Gli scienziati del DESY Scientists portano avanti ricerche all'avanguardia 24 ore su 24

Il nostro supporto alle ricerche più importanti e innovative di un laboratorio leader in Germania

Centinaia di scienziati del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), uno dei principali centri di acceleratori di particelle, stanno compiendo ricerche pionieristiche in ambito tecnologico e sviluppando soluzioni innovative e fondamentali per dare una risposta alle questioni più urgenti dell'umanità nel campo della fisica, della chimica e della medicina.

Il centro DESY progetta, realizza e gestisce acceleratori di particelle in collaborazione con gruppi di ricerca a livello mondiale. Gli acceleratori di particelle sono alcuni degli strumenti più importanti nella moderna ricerca scientifica. Esistono diversi tipi di acceleratori di particelle, ma nella maggior parte dei casi impiegano dei campi elettromagnetici per accelerare particelle cariche ad alta velocità e incanalarle in un fascio che può essere utilizzato per condurre esperimenti in un'ampia serie di settori scientifici. I progetti precedenti caratterizzati dal coinvolgimento di DESY hanno portato alla mappatura della struttura del virus dell'influenza, all'aumento della durata di vita dei filamenti delle lampadine e al recente rilevamento dei battiti cardiaci a raggi gamma provenienti da una nuvola di gas cosmici. Inoltre, grazie agli acceleratori e ai rilevatori progettati e costruiti da DESY, sono stati raggiunti molti importanti progressi nella conoscenza delle unità di materia più piccole al momento note.

Uno dei progetti più grandi e importanti del DESY è l'European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL). Si tratta di un acceleratore di particelle in grado di generare i raggi X più potenti e luminosi al mondo. All'interno di un tunnel lungo 3,4 chilometri, che si estende da una sede del DESY a un laboratorio di ricerca nella vicina città di Schenefeld, un sistema di magneti e aspiratori accelera gli elettroni quasi alla velocità della luce per creare intensi impulsi laser a raggi X. Questi impulsi sono in grado di "fotografare", ossia creare immagini, di processi atomici che si verificano in un millesimo di secondo e quindi mostrare la struttura atomica dei virus, le reazioni chimiche delle pellicole e i materiali all'interno dei pianeti. Anche se si tratta di un impianto relativamente recente, viene già utilizzato da scienziati dei settori più diversi: dalla medicina alla chimica, dalla fisica alla scienza dei materiali, fino alle nanotecnologie, all'elettronica e all'energia elettrica.

Il DESY ha avviato la progettazione e la costruzione dell'acceleratore European XFEL grazie al sostegno del governo tedesco e di altri 11 paesi europei coinvolti nel progetto, e attualmente il centro di ricerca è gestito da una società finanziata dai dodici paesi partner. Ogni giorno, gruppi di scienziati provenienti da tutto il mondo utilizzano l'acceleratore European XFEL, in base a turni prestabiliti, per condurre ricerche. Ogni squadra ha un tempo limitato per eseguire gli esperimenti, quindi l'European XFEL deve restare in funzione quasi 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

Un ambiente di precisione

Mantenere sempre°operativa una macchina è già di per sé difficile, ma il lavoro del DESY è reso ancora più arduo dalle caratteristiche complesse dell'European XFEL. Il sistema di computer e componenti elettronici che azionano l'acceleratore deve funzionare costantemente a un ritmo preciso e al massimo dell'efficienza. I sistemi di temporizzazione svolgono un ruolo molto importante perché queste macchine raccolgono un'enorme quantità di dati: per organizzare al meglio i risultati degli esperimenti, le marcature temporali devono raggiungere la precisione di un millesimo di secondo per ciascun punto dati.

Svariati tipi di componenti elettronici, che presentano specifiche distinte, devono comunicare tra loro in tempo reale per sincronizzare complessi segnali di dati. Dato che le parti dell'acceleratore sono molto sensibili, una differenza di temperatura tra i diversi componenti o un'interferenza dovuta alle radiazioni può causare gravi problemi in un sistema regolato con estrema precisione.

Gli armadi sono una parte importante nei sistemi di accelerazione, perché contengono le schede che ospitano componenti elettronici di vitale importanza. Si tratta di elementi molti simili alle schede madri dei computer desktop. Oltre ad avere questa funzione, gli armadi assicurano la connessione dati tra una scheda e l'altra e tra le schede e l'intero sistema dell'European XFEL. Durante la costruzione dell'European XFEL, una delle questioni fondamentali era scegliere lo standard più adatto in materia di armadi. Gli standard in materia di armadi sono normative che prescrivono quali caratteristiche devono avere le soluzioni realizzate in base a uno specifico standard, a prescindere dall'azienda o al produttore. I clienti possono quindi capire più facilmente se l'armadio che stanno acquistando integra tutte le caratteristiche e le funzioni desiderate.

