Tecnologie

La tecnologia per Einstein Telescope prevede di migliorare di almeno un ordine di grandezza le prestazioni del rivelatore rispetto ai detectors attuali. Questo avverrà tramite una serie di sfide tecnologiche che avranno una ricaduta in ambiente industriale. Nei seguenti paragrafi si abbozza una lista di settori coinvolti nello sviluppo di tecnologie per ET. .

Settore delle grandi infrastrutture

Ovviamente ET è una innovativa infrastruttura di ricerca, ma è anche una grande infrastruttura civile. Come precedentemente descritto la realizzazione dello scavo, del tunnel sotterraneo, delle sale sperimentali sotterranee e dei laboratori di superficie, a causa delle richieste tecniche estremamente stringenti imposte dagli estremi traguardi scientifici , sarà una sfida tecnologica unica.

Settore della meccanica di precisione

ET è un grande esperimento di precisione in cui la meccanica gioca un ruolo determinante. Per esempio, il sistema di isolamento sismico di ET sarà basato sull’esperienza fatta nel rivelatore Virgo, costruito dall’INFN vicino Pisa. Esso sarà un sistema misto passivo-attivo in cui le caratteristiche meccaniche dei componenti e la capacità di controllo attivo giocheranno un ruolo fondamentale. Einstein Telescope moltiplicherà per sei le necessità di componentistica meccanica rispetto a Virgo con un costo aspettato, per le sole sospensioni, di circa 52M€.

Acciaio, sistemi di vuoto e criogenia

ET sarà il più grande sistema sotto vuoto in Europa. Una grande quantità di acciaio e una serie di innovazioni tecnologiche saranno necessarie per la realizzazione dei tubi a vuoto di ET. Sistemi di pompaggio a basso rumore ed a zero contaminazione saranno realizzati. Impianti di criogenia speciali saranno necessari per portare le ottiche a 10K senza provocare rumore vibrazionale o contaminazione. Il costo previsto di questa impiantistica è di diverse centinaia di M€.

Componenti ottici, fotonica e film sottili

Einstein Telescope sarà composto da sei interferometri; la richiesta di componenti ottici ad alta tecnologia sarà molto importante. C’è una lunga storia di collaborazioni fra il mondo dei rivelatori di onde gravitazionali e industrie italiane in questo settore. Molti componenti ottici sviluppati appositamente per Virgo sono stati prodotti da PMI, grazie alla collaborazione con i fisici di EGO e dell’INFN. Il costo aspettato per l’intero comparto ottico di ET è di circa 157M€.

Elettronica, foto-elettronica, sistemi di controllo e robotica

Einstein Telescope, quale strumento di grande complessità, avrà bisogno di sistemi di acquisizione di dati non solo per gli interferometri, ma per tutto il controllo dei 30 km di galleria e nelle aree circostanti. I dati dovranno essere acquisiti dai più svariati sensori, essere elaborati da intelligenza distribuita e risultare in comandi inviati agli appositi attuatori. Occorrerà fornire tutta la catena di controllo e automazione, che avrà esigenze specifiche, dall’alimentazione ai processori passando dall’elettronica analogica e digitale correlata fino ai circuiti stampati. Inoltre sta crescendo rapidamente il settore dell’optoelettronica e l’Internet of Things, che trovano una naturale applicazione nelle infrastrutture di ET, I sistemi saranno da programmare secondo le più avanzate tecnologie software. Saranno essenziali sistemi di controllo con robot specializzati in grado di manipolare le delicate componenti dello strumento. L’uso della robotica si sta da poco affacciando all’interno del mondo dei rivelatori di onde gravitazionali ed in Italia ci sono le competenze per soddisfare e gestire questo tipo di necessità.

Information and Communication Technology

L’elaborazione dei dati raccolti da ET richiede sistemi di calcolo di avanguardia. E’ prevista la trasmissione in tempo reale di un flusso sostenuto dati verso centri di calcolo dislocati in tutto il mondo. La Sardegna sarà il punto di partenza e di prima gestione di questa grande mole di dati e l’Italia può essere primo punto di approdo in Europa e contribuire alla loro elaborazione oltre che alla loro trasmissione. Attualmente nelle università e istituti di ricerca sardi e italiani si sviluppano soluzioni innovative dedicate al calcolo scientifico di alta prestazione. E’ il proseguimento di una lunga tradizione che ha portato ad avere in Sardegna e in Italia grandi centri di ricerca sul calcolo.La presenza di una cultura dell’innovazione nel calcolo alimentata dalle necessità di ET costituisce un vantaggio per le imprese che potranno disporre delle soluzioni più avanzate collaudate dagli utenti più esigenti. Tali necessità potranno anche creare un indotto con contenuti di alta tecnologia che potrà contribuire all’innovazione anche nelle industrie di settori più tradizionali.

