mtex antenna technology, piccola azienda con sede in Germania, è stata scelta per fornire i componenti chiave di un progetto che raggrupperà centinaia di radiotelescopi per formare il più grande e ambizioso strumento astronomico mai costruito. Il successo del suo design si avvale della tecnologia dei cuscinetti di precisione SKF.

mtex è l’evoluzione della società di consulenza fondata dal dottor Karl-Heinz Stenvers, che ha dedicato oltre 40 anni alla progettazione delle antenne di molti dei più grandi radiotelescopi del mondo. Guidata oggi da suo figlio Lutz Stenvers, mtex offre una gamma completa di servizi di progettazione, produzione, installazione e modernizzazione di antenne radio avanzate. La combinazione di capacità e competenze ha aiutato mtex ad aggiudicarsi il contratto per la costruzione delle antenne del next generation Very Large Array (ngVLA), un sistema di radiotelescopi che scruterà le profondità nascoste dell’universo.

Grandi, ma quanto?

Negli ultimi decenni, telescopi di enormi dimensioni hanno permesso di fare scoperte straordinarie, dalla prova dell’esistenza dei buchi neri all’individuazione di pianeti in orbita attorno a stelle remote. Costruirli, e manutenerli, implica tuttavia attività alquanto complesse e costi ingenti. Nel 2020 il radiotelescopio di Arecibo, a Porto Rico, composto da un un riflettore del diametro di 305 metri, è crollato a seguito della rottura dei cavi di sostegno del gruppo ricevitore, che è precipitato sul disco sottostante.

I radiotelescopi più grandi sono anche difficili da controllare. Nel caso del FAST e di quello di Arecibo, le parabole sono fisse. Gli astronomi puntano il telescopio muovendo il gruppo ricevitore, cosa che permette loro di condurre ricerche su piccole porzioni di cielo. Gli strumenti di minori dimensioni, per contro, sono completamente orientabili, ma questo richiede macchinari pesanti e sistemi di controllo avanzati in grado di manovrare con precisione le loro enormi parabole per localizzare e seguire gli oggetti celesti.

Strutture a schiera

Le sfide di natura tecnica ed economica hanno spinto la comunità scientifica a studiare alternative a singoli dispositivi sempre più grandi. Risultato? Impiegare molti radiotelescopi di dimensioni più piccole, i cui dati sono combinati ed elaborati da software per produrre l’immagine risultante. Questa tecnica, detta interferometria astronomica, consente agli astronomi di creare uno specchio virtuale avente un diametro pari alla massima distanza tra i telescopi del sistema, che può essere anche di migliaia di metri. L’arrivo di computer sempre più potenti, capaci di eseguire calcoli complessi e processare i dati ricevuti, ha permesso di realizzare in tutto il mondo grandi schiere di radiotelescopi, dette array.

Tra i raggruppamenti più famosi c’è il Very Large Array (VLA), situato in una pianura desertica del New Mexico, negli Stati Uniti. È costituito da 28 radiotelescopi del diametro di 25 metri ciascuno, disposti lungo tre bracci lunghi ciascuno 21 chilometri, che formano una gigantesca “Y”. Sono montati su appositi binari che ne consentono il riposizionamento in base alle esigenze. Costruito negli anni ’70 e potenziato nel 2010, il VLA ha svolto per decenni un ruolo fondamentale, fornendo dati molto importanti alla comunità scientifica. E ha fatto da sfondo a vari film di fantascienza.

La nuova generazione

Superati i quarant’anni di onorata carriera, il VLA lascerà il posto a un osservatorio di nuova generazione. Il National Radio Astronomy Observatory (NRAO), che lo gestisce, ha avviato un ambizioso progetto da 2 miliardi di dollari per la costruzione di quello che, secondo i dettami della comunità astronomica, si chiamerà semplicemente next-generation Very Large Array (ngVLA).

Un progetto che promette di portare l’applicazione dell’interferometria astronomica a un nuovo livello: sarà composto da numerose antenne paraboliche singole, ciascuna con diametro di 18 metri anziché 25 come i suoi predecessori. Nel raggruppamento principale, sul sito dell’attuale VLA, ce ne saranno 244, disposte in una serie di bracci a spirale. A queste se aggiungeranno 30 dislocate nel sud-ovest degli Stati Uniti che estenderanno la lunghezza dei bracci per oltre 1.000 chilometri, più altre in altri stati, compresi le Hawaii e Porto Rico. L’intero gruppo formerà un radiotelescopio virtuale di dimensioni enormi.

L’antenna prototipo

Al tempo della nostra intervista a Lutz Stenvers per Evolution, nel maggio 2024, il suo team era in viaggio verso il New Mexico con la prima antenna prototipo del ngVLA. La maggior parte dei radiotelescopi utilizza un riflettore di forma circolare e simmetrica, con gli elementi del ricevitore sospesi sopra il punto focale, mentre le antenne del ngVLA hanno una forma semi-rettangolare, con il ricevitore posizionato in corrispondenza del suo bordo inferiore. Noto come “antenna offset gregoriana”, questo dispositivo ha dimostrato maggiore efficienza in termini di prestazioni rispetto ai tipi simmetrici di pari dimensioni.

Le specifiche richiedono una precisione angolare di tre secondi d’arco.

Lutz Stenvers, mtex antenna technology

“Il design presenta molti vantaggi, anche se è molto più difficile da realizzare”, commenta Stenvers. “La struttura di sostegno di un’antenna circolare è costituita da pochi anelli, mentre per il ngVLA occorre una struttura molto più complessa”.

