L’azienda partecipa alla ricerca e allo sviluppo del progetto FAST, il più grande radiotelescopio a parabola singola al mondo
Su incarico di un istituto di ricerca di Pechino, FCTEL ha partecipato al progetto FAST, il più grande radiotelescopio a singola parabola del mondo, sviluppando dispositivi di conversione per la trasmissione ottica ad alta velocità dei segnali elettrici di vari sensori, come encoder assoluti multigiro ed encoder rotativi, verso camere schermate elettromagneticamente. Ha così risolto l'annoso problema della distorsione del segnale dopo il filtraggio, prima che i segnali elettrici dei sensori entrino nella camera schermata elettromagneticamente, e affrontato il problema dei disallineamenti dei ritardi di clock sul lato dei segnali elettrici ad alta velocità dopo la conversione ottico-elettrica nelle soluzioni convenzionali di trasmissione optoelettronica.
FCTEL è lieta di poter offrire un modesto contributo ai progetti tecnologici cinesi all'avanguardia a livello mondiale, grazie all'esperienza accumulata in anni di ricerca e sviluppo nel campo della trasmissione ottica.
Alla scoperta di «FAST», il più grande radiotelescopio a singola parabola del mondo (illustrazione di Mysterious Earth)
(Servizio di Mysterious Earth) Secondo il Southern Metropolis Daily: «Vi avverto: non rispondete! Non rispondete! Non rispondete! Nella vostra direzione ci sono decine di milioni di stelle. Se rispondete, la sorgente della trasmissione verrà localizzata, il vostro sistema planetario sarà invaso e il vostro mondo sarà occupato! Non rispondete! Non rispondete! Non rispondete!». Si tratta di un segnale radio proveniente da una civiltà extraterrestre, ricevuto involontariamente dalla «Base Costa Rossa», dove presta servizio la protagonista del romanzo di fantascienza Il problema dei tre corpi.
In realtà, la versione reale della «Base Costa Rossa», destinata a ricevere onde radio cosmiche, è in costruzione nella conca di «Da Wodang», nel villaggio di Jinke, nella cittadina di Kedu, contea di Pingtang, provincia di Guizhou. Il progetto di costruzione del più grande radiotelescopio a singola parabola del mondo, l'«Occhio del Cielo» (FAST), è ormai entrato nella fase finale. Una volta completato, questo radiotelescopio sferico di 500 metri di diametro avrà un'area di ricezione equivalente a 30 campi da calcio.
Il 26 dicembre 2015, Jiang Peng, assistente dell'ingegnere capo e vice ingegnere capo del sistema riflettente di FAST, ha illustrato, durante la conferenza di divulgazione scientifica 2015 al Planetario di Pechino, la costruzione dell'«Occhio del Cielo» e il superamento delle relative sfide tecniche durante i lavori. Secondo quanto riportato, rispetto al telescopio statunitense di Arecibo, classificato tra i 10 principali progetti dell'umanità del secolo 20, le prestazioni complessive dell'«Occhio del Cielo» sono circa 10 volte superiori e il completamento dell'intero progetto è previsto entro settembre 2016.
Dopo aver individuato oltre 300 depressioni, la scelta è infine ricaduta su «Da Wo Dang», nel Guizhou
Molti potrebbero chiedersi: perché l'«Occhio del Cielo» è stato collocato nella provincia di Guizhou, geologicamente complessa? Secondo Jiang Peng, gli scienziati hanno impiegato oltre dieci anni per trovare un'«orbita» adatta all'«Occhio del Cielo». Alla conferenza dell'Unione Radio Scientifica Internazionale del 1993, astronomi di dieci paesi, tra cui la Cina, hanno proposto un'iniziativa per costruire una nuova generazione di «radiotelescopi giganti», con l'obiettivo di risalire all'universo primordiale e rispondere a molti difficili interrogativi dell'astronomia.
