CERN, moltiplicatore di tecnologia
Posted on November 27, 2007
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[Pubblicato su Monthly/Finanza e Mercati di settembre]
Q. LHC, il nuovo acceleratore di particelle del CERN, il laboratorio europeo per la fisica nucleare, produrrà quasi 500 miliardi di minuscole esplosioni nucleari al secondo. I protoni (i costituenti del nucleo atomico) vengono accelerati lungo due traiettorie circolari di 27 km, in senso opposto. La loro velocita` si avvicina asintoticamente a quella della luce, e quando hanno accumulato l’energia alla quale i fisici pensano di poter vedere qualcosa di interessante…. vengono fatti scontrare l’uno contro l’altro. Si crea un blob di energia, che immediatamente decade producendo particelle conosciute e — si spera — sconosciute.
Le macchine del Cern sono sempre state pensate con l’obbiettivo di strappare alla Natura informazioni sull’infinitamente piccolo. Ma sono anche sempre state una delle sfide tecnologiche più avanzate che l’industria, principalmente europea, si sia mai vista porre.
Gli esperimenti del CERN hanno come primo scopo quello di investigare la natura, ma — a volte anche casualmente — hanno una ripercussione immediata sulla società. L’esempio più famoso è il World Wide Web, creato nel laboratorio alla fine degli anni 80 affinché diversi gruppi di ricerca potessero condividere più facilmente le informazioni. Ma c’è altro. Pannelli solari ad alta efficienza sono stati costruiti grazie alle tecniche sviluppate per produrre il vuoto spinto degli acceleratori. In medicina, nuovi tipi di radiografia a basso dosaggio sfruttano le tecniche dei rivelatori di particelle elementari. Per la cura dei tumori, vengono utilizzati acceleratori di particelle che distruggono la massa tumorale — un esempio il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica di Pavia.
C’è anche un altro aspetto da considerare quando si pensa a progetti come quello di LHC, il Large Hadron Collider. La quasi totalità dei fondi del CERN negli ultimi anni è stata reinvestita in industrie che dovevano sviluppare prodotti per il nuovo acceleratore. Dopo centinaia di milioni di euro in R&D, ora quasi tutti i macchinari sono al loro posto nel tunnel di 27 km alle porte di Ginevra. Gli strumenti che accelereranno i protoni con campi elettromagnetici ad alta frequenza, i magneti che ne determineranno la traiettoria, più altre amenità varie.
I magneti sono considerati un importante punto di arrivo per la tecnologia degli acceleratori di particelle, e proprio per questo sono stati centrali nella rapporto tra il CERN e le industrie. Alcuni dati tecnici bastano per far capire le difficoltà di realizzazione. Producono un campo di 9 tesla, 100.000 volte quello terrestre. Sono lunghi 15 metri ognuno. Usano cavi superconduttori, raffreddati a 1,9 gradi sopra lo zero assoluto. Per scendere a queste temperature si usano 130 tonnellate di elio, che liquefatto e superfluido si insinua al loro interno mandenendone la temperatura desiderata. E sono più di mille e duecento.
La loro produzione ha richiesto uno sforzo enorme non solo a tutta la comunità scientifica, ma anche all’industria. Non è possibile pensare che tutto questo potesse essere costruito usando solo la forza lavoro della ricerca. Il CERN si è così rivolto alle industrie chiedendo prodotti che il mercato non aveva mai nemmeno immaginato. Agendo da stimolo, obbligando le aziende a fare R&D, e a mantenere uno standard di qualità elevatissimo.
I magneti hanno richiesto l’utilizzo di tre tecnologie che, sviluppate dal mondo della ricerca pochi decenni fa, sono ora tecnologie industriali. Ma le hanno spinte all’estremo. L’utilizzo di leghe superconduttrici, ossia a resistenza elettrica nulla; la criogenia, ossia la capacità di raffreddare l’ambiente alle temperature più basse permesse dalla natura; e le tecniche di vuoto, in cui un volume viene letteralmente svuotato da ogni molecola.
“Saper costruire un magnete superconduttore oggi è un po’ come saper costruire un generatore elettrico all’epoca di Edison. È l’elettrotecnica del futuro”, dice Lucio Rossi, responsabile della progettazione e costruzione dei 1200 magneti di LHC. “Per noi sono le curve paraboliche delle particelle. Applicando un forte campo magnetico, i protoni curvano e seguono una traiettoria circolare”.