Va detto che la struttura di sostegno della superficie del riflettore è determinante ai fini delle prestazioni. Affinché le immagini siano a fuoco, i pannelli di alluminio del riflettore devono essere mantenuti in posizione con precisione micrometrica. Occorre altresì considerare che la struttura si muove costantemente durante il funzionamento, e che deve operare per decenni in condizioni meteorologiche estreme.

Ad aumentare la complessità del progetto ngVLA, c’è l’esigenza di contenere gli ingombri per facilitare la logistica e il trasporto, nonché l’assemblaggio rapido e preciso in loco. Visto il gran numero di unità da costruire, anche il costo è un fattore chiave.

La soluzione di mtex? Realizzare una struttura reticolare a supporto del riflettore formata da oltre 700 aste tubolari in acciaio disposte secondo una forma triangolare, collegate alla loro estremità da giunti sferici di alta precisione che si serrano per mantenere la forma finale desiderata. Il ricevitore, che capta le onde radio riflesse, è sostenuto da tubi di 8 metri in fibra di carbonio, materiale di elevata rigidezza.

L’intero gruppo è montato su una torre di acciaio che contiene i motori e i sistemi di controllo utilizzati per orientare l’antenna. I vari componenti disassemblati possono essere contenuti e spediti in più container standard. Ciascuno di essi è contrassegnato da un codice QR univoco per garantire che il team di montaggio possa assemblare rapidamente tutti i pezzi nell’ordine giusto.

Vita al rallentatore

Un radiotelescopio è al tempo stesso un meccanismo e una struttura. Parabola e ricevitore ruotano insieme attorno a due assi per mantenere il puntamento verso l’oggetto celeste da osservare. Il movimento può essere lento, quando il telescopio viene fatto ruotare tra gli obiettivi, e molto lento, quando il sistema di controllo effettua piccoli aggiustamenti per seguire l’obiettivo in modo da compensare il vento e la rotazione costante della Terra.

“Le specifiche richiedono una precisione angolare di tre secondi d’arco”, commenta Stenvers. Vale a dire meno di un millesimo di grado: una precisione che sulla Terra permetterebbe di puntare un raggio laser su un bersaglio di 1 metro di larghezza a 69 chilometri di distanza.

Per ottenere questo livello di precisione occorrono sensori e software di controllo sofisticati, oltre a componenti meccanici estremamente precisi. mtex ha scelto SKF come fornitore dei due cuscinetti di elevazione che fanno ruotare il telescopio tra i 12 e i 90 gradi sopra l’orizzonte.

Le due aziende collaborano da circa due anni e hanno definito una soluzione di cuscinetti in grado di soddisfare i requisiti del telescopio in termini di elevata capacità di carico, basso attrito ed estrema precisione. Juergen Blum, manager sales quality and process di SKF, dice: “La soluzione si basa su cuscinetti orientabili a rulli SKF Explorer, ciascuno dei quali ha un diametro esterno di 720 millimetri e pesa 290 kg. Di solito sono cuscinetti che trovano impiego in grandi cartiere o nelle attrezzature minerarie”.

Nelle applicazioni più tipiche, questi cuscinetti devono reggere velocità elevate, urti e vibrazioni. Mentre il radiotelescopio, come dice Stenvers, è praticamente fermo. In questo caso, il sistema di cuscinetti deve rispondere a requisiti diversi, ovvero deve essere in grado di reggere il carico con un gioco minimo. E il movimento, sebbene lento, deve essere fluido e altamente prevedibile.

I team di progettazione e ingegneria dell’applicazione SKF hanno effettuato simulazioni approfondite per trovare la disposizione più idonea. Hanno scelto un sistema di lubrificazione affidabile, capace di erogare la giusta quantità di grasso al momento giusto per minimizzare l’effetto stick-slip all’avvio e ridurre l’attrito e l’usura in esercizio. Hanno prodotto gli anelli dei cuscinetti secondo livelli di precisione estremamente elevata, riducendo al minimo le variazioni di spessore intorno all’anello che avrebbero potuto causare oscillazioni dell’asse durante il movimento. I cuscinetti impiegati per il prototipo sono montati su speciali bussole coniche che consentono di regolare con precisione il gioco finale durante il montaggio e, grazie al loro design, riducono ulteriormente il runout radiale in esercizio.

Verso la prima luce

All’inizio dell’estate 2024, un team SKF si recherà in Spagna per aiutare mtex a installare e registrare i cuscinetti per il prototipo del telescopio. Lo strumento sarà poi smontato e spedito alla destinazione finale in New Mexico, dove mtex impiegherà due mesi per collaudare i sistemi di movimento e controllo prima della consegna al cliente.

Nei primi mesi del 2025 è prevista l’installazione, da parte del team del NRAO, del pacchetto di sensori prototipo sul dispositivo, con l’obiettivo di catturare le prime immagini. Nel mondo astronomico, questo evento è noto come “prima luce”. Seguiranno 18 mesi di test approfonditi e perfezionamenti. Se tutto va secondo i piani, nel 2027 il NRAO darà il via alla produzione su larga scala di antenne per il progetto ngVLA, un processo che si prevede durerà un decennio.

Per Lutz Stenvers questo è un momento stimolante, ma anche denso di emozioni. Poche settimane prima dell’inizio dell’assemblaggio della prima antenna del ngVLA è venuto a mancare suo padre, il Dr. Karl-Heinz Stenvers. Per onorarne la memoria il prototipo del radiotelescopio porterà il suo nome.