Un approccio più efficace allo sviluppo degli acceleratori di particelle
Gli acceleratori di particelle sono fondamentali per garantire la capacità dell’Europa di mantenersi all’avanguardia nella ricerca, oltre che per le applicazioni mediche e per altre industrie. Dalla radioterapia all’analisi delle opere d’arte e ai test sui materiali, gli acceleratori rappresentano la chiave della nostra capacità di innovare in diversi settori. E non ne abbiamo abbastanza: in tal ambito, vengono identificate sempre più applicazioni(si apre in una nuova finestra) e l’accesso è altamente competitivo. Lo sviluppo congiunto di un portafoglio di tecnologie avanzate destinate agli acceleratori di particelle è l’obiettivo del progetto I.FAST(si apre in una nuova finestra). «Ci eravamo prefissi di promuovere lo sviluppo di tecnologie più efficaci ed economiche che avessero un’impronta ambientale più bassa», spiega Maurizio Vretenar, coordinatore del progetto I.FAST e fisico presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare(si apre in una nuova finestra) (CERN), in Svizzera. Il progetto si è proposto di creare un ambiente favorevole allo sviluppo della prossima generazione di acceleratori, lavorando fianco a fianco con l’industria per sostenere l’evoluzione a lungo termine delle tecnologie destinate a tali dispositivi in Europa. Come afferma Vretenar: «Sebbene l’industria e i ricercatori abbiano già lavorato a stretto contatto su sfide come queste, I.FAST è stato determinante nel promuovere una cultura basata sulla fiducia e sulla collaborazione reciproca tra il mondo accademico e quello dell’industria, che consentirà di realizzare ulteriori innovazioni nel campo delle tecnologie destinate agli acceleratori di particelle.»
Massimizzare l’applicazione di processi innovativi nelle piattaforme di accelerazione
La collaborazione ha permesso di snellire il processo di sviluppo, riducendo la duplicazione degli sforzi e promuovendo l’innovazione nella comunità degli acceleratori di particelle. «Abbiamo tracciato e facilitato lo sviluppo di tecnologie innovative comuni a più piattaforme di accelerazione», osserva Vretenar. Poco meno di 50 partner, tra cui 17 aziende in qualità di partner di co-innovazione, hanno lavorato insieme allo scopo di esplorare nuovi concetti di acceleratori e prototipi avanzati di tecnologie chiave. Tali tecnologie comprendono nuove idee e progettazioni di acceleratori. «Abbiamo altresì messo a disposizione tecnologie superconduttive avanzate per magneti e cavità e nuove tecniche intese ad aumentare la luminosità delle sorgenti di luce di sincrotrone», aggiunge Vretenar. È stata realizzata e testata la deposizione di film sottili superconduttori su diversi substrati con l’obiettivo di migliorare le prestazioni e ridurre il consumo energetico dei sistemi di accelerazione. Il progetto ha sviluppato strategie e tecnologie volte a migliorare l’efficienza energetica e nuove applicazioni sociali degli acceleratori, esplorando inoltre nuove tecnologie per i futuri acceleratori, in particolare l’apprendimento automatico al fine di incrementare le prestazioni.
Sfruttare la stampa 3D per trasformare la produzione e la riparazione degli acceleratori
Una svolta è stata rappresentata dall’utilizzo della produzione additiva (AM, additive manufacturing), comunemente nota come stampa 3D. L’applicazione è un processo di trasformazione, strato per strato, che costruisce oggetti tridimensionali a partire da progetti digitali, il che risulta in contrasto con i metodi tradizionali, sottrattivi o formativi, e rende possibile una complessità geometrica senza precedenti, una riduzione dello spreco di materiale e una rapida prototipazione. Il progetto si è avvalso dell’AM per produrre una serie di strutture di accelerazione prototipo a quadrupolo a radiofrequenza (RFQ, radio frequency quadrupole) realizzate in rame puro, ovvero acceleratori specializzati e compatti, lunghi poco più di un metro, che vengono utilizzati subito dopo la sorgente di particelle per compattare il fascio e fornire il primo impulso energetico. Le strutture RFQ sono utilizzate come iniettori per grandi acceleratori e per applicazioni nel campo della medicina e dell’analisi delle opere d’arte. «In tal modo possiamo ridurre i costi e adottare geometrie più complesse, migliorando le prestazioni. La nostra innovazione potrebbe aprire la strada a nuove applicazioni per la produzione di isotopi medici o a nuove soluzioni all’avanguardia per l’analisi dei materiali e delle superfici», spiega Vretenar. Questa prima mondiale è stata oggetto di diverse pubblicazioni ed è stata presentata in occasione di varie conferenze e mostre industriali, mentre sono in corso ulteriori ottimizzazioni e caratterizzazioni dei prototipi. Altre applicazioni dell’AM sono state individuate nel campo delle sorgenti di ioni, strutture piccole e complesse da cui dipendono la qualità del fascio di particelle e la riparazione di componenti difettosi degli acceleratori. I.FAST ha costruito 13 prototipi di alto livello al fine di testare nuove tecnologie di accelerazione e ha prodotto otto relazioni che definiscono le tabelle di marcia per sviluppare le tecnologie di accelerazione critiche. «Il successo del progetto è giunto grazie al rafforzamento della collaborazione, in particolare con l’industria, in un ambiente di innovazione aperta. Dietro ogni tecnologia ci sono le persone, e il nostro successo si deve in gran parte al nostro team multidisciplinare e alle relazioni che abbiamo costruito.»