Tra i vari problemi, c’è quello che il campo magnetico tende a deformare i magneti stessi, che vengono sottoposti ad una forza di 500 tonnelate per metro. Quindi ogni componente si deve incastrare perfettamente nell’altro in modo da evitare ogni deformazione. “Tutto deve essere lavorato con una precisione da 20 a 30 micron (millesimi di millimetri). Basta che le bobine non abbiano esattamente la forma progettata, che un pezzo abbia una sporgenza di un decimo di millimetro, e il magnete rischia di essere instabile e perdere il fascio di particelle”, spiega Rossi. Il fascio di particelle è talmente energetico che, se “perso”, uscendo dal tubo a vuoto distruggerebbe il magnete. “E sostituire un magnete costa 600.000 euro e un mese di interruzione. Non possiamo permettercelo. Ci siamo riusciti anche grazie ad una ditta relativamente piccola di Cinisello Balsamo, la Malvestiti, che è stata in grado di produrre la maggior parte dei pezzi, diventando un punto di riferimento europeo per i lavori di ‘tranciatura fine’.”
Steve Myers, responsabile della sezione acceleratori del CERN, è stato uno dei partecipanti al brain storming del 1983 in cui si delineò il progetto LHC. Uno che negli ultimi 25 anni ha seguito il progetto passo passo. Myers si agita sulla sedia mentre ascolta la prima domanda. “Certo — esclama — tutto questo non esisterebbe se non ci fosse un vero lavoro di équipe tra la ricerca e l’industria. Spesso ingegneri e fisici del CERN passano un certo periodo nell’industria per cercare di risolvere problemi di realizzazione degli apparati. Altre volte sono gli ingegneri delle industrie che vengono qui per le installazioni.”
All’inizio si pensava di potere comprare i magneti chiavi in mano, ma ci si è presto resi conto che la cosa non era possibile. “I problemi relativi alla progettazione dei magneti erano troppo complessi. Una buona parte dell’R&D è stato fatto al CERN. Quindi, le industrie hanno realizzato i prototipi con la collaborazione di vari centri di ricerca. Noi, soli, non potremmo concretizzare simili progetti, loro spesso non hanno neanche sentito parlare dei problemi tecnologici che noi dobbiamo risolvere.”
Lyn Evans, un altro padre di LHC, adesso a capo di tutto il progetto, spiega che i paesi che hanno partecipato di più dal punto di vista industriale sono Francia, Germania e Italia. Per i dipoli, le ditte a cui era stato affidato l’assemblaggio del prodotto finale sono state tre, una per ogni paese. Rispettivamente: Alstom-Jeumont, Noell e ASG Superconductors
Manca la Gran Bretagna. “Il Regno Unito — spiega — ha abbandonato completamente il settore manufatturiero. Anche ad alta tecnologia. Il paradosso sono i cavi superconduttori. Sono stati sviluppati da una ditta inglese, la Imperial Metal Industries, che però ha poi passato la produzione ad altri”. Rossi rincara: “Il Regno Unito, dal punto di vista della ricerca, è fortemente coinvolto nel progetto. Ma l’economia britannica sembra più interessata nel fornire servizi che prodotti tangibili”.
Un recente studio ha mostrato che nel periodo 1997-2001, quello di massimo R&D per LHC, circa 600 industrie hanno ricevuto ordini per sviluppare componenti ad alto contenuto tecnologico. Per queste commissioni il CERN ha speso 740 milioni di euro, su un totale di 1,3 miliardi. Le gare di appalto tengono conto del fatto che ogni paese vorrebbe vedere rientrare parte di quanto spende per il mantenimento del CERN. Quindi nelle aste si escludono i costi di spedizione per non avvantaggiare le imprese con sede vicino al laboratorio. In più si cerca di investire in ogni paese la stessa frazione dei suoi contributi ai costi del CERN. Uno stato che partecipa ai costi del CERN vedrà circa la metà dei suoi investimenti ritornare sotto forma di commissioni alle sue industrie, obbligandole ad investire in R&D e a fornire prodotti di alta qualità.
Nonostante i contributi di Giappone, USA, India e altri, il CERN rimane strettamente europeo. Le tre aziende che hanno prodotto i dipoli si sono ora riunite in un consorzio per poter costruire il magnete di ITER, un progetto mondiale ma basato in Europa, appena lanciato per la costruzione del primo reattore a fusione nucleare per la produzione di energia. Un progetto a medio termine (circa dieci anni) ma che potrebbe permettere di avere energia con pochi elementi comuni, come l’acqua.
L’Europa aveva perso il primato sul nucleare settant’anni fa, con l’arrivo dei sistemi totalitari e la seconda guerra mondiale. I successi del CERN, e i continui tagli alla fisica nucleare degli USA negli ultimi dieci anni, hanno nuovamente spostato il baricentro verso il vecchio continente. LHC potrà — è ciò che sperano tutti i fisici — modificare radicalmente la nostra visione della Natura producendo fenomeni inaspettati. Oppure, più prosaicamente, potrà confermare i modelli attuali. Se tutto va bene, tra meno di un anno, gli sforzi congiunti di ricerca fondamentale ed industria inizieranno a fornire le prime risposte.
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