Alla fine del 1995, il Comitato cinese per la promozione del «Grande radiotelescopio» ha proposto il concetto del «Progetto carsico», che avrebbe sfruttato una depressione carsica nel Guizhou per costruire un riflettore sferico. Dopo ripetute selezioni, è stata infine individuata «Da Wo Dang», nella cittadina di Kedu, contea di Pingtang: una profonda «orbita», la più adatta al gigantesco «Occhio del Cielo». Nel 2007 il progetto è stato ufficialmente approvato e il sito confermato. Nel marzo 2011 sono iniziati i lavori del progetto FAST nel Guizhou.
La scelta del sito ha richiesto così tanto tempo perché il gruppo di progetto valutava costantemente come ridurre al minimo il volume degli scavi. Attraverso ricerche satellitari, gli ingegneri hanno individuato oltre 300 depressioni in tutto il paese. Dopo numerose fasi di selezione, hanno constatato che la depressione di «Da Wodang», nel Guizhou sudorientale, era ampia e circolare e corrispondeva più da vicino alla forma di FAST. Inoltre, l'ambiente tranquillo e scarsamente popolato intorno alla depressione favorisce la riduzione delle interferenze elettromagnetiche su FAST. Considerati tutti questi fattori, nel 2007 la scelta dell'«orbita» è infine ricaduta su «Da Wodang».
Realizzare una «grande pentola» di 500 metri di diametro su un terreno complesso
Analogamente al principio di funzionamento di una comune antenna parabolica satellitare, FA ST è composto da due parti principali: la superficie parabolica che riflette i segnali e l'alimentatore che li riceve. La superficie parabolica, comunemente chiamata «parabola», concentra i segnali riflessi in un unico punto. Per la sua forma, questa superficie parabolica assomiglia a un enorme «piatto». L'unica differenza è che ciò che contiene sono segnali inviati da «visitatori dello spazio».
In questo caso, il cantiere si trova in una zona montuosa accidentata. Come realizzare una «grande pentola» di 500 metri di diametro su un terreno così complesso ha davvero messo in difficoltà gli esperti. Diversi gruppi hanno offerto suggerimenti e strategie; qualcuno aveva proposto una tecnologia a elementi separati, con una fitta serie di supporti rigidi sottostanti. Alla fine, tuttavia, è stata adottata la soluzione della «rete di cavi».
Secondo lo schema della «rete di cavi in tensione», quando FAST è in funzione può seguire la rotazione dei corpi celesti, inseguire le radiosorgenti ed eseguirne la scansione. Gli scienziati controllano innanzitutto sei cavi d'acciaio per spostare la cabina dell'alimentatore lungo la superficie della calotta sferica, che ha un diametro di 207 metri e si trova a 140-180 metri dal suolo. Quindi, mediante 2,225 attuatori che esercitano trazione sulla rete di cavi, vengono regolati i 4,450 pannelli riflettenti sulla rete per mettere a fuoco FAST. In questo modo, FAST può ruotare liberamente, come un occhio umano. Quando i pannelli riflettenti ricevono segnali di onde elettromagnetiche radio, fanno convergere i segnali cosmici sulla cabina dell'alimentatore.
L'assemblaggio dei pannelli riflettenti si affida interamente alla squadra di costruzione che lavora in quota.
Il 4 febbraio dello scorso anno sono state completate la fabbricazione e l'installazione della rete di cavi di FAST. Ora, chi ha l'opportunità di visitare il cantiere può vedere un'enorme «rete da pesca» intrecciata con oltre 6,000 cavi d'acciaio. Ma Jiang Peng ha affermato che, sebbene la grande rete sia spettacolare, intrecciarla non è stato affatto facile.
Secondo quanto riferito, l'intera rete di cavi conta complessivamente 2,225 nodi e la sua campata di installazione è estremamente ampia. La squadra di ingegneria ricorre a lavori in quota per sollevare ciascuna rete di cavi e ciascun pannello riflettente, completando l'assemblaggio dopo misurazioni precise della posizione, con uno scostamento nel controllo della forma superficiale che deve rimanere entro un valore RMS di 5 mm. Per garantire la precisione, gli esperti hanno appositamente realizzato una camera a temperatura costante per produrre i cavi di tensione.