Una soluzione impeccabile

Per l'European XFEL, il centro DESY voleva adottare uno standard che non aveva mai utilizzato, denominato microTCA. In base alle sue specifiche, ossia funzionalità di gestione remota, ridondanza dei componenti essenziali e capacità di trasferimento dati veloce e affidabile, era la soluzione ideale per le esigenze dell'European XFEL. Tuttavia, mancavano alcune opzioni: la possibilità di collocare le schede nella parte sia anteriore che posteriore dell'armadio, nonché funzioni di temporizzazione e sincronizzazione indispensabili per il funzionamento di macchine ad alta precisione come l'European XFEL. Il DESY aveva bisogno di una soluzione del tutto nuova.

Collaborando con diversi gruppi di ricercatori e ingegneri di varie organizzazioni internazionali, DESY e il team tecnico di nVent SCHROFF hanno sviluppato le specifiche di un nuovo standard, denominato MTCA.4, che risolve le lacune dei modelli MicroTCA precedenti e mantiene allo tesso tempo le caratteristiche che hanno reso inizialmente MicroTCA un'opzione tanto interessante. Con il nuovo standard a disposizione, nVent ha prodotto 250 contenitori (armadi) MTCA.4 per il DESY e l'European XFEL. Grazie al supporto di nVent, il DESY è diventato il primo gruppo al mondo a implementare lo standard MicroTCA nel progetto di un acceleratore.

Prestazioni affidabili

I contenitori MTCA.4 consentono all'European XFEL di ottimizzare i tempi di attività e supportano l'esecuzione di importanti ricerche senza ritardi. Molti componenti essenziali dell'MTCA.4 sono ridondanti, quindi se un elemento smette di funzionare, nell'armadio è già installato un componente replicato che si attiva automaticamente. Inoltre, l'MTCA.4 integra funzionalità per la gestione da remoto. Tutte le opzioni incluse nell'MTCA.4 sono monitorate da computer remoti e molti servizi possono essere eseguiti a distanza, così che i tecnici possano effettuare la manutenzione dell'acceleratore e l'aggiornamento del software senza ripercussioni sul suo funzionamento.

I contenitori MTCA.4 ospitati dell'impianto dell'European XFEL dispongono inoltre di sistemi per la connessione ultraveloce dei dati, che consentono di leggere i punti dati in tempo reale anche se molte operazioni vengono eseguite in meno di un miliardo di secondo. In questo modo, è possibile acquisire dati precisi durante la misurazione di tali reazioni.

Inoltre, i contenitori dell'MTCA.4 hanno una schermatura ottimale contro i campi magnetici e assicurano prestazioni eccellenti di raffreddamento nelle diverse zone. L'area interna del tunnel dell'acceleratore non è un ambiente ideale per le macchine. Il fascio di raggi X emette radiazioni e calore che potrebbero danneggiare i componenti informatici più delicati. Ed è qui che sono entrati in gioco gli armadi nVent SCHROFF.

Aspetti critici e opportunità

L'European XFEL è una macchina complessa ed è stato complicato anche progettarla e realizzarla. Ci sono voluti anni per definire un nuovo standard relativo agli armadi e implementarlo nell'infrastruttura European XFEL, ma il risultato è straordinario: un acceleratore che funziona alla massima potenza.

"Era un progetto difficile che presentava diverse criticità, ma grazie al grande impegno congiunto di nVent e DESY, è andato tutto nel migliore dei modi" afferma Ralf Waldt, l'ingegnere di nVent operativo sul campo che ha collaborato con DESY.

Nei progetti come quello dell'European XFL, è normale che si verifichino ritardi durante la realizzazione, che a volte durano anni, o problemi di sincronizzazione quando la macchina diventa operativa. Ma alla fine è stato un successo fin dal primo giorno.

"L'European XFEL si è completamente affidata allo standard MTCA.4 fin dall'inizio" aggiunge Kay Rehlich, ingegnere del DESY. "Dato che tutto procedeva al meglio, siamo rimasti sbalorditi da quanto fossero veloci e affidabili le operazioni."

Il team di nVent è sempre a disposizione del DESY per prestare assistenza in caso di bisogno, garantendo un funzionamento continuo dell'acceleratore.

"È molto semplice: le soluzioni fornite da nVent sono eccellenti" dichiara Rehlich. "Non ricordo che si sia mai guastato un solo contenitore all'interno dell'impianto."

Le soluzioni nVent SCHROFF implementate nell'infrastruttura European XFEL si sono dimostrate affidabili fin dalle prime fasi del progetto. Sono state in grado di resistere a un uso continuo e di garantire l'affidabilità e la velocità di trasferimento dati necessarie per un potente laser a elettroni liberi. Grazie al funzionamento regolare e sicuro dell'European XFEL, gli scienziati possono ottimizzare i tempi di lavoro presso la struttura e concentrarsi completamente sulle attività più importanti: trovare una cura per le malattie, concepire tecnologie innovative e portare avanti la conoscenza dell'universo da parte del genere umano.