Ricerca sulla quantistica e lo spazio-tempo

Istituto di Hannover per la Tecnologia - Schizzo (© Jörg Stanzick)

Sezione 3D del laboratorio

Sezione 3D dell'ascensore di Einstein

Albert Borucki - Carpus+Partner

Il futuristico edificio di laboratorio HITec presso l'Università di Leibniz Hannover offre spazio per la ricerca interdisciplinare ai massimi livelli. Aria di sala bianca priva di turbolenze, stabilità assoluta della temperatura su più piani, nonché requisiti elevati per l'isolamento dalle vibrazioni – spesso simultaneamente – hanno rappresentato grandi sfide per architetti, pianificatori di sale bianche e specialisti di impianti tecnici.

Ricercatori e istituti del cluster di eccellenza QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) presso l'Università di Leibniz Hannover sono leader mondiali nel campo dell'ingegneria quantistica e della ricerca sullo spazio-tempo. Gli scienziati qui sviluppano, ad esempio, strumenti di misurazione laser che registrano variazioni di lunghezza di frazioni di un nucleo atomico, studiano con sensori di misurazione ad alta precisione il campo gravitazionale terrestre o verificano la teoria della relatività di Einstein tramite misurazioni laser sulla Luna.

Per migliorare ulteriormente le condizioni di ricerca a Hannover e consolidare il livello internazionale di eccellenza, è attualmente in costruzione il modernissimo Hannover Institute for Technology – abbreviato HITec. Adiacente agli edifici esistenti nel campus universitario di Callinstraße/Appelstraße, rappresenta un'infrastruttura di ricerca all'avanguardia che – per la prima volta in Europa – combina ricerca di base, ricerca applicata e sviluppo tecnologico sotto un unico tetto interdisciplinare. Fino a 120 scienziati, provenienti da settori quali fisica quantistica, fisica della materia condensata, geodesia, sviluppo laser e tecnologia spaziale, lavoreranno qui insieme.

Nel nuovo edificio a due piani, parzialmente seminterrato, si trovano esclusivamente laboratori di fisica, dove vengono sviluppati, realizzati e testati strumenti ottici, oltre ad alcune delle più potenti apparecchiature di ricerca in Europa e nel mondo: ad esempio, un impianto di fibra ottica altamente specializzato per equipaggiamenti spaziali su tre piani, una cosiddetta fontana di atomi, in cui vengono misurati con precisione i percorsi di atomi, e – come punto forte per gli scienziati – l'Einstein-Elevator, un simulatore di caduta libera per esperimenti in microgravità. Questo si trova in una torre di 40 metri di altezza posizionata accanto all'edificio.

“Gli scienziati di Hannover necessitano di un ambiente di sala bianca privo di particelle e con la massima stabilità di temperatura per i loro complessi impianti ottici e strutture. Tuttavia, la TGA (impianto tecnico di edificio) necessaria a tale scopo avrebbe, a causa delle vibrazioni generate dagli impianti di ventilazione o dalle pompe, influenzato gli esperimenti. A ciò si aggiungono gli impulsi di disturbo generati dal simulatore di caduta libera”, spiega Albert Borucki, responsabile di progetto presso lo studio di architettura e pianificazione Carpus+Partner, incaricato della realizzazione del HITec, evidenziando la sfida nella realizzazione.

Anche le grandi apparecchiature scientifiche, alcune delle quali devono essere ospitate nei laboratori, hanno rappresentato compiti difficili per i pianificatori. Ad esempio, il già menzionato impianto di trazione di dodici metri di altezza per fibre ottiche speciali, utilizzato per la produzione di fibre laser attive per applicazioni spaziali. È assolutamente necessario evitare l'introduzione di particelle, poiché influenzerebbero negativamente le proprietà ottiche delle fibre e le renderebbero inutilizzabili. “Pertanto, l'impianto è collocato in un ambiente di sala bianca di classe 7 secondo EN ISO14644-1, che si estende su tre piani”, afferma Borucki.

Non è un compito facile: l'aria deve essere introdotta su più livelli nello spazio, altrimenti le variazioni di temperatura comprometterebbero la qualità delle fibre cave. “Tuttavia, non devono verificarsi alte velocità di flusso. Le fibre verrebbero eccitate a vibrare e danneggiate”, aggiunge Bernd Weiskopf, responsabile di progetto presso l'ingegneria Wolf + Weiskopf, incaricata di ventilazione e raffreddamento. “Per raggiungere comunque le quantità di aria necessarie, l'apporto avviene tramite bocchette d'aria tessili disposte a cerchio intorno all'impianto. L'aria scorre attraverso tubi tessili microperforati e fuoriesce senza turbolenze e in modo uniforme su tutta la superficie.”