Un problema ancora maggiore deriva dalla deformazione delle colonne d'acciaio causata dalle variazioni di temperatura: una differenza di temperatura di 50 °C comporta una variazione di 300 millimetri. Jiang Peng ha spiegato che, per adattarsi al terreno ondulato, le colonne d'acciaio che sostengono la struttura della superficie riflettente hanno altezze diverse. Per evitare deformazioni non uniformi, vengono aggiunti appoggi scorrevoli nei punti di collegamento tra le travi anulari e le colonne d'acciaio. Ciò consente alle travi anulari di sostegno di dilatarsi e contrarsi liberamente sulle colonne, deformandosi in modo più uniforme.
È come prevedere un margine di compensazione per la deformazione, con uno spostamento massimo che può raggiungere 0.47 metri. In questo modo, l'«Occhio del Cielo», collegato al «nervo ottico», può regolare flessibilmente la messa a fuoco. Va sottolineato che, a causa delle deformazioni dovute al peso proprio e al carico del vento, l'apertura massima dei telescopi tradizionali completamente orientabili è generalmente di soli 100 metri. L'«Occhio del Cielo», con un'apertura di 500 metri e una struttura a rete di cavi, supera agevolmente il limite di 100 metri, non solo inaugurando un nuovo modello per la costruzione di radiotelescopi giganti, ma offrendo anche, una volta operativo, una sensibilità pari a 3.25 volte quella dell'Osservatorio di Arecibo negli Stati Uniti, il più grande al mondo.
Dopo il completamento, l'«Occhio del Cielo» cercherà forme di vita intelligente extraterrestre.
Dalla sua ideazione a oggi, il progetto dell'«Occhio del Cielo», ormai quasi completato, si è sviluppato nell'arco di oltre 20 anni. Una volta entrato in servizio, in quali campi mostrerà le proprie capacità? Li Di, responsabile scientifico del Dipartimento di radioastronomia degli Osservatori Astronomici Nazionali dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha dichiarato in un'intervista ai media che il principale campo d'azione dell'«Occhio del Cielo» rimane l'astronomia: rilevare segnali e materia lontani nell'universo, esplorare temi che vanno dall'origine dell'universo alla struttura della materia interstellare, cercare pulsar deboli e altre radiosorgenti di debole intensità e condurre con efficienza la ricerca di vita intelligente extraterrestre.
Zheng Xiaonian, vicedirettore esecutivo del progetto FAST e vicedirettore degli Osservatori Astronomici Nazionali, ha dichiarato in un'intervista ai media che l'«Occhio del Cielo», una volta completato, sarà in grado di effettuare ricognizioni dell'idrogeno neutro nell'universo, rilevare molecole interstellari, osservare pulsar e cercare segnali di comunicazione interstellare. Con l'aiuto di questo grande occhio acuto, l'umanità ha compiuto un ulteriore passo avanti nella ricerca di civiltà extraterrestri.
All'inizio di dicembre dello scorso anno, Pierrick Martin, astrofisico del Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica (CNRS) di Tolosa, in Francia, e dell'Istituto di Astrofisica e Planetologia, utilizzando il telescopio spaziale per raggi gamma Fermi della NASA, ha scoperto la prima pulsar a raggi gamma in un'altra galassia, a 163,000 anni luce dalla Terra, stabilendo un nuovo record per la pulsar a raggi gamma più luminosa conosciuta.
Il rilevamento di pulsar extragalattiche è di per sé uno degli obiettivi fondativi di FAST. Secondo i calcoli degli Osservatori Astronomici Nazionali dell'Accademia Cinese delle Scienze, la rete di cavi dell'«Occhio del Cielo» subisce deformazioni per circa oltre un milione di volte, con una vita utile di 30 anni. Li Di è molto fiducioso nelle future prestazioni di FAST e afferma: «Una volta completato, FAST manterrà un livello di eccellenza mondiale per i prossimi 20 anni».
Sei torri di sostegno alte 100 metri
Controllando sei cavi d'acciaio, la cabina dell'alimentatore viene spostata sulla calotta sferica di 207 metri di diametro, a un'altezza di 140–180 metri dal suolo.