Impatto Socio-Economico

La costruzione e il funzionamento di ET avranno un significativo impatto economico e sociale su una vasta comunità di stakeholder a livello locale, nella regione del sito prescelto, regionale, nazionale ed internazionale. La definizione della durata della fase di costruzione e assemblaggio avverrà in fase di disegno progettuale operativo. Questa valutazione socio-economica preliminare è basata sulla durata stimata nel Conceptual Design Study e cioè, approssimativamente, al massimo 9 anni. Tale fase di costruzione e assemblaggio genererà un flusso di domanda di beni e servizi intermedi che interesserà sia le le imprese italiane che quelle europee direttamente coinvolte nella costruzione di ET. Questo effetto di domanda, cosiddetto diretto, indurrà ovviamente un ulteriore stimolo alla produzione di beni e servizi intermedi che serviranno da input alle imprese coinvolte nella costruzione dell’infrastruttura. Le stime attuali dell’effetto economico complessivo della fase di costruzione in termini di total output (volume d’affari), valore aggiunto e occupazione sono le seguenti:

  1. Costo dell’opera: Il costo complessivo dell’opera è attualmente in corso di valutazione. Questa valutazione di impatto socio-economico è stata effettuata su un valore di riferimento massimo (configurazione triangolare) di 1,7 mld di euro, da aggiornare quando sarà disponibile una stima più precisa dei costi. Il costo di riferimento è suddiviso in 5 macro-categorie ciascuna corrispondente al costo di realizzazione di un macrosistema. Precisamente: Sito (1 mld di euro), Sistema di vuoto(497 mln di euro), Criogenia (48 mln di euro), Isolamento sismico (52 mln di euro), Ottica (157 mln di euro).
  2. Effetto complessivo sul volume d’affari (total output effect): Il valore totale dei flussi annui di transazioni associate dalla costruzione di ET (equivalente al totale del volume d’affari), dato dalla somma di domanda diretta e indotta nei 9 anni di costruzione, è stimato in 6,184 mld di euro, il cui valore attuale calcolato al 2025 (anno d’inizio della fase di costruzione) utilizzando un tasso di sconto del 2,57% applicato ai singoli flussi annui di domanda è pari a 5,497 mld di euro.
  3. Valore aggiunto (value added effect): In termini di valore aggiunto, cioè depurando il dato del total output effect per eliminare gli effetti di duplicazione legati al fatto che lungo la catena del valore alcune transazioni corrispondono ad un costo per una azienda e a un ricavo per un’altra, il valore complessivo è pari a 2,263 mld di euro; pari a 2,011 in termini di valore attuale al 2025. Tale effetto coincide con l’effetto sul Prodotto Interno Lordo (PIL) generato dalla fase di costruzione di ET.
  4. Occupazione (employment effect). L’effetto totale potenziale in termini di occupazione nei 9 anni di costruzione, considerando effetti diretti e indotti, è stimato in 36.085 unità di forza lavoro.

Il 65-75% dell’impatto sarà a livello locale-regionale-nazionale, pari ad un volume d’affari di 4,329 mld di euro, e riguarderà principalmente le aziende dei settori e della rispettive filiere dell’edilizia, della meccanica, studi tecnici ingegneristici, geologici, trasporti, rivendita al dettaglio ed ingrosso, ospitalità e ristorazione; la restante parte - all’incirca 1,855 miliardi di euro di volume d’affari - riguarderà fornitori stranieri, Europei e non, che operano nei settori della produzione delle tecnologie impiegate nella realizzazione dell’interferometro, Criogenia, Ottica, Isolamento sismico, Sistema di Vuoto.

