Provate a pensare cosa possono avere in comune la navigazione astronomica e la navigazione satellitare. La risposta è: localizzare una posizione con la massima precisione.
E provate ancora ad immaginare, solo vent’anni fa, senza l’ausilio della navigazione satellitare, come si trovava la posizione di una nave in mare aperto e senza punti di riferimento. Erano necessari almeno venti minuti di tempo per trovare il cosiddetto “punto nave”, attraverso vari calcoli e il rilevamento delle rette d’altezza di quattro astri rispetto all’orizzonte, possibilmente a 90° tra loro, si determinava così la posizione della nave con una approssimazione da 1 a 2 miglia nautiche mentre, oggi, grazie alla navigazione satellitare, la precisione della posizione ha un’incertezza di appena 30cm ed è immediata! Fin dai tempi di John Harrison, il famoso orologiaio che, nel 1761, inventò il cronometro marino, la chiave per conoscere la propria posizione è sapere esattamente: che ora è?
L’avventura Leonardo inizia nel 1999 quando l’ESA (European Space Agency) decise di dotare i satelliti Galileo con degli orologi atomici di nuova generazione. Ma la principale sfida per Leonardo, oltre alla costruzione dell’orologio all’idrogeno, era quella di renderlo adatto al volo spaziale. In altri termini, l’orologio, doveva essere progettato per resistere alle forti sollecitazioni meccaniche della fase di lancio mentre, nello spazio, doveva resistere al bombardamento delle radiazioni cosmiche presenti fuori dall’atmosfera, in grado di danneggiare i componenti elettronici. Nel 2005, il primo orologio atomico a idrogeno di Leonardo supera tutti i test e, nel 2008, viene lanciato per la prima volta a bordo del sistema Giove B, il primo satellite sperimentale di Galileo. A seguito del successo riportato da Giove B, la Comunità Europea decise di finanziare lo sviluppo del sistema di navigazione Galileo. Il Passive Hydrogen Maser (PHM) installato a bordo dei satelliti Galileo è realizzato da Leonardo nello stabilimento di Nerviano e, ad oggi, è il più stabile e preciso orologio atomico mai realizzato per applicazioni spaziali.
La costellazione di Galileo si compone di 30 satelliti in orbita MEO (Medium Earth Orbit). Progettati per lavorare nello spazio per 12 anni, gli orologi atomici all’idrogeno rappresentano il vero cuore della costellazione Galileo, garantendo il corretto funzionamento del sistema. Con un errore di 1 secondo ogni 3 milioni di anni, l’orologio atomico pesa 18Kg e consuma 60W/h, ossia come una normale lampadina ad incandescenza che tutti noi abbiamo in casa.
Ma cos’è un orologio atomico e come funziona?
L'orologio atomico è un tipo di orologio in cui la base del tempo è determinata dalla frequenza di risonanza di un atomo, che genera un segnale periodico di frequenza estremamente stabile e affidabile. Nel dettaglio, il PHM di Leonardo sfrutta l’effetto “MASER” (Microwave Amplification by Stimulated Emitted Radiation). All'interno dell’orologio atomico troviamo 2 elementi fondamentali: un oscillatore e il risonatore atomico che agisce da discriminatore di frequenza. L’oscillatore, serve a produrre “il tic tac” dell’orologio e, allo stesso tempo, genera un’onda elettromagnetica che viene inviata al risonatore atomico. Semplificando, potremmo dire che questa operazione è comparabile all’accordatura di una chitarra con il diapason. Dove, la chitarra è l’equivalente dell’oscillatore mentre, il diapason, è l’equivalente del risonatore atomico.
Nel prossimo futuro avremo bisogno di orologi sempre più performanti, compatti e precisi, non solo per la navigazione satellitare ma anche per la navigazione autonoma di veicoli di esplorazione dello spazio profondo o magari per la conquista di Marte nel 2030. Per questo Leonardo sta già lavorando all’evoluzione dell’orologio di cui è dotato Galileo attualmente e precisamente sulla miniaturizzazione del MASER a idrogeno, di cui si è riusciti a ridurre del 22% il volume dell’orologio, del 34% la massa e del 35% i consumi di potenza con la stessa stabilità del modello che vola su Galileo.
Qual è il futuro dell’orologio atomico?
Leonardo, in collaborazione con l’INRIM di Torino (Istituto Italiano di Ricerca in Metrologia) sta sviluppando un progetto avveniristico, un orologio ad atomi di Rubidio denominato “Rb POP (Pulsed Optically Pumped)”. Per questo nuovo progetto, Leonardo ha acquisito anche il know-how per lo sviluppo dell’unità fisica, oltre all’unità elettronica e all’unità ottica, cuore degli orologi atomici, rendendo il Rubidium POP un orologio interamente prodotto da Leonardo e totalmente “made in Italy”. L’unità fisica di questo nuovo orologio ha superato con successo tutti i test di qualifica per lo spazio e ha dimostrato prestazioni decisamente incoraggianti e affidabili. Attualmente Leonardo ha completato lo sviluppo dell’unità fisica dell’orologio e si appresta a sviluppare la parte ottica ed elettronica, completando così lo sviluppo dell’intero orologio.
Ma a cosa serve così tanta precisione e perché?
Nei sistemi di navigazione satellitare come Galileo o l’americano GPS (Global Positioning System) la misura del tempo ha un ruolo fondamentale. Poiché i segnali si propagano alla velocità della luce, un errore sul tempo di volo di 1 solo milionesimo di secondo implicherebbe un errore di posizionamento a terra di ben 300 metri! Ecco perché la precisione degli orologi è fondamentale per la determinazione della localizzazione. Ma non solo. Pensiamo, ad esempio, a tutte le applicazioni che utilizziamo per ricercare un luogo o una posizione attraverso Google Maps. Con il progresso tecnologico, la necessità di avere orologi sempre più precisi e stabili è diventata una priorità assoluta, anche nella vita di tutti i giorni.
Il programma Galileo
Galileo, il sistema europeo di navigazione e localizzazione satellitare, è interoperabile con il sistema di navigazione satellitare statunitense GPS e con il sistema russo GLONASS. In particolare, Galileo garantirà sia servizi di posizionamento e navigazione accessibili a tutti gratuitamente, sia servizi ad hoc per applicazioni specifiche, come la sicurezza del trasporto aereo, marittimo e ferroviario, i settori bancario, energetico, assicurativo, delle telecomunicazioni, del turismo e agricolo.