La cabina dell'alimentatore pesa circa 30 tonnellate, inclusi il telaio a stella, la piattaforma Stewart, la copertura della cabina e le altre apparecchiature
Esercitando trazione sulla rete di cavi con 2,225 attuatori, si azionano i 4,450 pannelli riflettenti sulla rete per mettere a fuoco l'«Occhio del Cielo»
Come l'«Occhio del Cielo» si protegge da vento, pioggia e fulmini
«L'“Occhio del Cielo” è costruito nel “tiankeng” del Guizhou. Come fa una struttura così gigantesca a proteggersi da vento, pioggia e fulmini?»
Gli scienziati avevano già preso in considerazione le precipitazioni durante la scelta del sito. Jiang Peng ha affermato che la posizione dell'«orbita» non è stata individuata nel Guizhou soltanto perché la forma soddisfa i requisiti. La parte più complessa viene dopo: durante la fase di esplorazione sul campo, il gruppo di progetto deve condurre una valutazione geologica approfondita della zona depressa.
«L'intera depressione presenta almeno 600 aperture: è praticamente diventata un gigantesco setaccio». La rete ben sviluppata di fiumi sotterranei, tipica delle forme carsiche, insieme alle numerose cavità, ha riservato una piacevole sorpresa: ha conferito all'«Occhio del Cielo» una capacità di drenaggio naturale. Quando piove, l'acqua si infiltra rapidamente nel sottosuolo, evitando l'accumulo di acqua nel sito del telescopio e danni alle apparecchiature elettroniche.
A dicembre dello scorso anno, l'installazione dei pannelli riflettenti aveva superato la metà e il prototipo dell'«Occhio del Cielo» aveva iniziato a prendere forma: un'enorme valle era riempita da una «rete» emisferica intrecciata con cavi d'acciaio, circa metà della quale era ricoperta da pannelli riflettenti argentati; sullo sfondo delle montagne verdi che la circondavano, sembrava uno specchio abbagliante.
Jiang Peng ha ricordato che, osservando da vicino, si può vedere che i pannelli riflettenti attivi in lega di alluminio, apparentemente lisci, sono in realtà ricoperti da innumerevoli fori. Questi piccoli fori fittamente distribuiti sono progettati per ridurre il carico del vento, attenuando così l'impatto di velocità del vento superiori a 4-5 metri al secondo sulle attività di rilevamento del «Tianyan».
Allo stesso tempo, i fori possono anche migliorare il passaggio della luce, consentendo alle piante sulla superficie dell'antenna di crescere e prevenendo l'erosione del suolo. «La conservazione del suolo e delle risorse idriche è molto importante; altrimenti, quando l'erosione del suolo diventa grave, le zone depresse si trasformano in pozze di fango quando piove», ha affermato Jiang Peng. Ha osservato che, sebbene la vegetazione sia benefica, i rampicanti infestanti, se si arrampicano sui pannelli riflettenti, possono anche interferire con le attività di rilevamento. Attualmente, il gruppo di progetto rimuove regolarmente la vegetazione infestante insieme agli operai.
Inoltre, le difficili condizioni climatiche locali del Guizhou preoccupano molte persone. L'«Occhio del Cielo» può resistere a piogge estreme, neve, grandine e temporali? A questo proposito, Jiang Peng ha dichiarato che per l'«Occhio del Cielo» sono state predisposte misure adeguate. Per esempio, per prevenire i danni da fulminazione, tutte le apparecchiature metalliche sono collegate a terra come un insieme unico, in modo che qualsiasi scarica di fulmine possa disperdersi rapidamente. «Inoltre, secondo l'esperienza, le condizioni meteorologiche estreme rappresentano soltanto una piccolissima parte dell'anno, di solito circa 10 giorni, quindi l'impatto non sarà troppo significativo».