Per proteggere i laboratori dalle vibrazioni generate, ad esempio, dagli impianti di ventilazione, di raffreddamento o dai compressori, i pianificatori li hanno collocati in modo isolato da vibrazioni in due punti: per sistemi che richiedono una vicinanza spaziale all'applicazione, il HITec dispone di una dorsale tecnica centrale che si estende lungo tutta la lunghezza dell'edificio e che è facilmente accessibile da ogni laboratorio. In essa sono installati i sistemi su supporti in elastomero. Le strutture principali dell'impianto TGA, invece, si trovano nel cosiddetto “technique backpack”, completamente staccato dal laboratorio dal punto di vista delle vibrazioni. Qui si trova anche l'ascensore per carichi pesanti, necessario per il trasporto di strumenti di ricerca pesanti alle apparecchiature di misurazione sul tetto dell'edificio. In questo modo, i laboratori sono protetti anche dalle vibrazioni generate durante le operazioni di salita e discesa.

Anche il torre di 40 metri, separato dalla struttura principale, ospita il simulatore di caduta libera per la ricerca di base nel campo della fisica quantistica – chiamato Einstein-Elevator. A differenza delle tradizionali camere a caduta, di cui nel mondo ne esistono meno di dieci di questa portata, al suo interno si trova una cabina che può essere accelerata e decelerata verticalmente tramite tre motori lineari elettromagnetici. Grazie a questo sistema di propulsione, è possibile condurre esperimenti di durata superiore a qualche secondo in microgravità, nonché simulare condizioni di attrazione gravitazionale come quelle presenti sulla Luna o su Marte.

All’interno della cabina, non si verificano condizioni di sala bianca, ma essa può essere riempita con gas di protezione o evacuata per creare un vuoto, a seconda delle esigenze degli esperimenti. Anche questa differisce da altri sistemi di caduta, in cui l’intera torre deve essere evacuata per eliminare la resistenza dell’aria. In questo modo, sono possibili fino a 100 esperimenti al giorno – un incremento considerevole rispetto al numero normalmente consentito.

Durante la progettazione della torre per l'Einstein-Elevator, sono emerse due sfide per l'architetto e gli ingegneri: innanzitutto, deve essere garantita una temperatura costante lungo l'intera altezza di quasi quaranta metri, affinché la guida di alta precisione della cabina non si deformi. Altrimenti, potrebbe bloccare l'ascensore e danneggiare i sistemi di propulsione. Anche in questo caso, sono presenti condotte d'aria su più livelli.

“Ma soprattutto, i processi di accelerazione e decelerazione generano impulsi che si trasmetterebbero come vibrazioni alle sale di laboratorio”, spiega Borucki. “Per questo, la torre e la sala di controllo e preparazione degli esperimenti sono completamente isolate dalle vibrazioni tramite una fessura di separazione. Le due stanze si trovano, come circa un terzo della torre, sotto il livello del suolo e sono accessibili tramite il piano interrato del HITec.”

Nel sottosuolo, così come nell’area del piano terra non seminterrato, si trovano anche i laboratori di sala bianca con il massimo isolamento dalle vibrazioni. Rispondono ai criteri VC-E, cioè il livello di vibrazione consentito è di soli 3,1 μm/s. Per confronto: la soglia di percezione umana si aggira intorno ai 100 μm/s. Le stanze dotate di camere di accesso e docce d’aria corrispondono alla classe ISO 5-7. Qui vengono prodotti, tra l’altro, i preforme per l’impianto di fibre ottiche. È inoltre disponibile un laboratorio criogenico per esperimenti a basse temperature. L'apporto d'aria avviene tramite unità a flusso laminare. Un criterio fondamentale nella progettazione dei laboratori laser e ottici è l'eliminazione della luce diurna e la protezione dal rischio di emissione di raggi laser nell'ambiente. Per questo, gli architetti di Carpus+Partner hanno disposto i laboratori in modo che siano schermati da un corridoio perimetrale, isolato anche dall'esterno. Le loro porte di accesso possono essere aperte solo dal corridoio, che circonda completamente i laboratori. Questo corridoio funge anche da buffer per mantenere stabile la temperatura nelle stanze.

L'accesso al HITec avviene tramite un ponte che collega il nuovo edificio di laboratorio a una struttura esistente, dove sono ospitati ulteriori spazi di ricerca, uffici e aree di comunicazione. La connessione diretta tra gli edifici, con percorsi brevi, favorisce lo scambio interdisciplinare tra i gruppi di ricerca.

“I laboratori, gli ambienti di prova e le grandi apparecchiature previste dall'istituto non esistono in questa qualità e concentrazione né in istituzioni di ricerca tedesche né internazionali”, afferma il Prof. Dr. Ertmer, responsabile del settore di ottica atomica e sensori quantistici presso l'Istituto di Ottica Quantistica e vicepresidente della Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). “Con questa nuova struttura di ricerca, facciamo un passo avanti deciso nel nostro impegno non solo di consolidare l'Università di Leibniz, ma anche di elevare l'intera sede di ricerca di Hannover a livello internazionale nel campo della fisica quantistica, delle tecnologie ottiche e della geodesia”, aggiunge il Prof. Dr.-Ing. Erich Barke, presidente dell'Università di Leibniz.

Altri pianificatori specializzati coinvolti:
- Ingegneri consulenti EHS per l'edilizia GmbH
- Studio di ingegneria Wolf + Weiskopf GmbH
- IKL + Partner Ingenieurgesellschaft mbH
- Raible + Partner GmbH & Co. KG
- m+p consulting Nord GmbH / IKM Ing. Büro / Möller + Partner PartG