Precisione nanometrica per E-ELT

Lo specchio esagonale di test, lavorato nei laboratori di Merate dell’INAF-Osservatorio di Brera.

Nei laboratori di Merate dell’INAF-Osservatorio di Brera, tramite la sofisticata tecnica chiamata Ion Beam Figuring, è stato lavorato uno specchio prototipale rappresentativo dei quasi 800 segmenti che formeranno lo specchio primario dell’European Extremely Large Telescope (E-ELT). Partendo da un errore di forma di 100 nanometri lo specchio, della dimensione di 1 metro, è stato portato a un errore di forma complessivo di appena 12 nanometri, quasi un fattore 10 inferiore e meglio delle specifiche, che prevedono un errore massimo di 20 nanometri (si ricorda che 1 nanometro è pari a un milionesimo di millimetro). Questa correzione, di precisione estrema, è stata ottenuta dopo una lavorazione dello specchio con fasci di ioni in una camera ad alto vuoto. L’impianto è stato sviluppato “ad hoc” dall’INAF per le lavorazioni degli specchi di E-ELT nell’ambito del progetto premiale T-REX (Telescope to Reach the Extreme), finanziato dal ministero di riferimento MIUR.

ESO, l’European Southern Observatory, ha già iniziato le operazioni per costruire entro il 2024 l’European Extremely Large Telescope (E-ELT) che, con un diametro maggiore di 39.3 metri, sarà il più grande telescopio del mondo. L’Italia, tramite l’INAF, partecipa attivamente all’implementazione di questo ambizioso progetto, essendone tra i massimi sostenitori nel contesto di ESO. Inoltre INAF ha intrapreso una serie di attività tecnologiche e scientifiche correlate allo sviluppo del telescopio e degli strumenti di piano focale che vi saranno utilizzati. Come già menzionato, il MIUR ha finanziato queste attività nell’ambito del progetto premiale T-REX, assegnato all’INAF in entrambi gli anni di selezione dei progetti premiali. Le attività sono coordinate da Monica Tosi e coinvolgono diverse Strutture INAF e Università (Osservatori di Arcetri, Bologna, Brera, Napoli, Padova, Roma, Trieste, IASF di Milano e Bologna, Università di Firenze, Bologna, Insubria e Glyndŵr St Asaph University /UK).

Lo specchio principale di E-ELT, con diametro di quasi 40 metri, sarà costituito da 798 tasselli esagonali da 1.4 metri e spessi soltanto 50 mm, assemblati insieme per simulare un unico specchio tramite una struttura meccanica molto robusta e precisa. La superficie di raccolta sarà di più di 24 volte maggiore rispetto a quella dei singoli telescopi dell’attuale Very Large Telescope di ESO, basati su specchi primari monolitici da 8 metri. Sarà adottata la tecnica delle ottiche attive che prevede il controllo continuo dei singoli segmenti riflettenti che compongono lo specchio gigante tramite un sistema di attuatori. In questo modo si possono compensare le deformazioni termo-meccaniche della struttura di sostegno.

D’altra parte l’accuratezza superficiale richiesta per ciascuno dei pannelli di 1.4 metri è molto spinta e l’errore di forma complessivo deve essere inferiore a 20 nanometri prima di poter applicare qualsiasi correzione con gli attuatori. Per raggiungere tale obiettivo, dopo la lavorazione ottica degli specchi segmentati con tecniche di polishing classiche, è necessario impiegare un’ultima fase correttiva tramite la tecnologia dell’Ion Beam Figuring. Il metodo è di tipo deterministico ossia, una volta noti gli errori ottici presenti sulla superficie dello specchio e i parametri da impiegare per la generazione del fascio, il processo è in grado di rimuovere il materiale in eccesso (che da luogo agli errori di forma) con alta precisione. Il segmento da rifinire è quindi posto in una camera a vuoto dove viene sottoposto ad un fascio di ioni di Argon altamente energetici, accelerati da una opportuna sorgente, capaci di rimuovere strati molecolari di vetro tramite il così detto “effetto di sputtering”. L’Osservatorio Astronomico di Brera ha sviluppato negli anni passati un importante know-how sull’uso della tecnologia Ion Beam Figuring per la correzione di ottiche astronomiche e, tramite il progetto premiale T-REX, ha realizzato presso i laboratori di Merate una facility di grandi dimensioni specificamente pensata per la lavorazione dei segmenti del primario di E-ELT.

“Abbiamo raggiunto l’obiettivo che ci eravamo posti – ci dice il responsabile della facility Mauro Ghigo, astronomo presso l’INAF – Osservatorio di Brera – cioè dimostrare la possibilità di correggere uno specchio di grandi dimensioni entro le specifiche richieste da ESO. La prova è stata effettuata lavorando tramite fasci ionici uno specchio di 1 metro fornitoci dall’università gallese Glyndŵr University St Asaph che pure partecipa al programma ESO per lo sviluppo dello specchio primario di E-ELT. Non solo abbiamo portato l’errore di forma da 100 nanometri a soli 12 nanometri, cioè a un valore molto inferiore all’accuratezza di 20 nanometri richiesta da ESO, ma abbiamo potuto studiare in dettaglio il comportamento del materiale alle temperature di lavorazione, identificare una metodologia di lavoro che le minimizzi e iniziare a capire come ridurre i tempi necessari per la correzione”.

Giovanni Pareschi, Direttore dell’INAF – Osservatorio di Brera e membro dell’organo di governance del progetto T-REX, è molto soddisfatto del risultato conseguito: “Abbiamo comunicato il risultato durante il congresso SPIE dedicato alle ottiche astronomiche svoltosi a Montreal alla fine di giugno scorso, suscitando un grande interesse da parte di ESO e di industrie impegnate nello sviluppo e realizzazione dello specchio primario di E-ELT come TAS-F, Media Lario e OPTIS. INAF potrà avere un ruolo importante in questa attività strategica per la realizzazione di E-ELT e le prove proseguiranno nei prosiimi mesi presso i nostri laboratori ”.

Il progetto T-REX, oltre alle attività legate allo specchio primario di E-ELT, sostiene le attività INAF legate allo specchio adattivo M4 e a vari strumenti previsti per E-ELT: Micado, MAORY, HIRES, MOS e PCS.
La ricerca è stata presentata durante il simposio SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2014, Montreal – 22 – 27 Giugno 2014 ed è in corso di pubblicazione sui proceedings della conferenza.

Fonte: Media INAF | Scritto da Redazione Media Inaf