MeerKAT in Sudafrica, nel deserto del Karoo, costituito da 64 parabole da 13,5 metri di diametro. Con MeerKAT+, il numero di antenne verrà portato a 80 per essere gradualmente integrato in SKA1-Mid, che conterà una schiera di 197 parabole. L’estensione MeerKAT+, inizialmente avviata da SARAO e dal Max-Planck-Gesellschaft (MPG) e a cui l’INAF si è unita come partner nel 2020, aumenterà sia la sensibilità che la risoluzione spaziale dell’array di telescopi MeerKAT e fornirà così un potente strumento per studiare la formazione e l’evoluzione delle galassie nel corso della storia dell’universo. Anche i requisiti di calcolo del telescopio aumenteranno di dieci volte in seguito a questi miglioramenti.  I contributi tecnologici dei ricercatori INAF sono di due tipi: il software di “local monitoring e control” e lo sviluppo del correlatore per le 80 antenne. In aggiunta a ciò, l’INAF sosterrà MeerKAT+ con un ulteriore investimento finanziario di 6 milioni di euro. 

Risale al 2018, invece, l’adesione dell’Italia e dell’INAF all’International Lofar Telescope. Con oltre 25 mila antenne raggruppate in 51 stazioni distribuite in 7 stati europei, LOFAR (Low Frequency Array) è la più estesa rete per osservazioni radioastronomiche in bassa frequenza attualmente operativa. Con la firma del contratto per la realizzazione di una nuova stazione presso Medicina, in provincia di Bologna, LOFAR si avvia a diventare ancora più esteso e ad accrescere di conseguenza le sue capacità osservative. L’Italia ha pianificato di investire in LOFAR circa 2,5 milioni di euro, da aprile 2018 per 4 anni. L’INAF è alla guida di un consorzio nazionale, di cui fa parte anche il dipartimento di fisica dell’Università di Torino, e parteciperà allo sviluppo della nuova generazione di dispositivi elettronici allo stato dell’arte che equipaggeranno questo radiotelescopio diffuso sul territorio europeo. Il consorzio ha l’obiettivo di fornire agli scienziati italiani le condizioni per l’accesso e l’analisi dei dati di LOFAR, massimizzando l’impatto scientifico della ricerca. L’INAF gestisce, inoltre, l’infrastruttura computazionale nazionale per l’analisi dei dati LOFAR, distribuita in tre siti: Bologna, Trieste e Catania. Il radiotelescopio LOFAR è gestito da ASTRON.

La tecnologia italiana al servizio di SKAO

Le aziende italiane hanno contribuito a progettare le antenne SKAO e a costruire i telescopi precursori. Si sono anche impegnate in applicazioni spin-off di nuove tecnologie. Negli anni di progettazione e design, la Società Aerospaziale Mediterranea (Sam) ha lavorato con il Consorzio DISH alla produzione del feed indexer, un componente elettromeccanico che sosterrà i vari ricevitori e li sposterà per allinearli con l’ottica della parabola quando richiesto dagli scienziati, a seconda delle osservazioni. Nello stesso consorzio è stato coinvolto anche l’European Industrial Engineering (Eie) Group, leader internazionale nella realizzazione di telescopi: l’azienda è coinvolta nei pacchetti di lavoro Dish management and Dish structure design, Local Monitor and Control. Tantissime altre realtà industriali italiane hanno collaborato fornendo supporto alla produzione per i diversi gruppi di lavoro. L’INAF, in collaborazione con IEIIT e l’azienda italiana Sirio Antenne, infine, ha sviluppato SKALA 4.1AL, l’attuale prototipo delle antenne del Low Frequency Aperture Array (LFAA). 

Antenne e ricevitori SKALA4.1

SKALA 4.1AL è il nome dell’attuale prototipo delle antenne installate al LFAA; è stato sviluppato da INAF in collaborazione con IEIIT e l’azienda italiana Sirio Antenne, a partire dal design elettromagnetico SKALA4 del Consorzio internazionale Aperture Array Design & Construction. SKALA 4.1AL è un’antenna, somigliante ad un albero di Natale, log-periodica e a doppia polarizzazione che assicura un’ampia banda di ricezione. Il team italiano ha anche lavorato allo sviluppo di un amplificatore a basso rumore (LNA), con la collaborazione dell’azienda koreana Asb, installato nella parte superiore dell’antenna per ottenere l’amplificazione dei deboli segnali astronomici. I prototipi SKALA 4.1AL sono ora in fase di collaudo all’Aperture Array Verification System 2.0 (AAVS2), la stazione di 256 antenne (completata nel 2019 da ingegneri e tecnici dell’IRA) presso il Murchison Radio astronomy Observatory, con il supporto dei colleghi australiani. Dal 2004, l’IRA si occupa anche della progettazione di ricevitori per sistemi a bassa frequenza (<2 GHz) e ha introdotto la cosiddetta tecnologia RFoF (RadioFrequency over Fibre), che permette agli array di antenne di trasportare tutti i segnali in una struttura centrale e che è diventata un elemento chiave di AAVS2.

Il TPM: “Tile Processing Module”

L’INAF ha anche guidato una collaborazione internazionale finalizzata alla realizzazione di un sistema digitale/analogico per l’acquisizione e l’elaborazione dei segnali radio ricevuti (Tile Processing Module, TPM), nato dalla collaborazione con le aziende italiane Sanitas Eg, Optel, Protech, lavorando anche allo sviluppo di un sistema basato sull’utilizzo di un drone (Unmanned Air Vehicle, UAV) per il collaudo delle antenne. L’UAV è dotato di un’antenna di trasmissione a dipolo e di un sistema di posizionamento satellitare, che consentono di verificare con grande accuratezza, da centinaia di metri di distanza, il comportamento delle antenne prototipo realizzate per LFAA. Il team italiano si è recato diverse volte al Murchison Radio astronomy Observatory per condurre campagne di misura su tali antenne, in collaborazione con l’Università di Oxford/Malta e l’International Centre for Radio Astronomy Research in Australia.

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