A regime, l’infrastruttura ospiterà uno stock di forza lavoro altamente qualificata, fatta di amministrativi, ma soprattutto di ricercatori, tecnologi e tecnici che lavoreranno nel laboratorio e vivranno in loco. Questa comunità comprenderà tanto personale assunto in pianta stabile dalla struttura - circa 160 unità - che flussi regolari di ricercatori in visita scientifica – si stimano almeno 250 ricercatori all’anno in visita, con una permanenza media individuale pari a 20 giorni. Le attività di sperimentazione e il normale funzionamento di ET determineranno un flusso di domanda di beni e servizi che in molti casi saranno ad alto contenuto tecnologico, con implicazioni positive per il processo di creazione d’impresa (spinoff) in settori ad alta produttività, tanto a livello locale, che nazionale. Anche in questo caso, l’effetto diretto di domanda di beni e servizi da parte di ET va a combinarsi con l’effetto indotto dal fatto che le imprese che forniranno tali beni e servizi a loro volta domanderanno ulteriori beni e servizi come input. La stima dell’effetto economico complessivo risultante dalla somma di tali effetti diretti e indotti, ottenuta sulla base delle informazioni disponibili su strutture per certi versi simili, quali Virgo e Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), opportunamente vagliata attraverso una Expert Opinion condotta su un gruppo di scienziati dell’INFN è così articolata:

  1. Total output effect: Il valore del flusso annuo di transazioni legate al funzionamento di ET è pari a 127,5 mln di euro per un valore attuale complessivo di 2,7 mld di euro ipotizzando, per convenzione, una durata attesa dell’attività di ET di 30 anni.
  2. Value added effect: Il flusso annuo di valore aggiunto corrispondente al total output effect è stimato in 45,3 mln di euro all’anno per un valore attuale complessivo di 1,05 mld su una durata attesa di 30 anni.
  3. Employment effect: L’impatto potenziale sull’occupazione, considerando effetti diretti e indotti è stimato in 713 unità annue, escludendo i ricercatori in visita e i dipendenti ET. L’effetto complessivo su 30 anni è pari a 21.390.

Il 50-60% dell’impatto a regime ricadrà in ambito regionale – pari a un volume d’affari di 70 mln all’anno e 1,5 mld lungo i 30 anni di attività – e coinvolgerà principalmente aziende sarde dei settori e delle rispettive filiere dei servizi di accoglienza, ristorazione e catering, servizi di pulizia, rivendita al dettaglio ed ingrosso, servizi di sicurezza, servizi di manutenzione dell’infrastruttura, degli impianti tecnologici e dei software, combustibili per il riscaldamento, ed energia elettrica. La presenza di personale altamente qualificato, con corrispondeti livelli di stipendio determina una capacità di spesa sul territorio sorretta dai contributi di tutte le nazioni che parteciperanno al progetto. La restante parte riguarderà fornitori oltre l’isola, nazionali e internazionali, per un volume d’affari di circa 60 mln all’anno e 1,2 mld lungo i 30 anni di attività, Questa parte dell’impatto coinvolgerà aziende dei settori e filiere della realizzazione dei macchinari tecnologici, dei software, degli hardware e una parte delle loro manutenzioni.

All’impatto socio-economico appena descritto si aggiunge un ulteriore impatto sulla società legato alla produzione scientifica, all’innovazione e al trasferimento tecnologico, alla crescita del capitale umano, alla attrattività scientifica del sito e quindi alla divulgazione e alla disseminazione della conoscenza prodotta da ET. A regime ET attirerà un flusso costante di giovani talenti, quali studenti di dottorato, stagisti, ricercatori junior ecc., che durante la loro permanenza presso la struttura di ricerca, acquisiranno competenze che influiranno positivamente sul proseguo della loro carriera professionale. Incontri e conferenze nelle quali è prezioso il contatto informale e lo scambio di idee potranno svolgersi nei pressi del sito di Einstein Telescope, contribuendo a un turismo di qualità e con maggiore indipendenza dalla stagionalità.