Passato e presente dei radiotelescopi
Lo sviluppo dei telescopi astronomici ha seguito un'evoluzione da aperture piccole a grandi e da lunghezze corte a lunghe. Attualmente, lo sviluppo dei telescopi astronomici si concentra principalmente su due direzioni: una è «andare nello spazio» e l'altra è «occupare il suolo». A causa dell'influenza dell'atmosfera terrestre, la maggior parte della radiazione ultravioletta a corta lunghezza d'onda e dei raggi X non può essere osservata, quindi i telescopi possono soltanto essere inviati nello spazio mediante tecnologie spaziali. Ne sono esempi il telescopio Kepler e il telescopio spaziale Hubble. L'espressione «occupare il suolo» si riferisce ai telescopi terrestri, come il radiotelescopio cinese FAST, attualmente in costruzione.
In quanto tipologia di telescopio astronomico, lo sviluppo dei radiotelescopi rappresenta anche il progresso dell'umanità nell'esplorazione dell'universo. Soltanto nel 1873, quando fu pubblicata l'opera di Maxwell «Trattato sull'elettricità e il magnetismo», che esponeva in modo sistematico e completo la teoria dei campi elettromagnetici, ci si rese improvvisamente conto che anche la luce è un tipo di onda elettromagnetica e che, nell'ampio spettro delle onde elettromagnetiche, la luce visibile occupa soltanto una piccolissima parte.
All'inizio del secolo 20, misurando l'altezza della ionosfera terrestre, gli scienziati scoprirono che le onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda inferiore a 60 metri, quando attraversano la ionosfera, non ritornano quasi affatto. Questo fenomeno stimolò l'immaginazione dei ricercatori: se le onde elettromagnetiche di lunghezza inferiore a 60 metri possono dirigersi dalla Terra verso lo spazio senza ostacoli, viceversa onde elettromagnetiche simili provenienti dallo spazio potrebbero anch'esse attraversare l'atmosfera e raggiungere la Terra.
Si aprì così il sipario sull'osservazione umana delle onde radio cosmiche. Nel 1931, i Bell Laboratories negli Stati Uniti ricevettero onde radio dal centro della Via Lattea utilizzando una schiera di antenne. Da quel momento nacque ufficialmente la radioastronomia. Nei decenni successivi «emersero», una dopo l'altra, pulsar, quasar, radiazione cosmica di fondo a microonde e molecole organiche interstellari.
Negli oltre 80 anni dalla loro nascita, anche i radiotelescopi stessi hanno conosciuto un rapido sviluppo. Nel 1955, il Regno Unito costruì il radiotelescopio orientabile Lovell, di 76 metri di diametro, presso l'Osservatorio di Jodrell Bank a Manchester. Nel 1972 fu completato il telescopio di Bonn, in Germania, all'epoca il più grande radiotelescopio completamente orientabile del mondo, con un'antenna parabolica dal diametro di 100 metri.
Nel 1963 fu completato il radiotelescopio di Arecibo sull'isola di Porto Rico, in America Centrale, inizialmente con un diametro di 305 metri, successivamente ampliato a 350 metri. L'ormai datato Arecibo rimane tuttora il più grande radiotelescopio a singola parabola mai costruito al mondo.
Nel 1974, per celebrare il completamento del proprio ammodernamento, il telescopio di Arecibo inviò un segnale composto da 1,679 cifre binarie all'ammasso globulare M13, situato a 25,000 anni luce dalla Terra; questo segnale è noto come Messaggio di Arecibo. Nella parte inferiore del disegno era presente anche un'icona del «fornello solare», che mostrava come gli esseri umani ricevono e trasmettono segnali radio.
Attualmente, oltre al progetto cinese FAST «Occhio del Cielo», in corso, si prevede che il progetto SKA, il cui nome completo è «Square Kilometre Array Radio Telescope», inizi tra due anni. Dai Shi, un giovane astronomo laureatosi presso il Dipartimento di Astronomia dell'Università di Pechino e attualmente impegnato in ricerche post-dottorato presso l'Istituto di Astronomia e Scienze Spaziali (CASS) dell'Organizzazione australiana per la ricerca scientifica e industriale del Commonwealth, è un membro del progetto SKA.
Secondo quanto da lui riferito, SKA sarà composto da migliaia di antenne più piccole costruite in Australia e in Sudafrica, dovrebbe entrare in funzione intorno al 2030 e si prevede che diventerà il più grande telescopio nella storia dell'umanità.
