Motori e riduttori alla scoperta della Galassia

Il progetto MOONS (Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph) riguarda uno spettrografo in grado di rilevare simultaneamente un gran numero di oggetti cosmici nella parte visibile e in quella infrarossa dello spettro. La tecnologia Faulhaber ha qui un ruolo importante. Faulhaber Precistep ha fornito i motori passo-passo; Faulhaber Minimotor ha fornito i riduttori senza gioco per la precisione di posizionamento, mentre la filiale di Faulhaber mps si è occupata della progettazione meccanica dei moduli.

di Alma Castiglioni

Una delle regioni per cui è difficile esplorare la nostra Galassia è il fatto che innumerevoli stelle ne ostruiscono la vista. In particolare abbiamo scarse nozioni sulla sua parte centrale, densa, dove innumerevoli stelle e nuvole di gas si raggruppano intorno a un presunto buco nero.
Un importante progetto di astronomia, che vede coinvolti otto istituti di diversi paesi, sta per colmare molte delle lacune in questo ambito. Il progetto è stato commissionato dallo European Southern Observatory (ESO), un’organizzazione scientifica che gestisce alcuni dei telescopi più potenti del mondo nel deserto cileno di Atacama, tra cui il Very Large Telescope (VLT) presso l’Osservatorio del Paranal, con un diametro dello specchio di 8,2 metri. Scopo del progetto è dotare il VLT di un nuovo strumento per catturare i segnali ottici dallo spazio: uno spettrografo in grado di rilevare simultaneamente un gran numero di oggetti cosmici nella parte visibile e in quella infrarossa dello spettro. La sua abbreviazione dà il nome all’intero progetto: MOONS (Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph), coordinato dallo United Kingdom Astronomy Technology Centre (UK ATC) di Edimburgo.

Uno spettro al posto di un’immagine fotografica
Se con una fotocamera di alta qualità è possibile sostituire l’obiettivo, con un telescopio astronomico è l’opposto: il VLT ha un obiettivo eccezionale. In questo caso basta semplicemente sostituire la fotocamera attualmente connessa con il MOONS.
MOONS non produce immagini di grandi dimensioni nel senso tradizionale del termine. Al contrario, cattura minuscoli dettagli. Ecco, in sintesi, come funziona. Le lenti e gli specchi del VLT sono puntati sulla parte dello spazio che deve essere osservata. Ora, però, le estremità di 1.001 fibre ottiche nel MOONS vengono allineate ai singoli oggetti all’interno di questa regione cosmica. Invece di riprendere l’intera area selezionata come una fotocamera, il nuovo strumento focalizza le fibre su punti specifici nell’Universo. Anche questi punti non sono semplicemente fotografati, ma la loro luce viene frammentata, tramite prismi, nei singoli componenti, cioè in diverse lunghezze d’onda. Secondo il dott. William Taylor, scienziato presso l’UK ATC, questo metodo fornisce molte più informazioni di un’immagine, per esempio la composizione chimica dell’oggetto, e la dinamica, cioè la velocità e la direzione del movimento. Poiché MOONS cattura lo spettro vicino all’infrarosso, è possibile analizzare con precisione il redshift (spostamento verso il rosso) a cui è sottoposta la luce che viaggia verso la Terra proveniente da oggetti lontani.
Quando una stella si allontana dalla Terra, la lunghezza d’onda della sua luce si allunga. Una parte della luce visibile si sposta così verso l’infrarosso invisibile, che è ancora vicino allo spettro visibile.

Migliaia di oggetti in vista
La tecnologia finora disponibile consentiva di osservare singolarmente al massimo un centinaio di oggetti, e questo solo nel campo della luce visibile. Con MOONS non solo questo numero cresce di dieci volte, ma anche la profondità delle informazioni aumenta in proporzione. Nella Via Lattea, questo ci permetterà dunque di guardare molto più precisamente tra gli alberi e ottenere un’immagine molto più chiara dell’intera proverbiale foresta. “Uno degli obiettivi del progetto è creare una mappa 3D della Via Lattea – ha affermato il dott. Taylor – che consentirebbe una sorta di navigazione GPS attraverso la nostra galassia.
Gli astronomi hanno intenzione di mirare a diversi milioni di oggetti per un periodo di circa cinque anni. Per raggiungere questo scopo, le 1.001 fibre ottiche dello spettrografo devono essere orientate rapidamente, e per lo più automaticamente, verso gli obiettivi cosmici.
Questo è fattibile grazie a un numero equivalente di unità di posizionamento delle fibre ottiche (FPU o Fibre Positioning Units). Ogni FPU è equipaggiata con due unità di azionamento con motore passo-passo assemblati con riduttori a stadi a gioco ridotto. L’unità nella parte posteriore muove l’asse centrale (alpha) dell’FPU. Montata in modo eccentrico su quest’ultima, l’unità di azionamento anteriore (beta) muove contemporaneamente l’estremità della fibra. La combinazione dei due movimenti assiali consente a ciascuna FPU di coprire un’area circolare all’interno della quale la fibra può essere allineata in modo arbitrario. Quest’area si sovrappone parzialmente alle aree delle FPU adiacenti. Ciò significa che ogni punto all’interno della zona di cattura può essere controllato. Per soddisfare i requisiti più esigenti in termini di ripetibilità della posizione, che risulta indispensabile per evitare collisioni tra le estremità delle FPU, la soluzione del sistema di azionamento deve essere estremamente precisa. Per garantire la precisione necessaria ed evitare collisioni tra le estremità delle FPU, i sistemi devono operare con un’elevata ripetibilità.
I motori passo-passo di alta qualità provengono da Faulhaber Precistep; i riduttori senza gioco di Faulhaber Minimotor contribuiscono alla precisione di posizionamento, mentre la filiale di Faulhaber mps si occupa della progettazione meccanica dei moduli.

Dispositivo di “mira” su misura
Le tre società del gruppo Faulhaber hanno offerto un contributo molto importante in questo progetto; soprattutto hanno consentito di sviluppare il modulo in una data forma e nelle quantità richieste. Oltre alla velocità alla quale le fibre ottiche devono essere allineate, anche la massima precisione è importante: si raggiunge una precisione di 0,2 gradi e una riproducibilità della posizione fino a 20 micron. Tenendo conto della lunghezza dell’FPU e del design modulare, questi sono valori eccellenti. Inoltre, il corretto allineamento rispetto alla piastra focale su cui sono disposti i moduli viene mantenuto in tutte le posizioni.
L’elevata precisione e l’estrema affidabilità dei componenti consentono di mantenere il controllo semplice, che è un altro requisito per far funzionare lo spettrografo in modo impeccabile. Elettronica e logiche di controllo complesse ostacolerebbero gravemente il controllo rapido e simultaneo di 1001 unità. I componenti FAULHABER consentono di ottenere un allineamento preciso mediante un semplice controllo a loop aperto. La tecnologia deve essere anche molto robusta e praticamente esente da manutenzione per poter svolgere i suoi compiti senza interruzioni per la durata prevista di dieci anni.
Si prevede che lo spettrografo MOONS sia pronto per l’installazione nell’estate 2021; la messa in servizio richiederà circa 6 mesi. La mappatura potrà quindi iniziare nel 2022.