Progressi nel mondo delle nanotecnologie

Istituto Paul Scherrer: la Nussbaum per il nuovo laser a elettroni SwissFEL


Per raggiungere le particelle fisiche più piccole del mondo sono necessarie apparecchiature ad alta tecnologia di dimensioni enormi. In Svizzera, l’esempio più recente è il grande impianto di ricerca SwissFEL (laser a elettroni liberi a raggi X) in costruzione presso l’Istituto Paul Scherrer di Villigen. L’infrastruttura tecnica, che include anche componenti del sistema Optipress, è impressionante. Nonostante i suoi 740 metri di lunghezza, l’impianto si inserisce con discrezione nel paesaggio.

Testo: Andreas Stettler, Olten / Foto: Roland Spring, Oberburg


Il progetto in sintesi
•    Istituto Paul Scherrer, Villigen; nuova costruzione del laser a elettroni liberi a raggi X (SwissFEL)
•    Superficie: 16’900 m2
•    Volume: 89’600 m3
•    Messa in servizio: graduale, a partire dall’estate 2016
•    Volume di investimento: circa CHF 275 milioni

Sistemi Nussbaum utilizzati
•    Tubi Optipress, acciaio inossidabile, dimensioni 15 – 88,9 (2’700 m), incl. pezzi speciali, rubinetteria e riduttori di pressione
•    Optipress-Therm, acciaio zincato, dimensioni 15 – 54

Partecipanti ai lavori di costruzione
•    Committente: Istituto Paul Scherrer, Villigen
•    Impresa generale: consorzio EquiFEL Suisse / direzione: Alpiq Infra AG
•    Infrastruttura: consorzio SwissFEL-InTec c/o Alpiq InTec Ost AG
•    Progettazione idrosanitaria: ahochn AG, Dübendorf
•    Installazioni sanitarie: Alpiq InTec Ost AG, Winterthur



La nuova costruzione di due piani per lo SwissFEL è così perfettamente integrata nel bosco adiacente alla sede principale del PSI da risultare quasi invisibile ai passanti. La parte esterna della struttura – che per il resto si sviluppa prevalentemente sottoterra – coniuga un aspetto poco appariscente a funzionalità straordinarie. Attualmente, al mondo esistono solo due impianti di ricerca di questo tipo e altri tre sono in costruzione. Durante la fase di progettazione e costruzione dello SwissFEL, gli scienziati di tutto il mondo si mantengono in costante contatto. E gli scambi proseguiranno, con l’obiettivo di organizzare esperimenti comuni o di ricevere informazioni sui risultati delle ricerche.

Nuove opportunità    
Il laser a elettroni liberi SwissFEL genera brevi impulsi di luce a raggi X dotati delle caratteristiche tipiche della luce laser. Ciò permette ai ricercatori di rilevare processi estremamente rapidi, come ad esempio la formazione di molecole, e di penetrare nei segreti della natura fino a livelli impensabili con i metodi oggi a disposizione, aprendo le porte a svariate opportunità quali, ad esempio, l’ottimizzazione dei processi dell’industria chimica, lo sviluppo di nuovi materiali per componenti elettronici sempre più miniaturizzati, la produzione di nuovi farmaci e lo studio di fonti di energia alternative. Lo SwissFEL si rivelerà un utile strumento per altri centri di ricerca, le università e l’industria.

Optipress garantisce condizioni ottimali
Il funzionamento impeccabile di un impianto ad alta tecnologia così complesso e costoso può essere garantito solo da condizioni quadro assolutamente perfette. Ad esempio, nella zona del bosco di Würenlingen le vibrazioni sismiche sono quasi assenti. Inoltre, le variazioni della temperatura ambiente nel tunnel del raggio non devono superare il limite di 0,2 K e a ciò contribuiscono anche numerose valvole di regolazione pneumatiche, controllate mediante aria compressa tramite tubi Optipress-Aquaplus e oltre 30 riduttori di pressione (DRV). Il numero elevato di riduttori consente un azionamento estremamente preciso dei monoblocchi, a garanzia di una temperatura ambiente molto costante.

L’elevatissimo livello di precisione nella costruzione dell’impianto laser è un primato dell’ingegneria, così come il circuito di refrigerazione lo è per la tecnologia idrosanitaria. L’acqua necessaria, precedentemente addolcita, viene osmotizzata in un impianto di depurazione e distribuzione. A questo punto, con soli 10 microsiemens, l’acqua ha praticamente perso qualunque capacità di conduzione e quindi non è più in grado di arrecare disturbo ai processi estremamente delicati che si verificano all’interno del tunnel. Inoltre, le condotte di degasaggio ne garantiscono la stabilità chimica. Proprio come l’acqua potabile e sanitaria per servizi, docce e bagni, anche questa viene trasportata in tubi Optipress, pezzi da pressare Optipress (tipo A) e rubinetteria in acciaio inossidabile della Nussbaum.

Aria compressa per le valvole
Per le numerose valvole del circuito di refrigerazione si sarebbe potuto optare per un azionamento elettrico. Ma anche per un progetto ad alta tecnologia così rinomato non è possibile ignorare l’aspetto economico. La tecnologia ad aria compressa, rivelatasi la variante più economica, consente l’uso di valvole a pistone di dimensioni ridotte. La conduttura di distribuzione Optipress (dim. 76,1 e 88,9) si sviluppa su entrambi i piani, per una lunghezza superiore a 1,5 chilometri. Una tubazione di tali dimensioni da utilizzare in un contesto così impegnativo deve soddisfare requisiti rigorosissimi. Per questo motivo, gli installatori hanno effettuato la prova di pressione a 15 bar, sebbene per l’esercizio in condizioni normali siano previsti 6 bar. Il risultato ha impressionato perfino Armin Scheidegger, uno dei responsabili di progetto di Alpiq InTec. «Il nostro personale ha eseguito alla perfezione ciascun collegamento realizzato con pezzi speciali Optipress», è il commento ammirato di Scheidegger per il lavoro svolto dai propri colleghi. «In quest’ambito è necessario curare ogni singolo dettaglio, come ad esempio il rispetto coerente e preciso della profondità d’innesto». Per rendere accessibili valvole e stazioni di lavoro – ad esempio per la pulizia dei componenti d’impianto – sono stati montati oltre 130 stacchi (dim. 42). L’aria compressa serve anche a manovrare un veicolo su cuscino d’aria per il trasporto degli elementi di macchinari pesanti 18 tonnellate destinati al tunnel dei raggi.


L’Istituto Paul Scherrer (PSI) in breve
Il PSI è il più importante istituto di ricerca svizzero per le scienze naturali e ingegneristiche. Le attività di ricerca si concentrano su tre temi fondamentali: materia e materiale, energia e ambiente, uomo e salute. Il PSI sviluppa, costruisce e gestisce complesse strutture di ricerca di grandi dimensioni. Ogni anno, oltre 2’500 scienziati provenienti dalla Svizzera e da tutto il mondo visitano il PSI per svolgere su impianti unici esperimenti impossibili altrove.

Il PSI ha un organico di 2’000 persone e gestisce un budget annuale di circa 370 milioni di franchi. Il centro, prevalentemente finanziato dalla Confederazione Svizzera, fa parte del settore ETH, che comprende anche l’ETH di Zurigo e l’EPFL di Losanna, nonché gli istituti di ricerca Eawag, Empa e WSL. L’istituto è situato nel Canton Argovia e si estende sul territorio dei comuni di Villigen e Würenlingen, sulle due rive dell’Aare.