Al di là degli effetti economici indotti, le attività che avranno luogo in ET avranno certamente ricadute in termini di trasferimento tecnologico sui fornitori di beni e servizi e lungo la relativa catena del valore. Ciò perché i macchinari, gli strumenti, l’hardware e il software necessari per ogni esperimento che verrà condotto nella struttura saranno sviluppati necessariamente attraverso una interazione costante tra ricercatori e fornitori con un trasferimento continuo di competenze e conoscenze. I fornitori, esposti a richieste formulate secondo i più elevati standard internazionali, avranno dunque l’opportunità di realizzare beni e servizi che sono necessariamente ad altissimo contenuto innovativo, sia in termini di processo che di contenuti, considerato che spesso si tratterà di “pezzi” prodotti ad hoc per le esigenze della comunità scientifica di ET. Questo processo di learning by doing si traduce in un impatto significativo su molte dimensioni che influenzano positivamente il valore di mercato delle aziende coinvolte tra cui: (i) internazionalizzazione; (ii) innovazione tecnologica; (iii) conoscenza del mercato; (iv) sviluppo di nuovi prodotti e apertura a nuovi mercati; (v) apertura di nuove business unit e R&D unit.  Si tratta di dimensioni d’impatto sulle aziende che sono estremamente rilevanti per il progresso socio-economico sostenibile e inclusivo di un Paese.

Il sito o i siti

ET, nella sua configurazione base, consiste in un tunnel sotterraneo a geometria triangolare, di circa 10 km di lato, collocato a più di 100 m di profondità. Una serie di caverne sperimentali accolgono le torri di filtraggio sismico, alcuni grandi apparati ottici, dei sistemi laser, dei sistemi criogenici e dei sistemi da vuoto, utilizzando tecnologie elettroniche e meccaniche avanzatissime. I tunnel ospitano i tubi dove la luce si propaga in condizioni di alto vuoto, che costituiranno il più grande volume sottovuoto al mondo.

L’Italia ha avanzato la forte candidatura del Sito di Sos Enattos, vicino Lula, in provincia di Nuoro (Sardegna), sia per l’opzione triangolo sia per una delle due L. Il massimo punto di forza di tale candidatura, confermato anche da studi tecnici avanzati, è il silenzio naturale di tale zona, silenzio sismico, grazie alla bassissima sismicità naturale, silenzio acustico e elettromagnetico, grazie alla limitata densità di popolazione locale e alla bassa industrializzazione del territorio. Tale silenziosità, cruciale per garantire le massime prestazioni scientifiche dell’osservatorio, fanno della Sardegna, tecnicamente, il miglior posto in Europa dove realizzare ET. È però essenziale che tale silenzio naturale non sia perturbato da installazioni industriali e/o produttive quali le centrali eoliche di produzione d’energia.

Vedi il video su YouTube: https://youtu.be/_dG-ZPJsGzw

Attività Internazionali

La comunità scientifica di Einstein Telescope (https://www.et-gw.eu/), attiva da più di 15 anni, si è recentemente strutturata formalmente in una collaborazione scientifica composta da più di 1300 scienziati, appartenenti a più di 200 istituti distribuiti su 23 nazioni in Europa e nel mondo. Alcune delle attività attuali della collaborazione sono lo sviluppo delle tecnologie abilitanti di ET, la progettazione del rivelatore e delle sue configurazione, la realizzazione dei modelli astrofisici e la preparazione delle metodiche di analisi dati. In particolar modo sono realizzati studi di caratterizzazione dei due siti candidati (quello in Sardegna e quello vicino al confine tra Paesi Bassi, Belgio e Germania) attraverso analisi geologiche, geofisiche e geotecniche, studi di rumore ambientale e attività di scavo.

In parallelo alla collaborazione scientifica, le agenzie e gli enti di ricerca che supportano ET si stanno organizzando in un “Osservatorio ET”, definendo le strutture tecniche e gestionali che porteranno a compimento la realizzazione dell’Infrastruttura di ricerca Einstein Telescope. Questa attività è principalmente finanziata dalla Commissione Europea, con circa 3,5M€, all’interno della Preparatory Phase di ET.

Proposta Internazionale

L’idea di ET è nata in Italia in un contesto pienamente europeo (FP7). Il progetto ET è entrato nell’aggiornamento 2021 della roadmap ESFRI, con una proposta a guida italiana e sostegno di Belgio, Paesi Bassi, Polonia e Spagna. Il consorzio di enti di ricerca e università che hanno firmato la proposta ESFRI è coordinato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dal corrispondente istituto olandese Nikhef

La collaborazione ET conta ora più di 1300 scienziati, appartenenti a più di 200 istituti distribuiti su 23 nazioni in Europa e nel mondo; il focus delle attività è attualmente la definizione della geometria di ET, a triangolo su un singolo sito oppure a doppia L su due siti distinti, la sua progettazione e lo sviluppo delle sue tecnologie abilitanti, anche con il contributo del tessuto industriale italiano.