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Il progetto, inaugurato nel Settembre del 2018, ha come obiettivo la costruzione di una colonna di distillazione per la produzione di isotopi stabili che trovano utilità in diversi ambiti di ricerca e applicazione. In particolare, uno di questi componenti, l’Argon-40, permetterà lo sviluppo di un’innovativa tecnica per la ricerca della materia oscura presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN nell’esperimento DarkSide. 

Quasi un secolo di osservazioni astronomiche hanno mostrato che la materia ordinaria e visibile costituisce solo una piccola frazione dell’universo. Esso risulta invece formato per la maggior parte da una componente di materia non visibile, detta materia oscura, e da una componente misteriosa di energia, detta energia oscura. 

La materia oscura costituisce circa il 25% del contenuto del nostro universo e la prova indiretta della sua esistenza è legata all’attrazione gravitazionale che essa esercita sulle stelle all’interno delle galassie o sulla sua influenza nella dinamica (gravitazionale) tra le galassie stesse. 
La peculiarità di questa misteriosa forma di materia è la sua invisibilità ai nostri telescopi, in quanto non emette luce (“oscura” ndr). Tutto ciò rende complicata la sua rivelazione diretta. 

Tutti gli esperimenti per la rivelazione diretta della materia oscura cercano di rivelare gli urti delle particelle di materia oscura sui nuclei del materiale-bersaglio del rivelatore.  
È in questa fase che entra in gioco il progetto ARIA che ha come obbiettivo quello di ottenere l’Argon-40 in forma estremamente pura, elemento chimico particolarmente stabile usato come materiale-bersaglio nell’esperimento DarkSide-20k. 

Nuraxi Figus: un sito ideale

L’infrastruttura per la produzione dell’Argon e degli altri elementi consisterà in una torre criogenica di distillazione alta 350 metri, che sarà installata nel Pozzo 1 dell’area di Seruci, Gonnesa (Carbonia).
La torre sarà costituita da 30 moduli collaudati al CERN, e poi trasportati nei cantieri di Nuraxi Figus.

Il primo prototipo, alto circa 26 metri, è già stato assemblato ed è entrato in funzione nell’estate del 2019. I moduli, assemblati in superficie per i primi test verranno successivamente installati all’interno del pozzo 1.

L’altezza e il diametro dei pozzi, la loro configurazione, con accessi multipli e sistemi di sicurezza integrati e, soprattutto, la disponibilità di una strada camionabile dalla superficie fino alla profondità di 500 metri, rappresentano condizioni ideali per l’installazione in sicurezza di un impianto che avrà dimensioni uniche al mondo.

Distillare l’Argon, si può!

La distillazione criogenica è il metodo più efficace per la produzione di isotopi stabili. In particolare, l’obbiettivo è quello di ottenere la purificazione dell’Argon-40, inizialmente prodotto dall’impianto Urania, in Colorado, USA, e trasportato in Sardegna per la sua ulteriore lavorazione. 

L’Argon è un componente gassoso presente nell’atmosfera e costituisce circa l’1% del suo volume totale. Quando i raggi cosmici colpiscono gli atomi di Argon nell’atmosfera, vengono prodotti vari isotopi e in varie concentrazioni (ricordiamo che gli isotopi di un elemento chimico sono atomi dello stesso elemento che differiscono solo per il numero di neutroni nel loro nucleo). In particolare, tra questi, viene prodotto l’Argon-39.
Quest ultimo, a differenza dell’Argon-40 che è stabile, decade attraverso processi radioattivi con tempi di dimezzamento dell’ordine del centinaio di anni. È presente solo in tracce nell’atmosfera (meno di un decimo di milionesimo di milionesimo del volume totale dell’atmosfera) e nell’aria che respiriamo.

La radioattività naturale di questo isotopo, che non rappresenta alcun pericolo per la salute dell’uomo, diventa però un problema negli esperimenti per la ricerca della materia oscura, dove si cerca di eliminare ogni fattore che possa inficiare le misure. In particolare nell’esperimento DarkSide, si cercano collisioni rare tra particelle che costituiscono la materia oscura e i nuclei degli atomi dell’Argon-40. L‘Argon-40 viene infatti utilizzato per la sua grande stabilità come mezzo per le collisioni e diventa necessario ottenerlo in grandi quantità e al massimo della purezza attraverso processi di distillazione, in modo tale da eliminare qualsiasi contaminazione derivata da ulteriori particelle dovute, ad esempio, ai decadimenti dell’Argon-39.

La sfida tecnologica del progetto è perciò quella di realizzare la più alta colonna di distillazione criogenica al mondo capare di purificare l’Argon-40 come richiesto dalle specifiche della collaborazione DarkSide-20k, nonché attuare una produzione massiva di isotopi stabili che trovano applicazioni dalla medicina, alla ricerca fondamentale nel campo della fisica delle particelle. 

DarkSide e la ricerca di materia oscura ai Laboratori INFN del Gran Sasso

I Laboratori del Gran Sasso sono all’avanguardia mondiale nella ricerca diretta della materia oscura: vi si svolgono, infatti, vari esperimenti, basati su diverse tecnologie, che hanno tutti come obiettivo quello di rivelare gli urti delle particelle di materia oscura sui nuclei del materiale-bersaglio del rivelatore.  
In particolare, il rivelatore DarkSide si basa sull’utilizzo dell’Argon-40 come mezzo di interazione: è costituito da una camera a proiezione temporale (Time Projection Chamber, TPC) bifasica, ad Argon liquido e gassoso. 
I risultati di un rivelatore prototipo in operazione presso i Laboratori sin dal 2013 hanno già raggiunto la sensibilità migliore al mondo per la ricerca di particelle di materia oscura di bassa massa. 

Il prossimo rivelatore, DarkSide-20k, è stato pensato per realizzare il programma più ambizioso di ricerca e scoperta della materia oscura. Entrerà in operazione nel 2022, e richiederà l’utilizzo di 120 tonnellate di argon processate dall’impianto ARIA. Quindi, il progetto ARIA svolge un ruolo fondamentale nella strategia di possibile scoperta della materia oscura tramite rivelatori ad Argon. L’unicità e le prospettive del progetto hanno permesso di riunire scienziati provenienti da tutto il mondo per formare un’unica collaborazione internazionale che raccoglie tutti i ricercatori che hanno finora sviluppato rivelatori ad argon per la materia oscura: è la Global Argon Dark Matter Collaboration, il cui primo passo è il programma DarkSide ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso.

Il progetto ARIA e le sue svariate applicazioni

Come sempre accade nella ricerca, dalla realizzazione di esperimenti per la comprensione dei fenomeni che ci circondano derivano svariate ricadute tecnologiche per applicazioni in diversi ambiti.
Tra queste, il progetto ARIA consentirà di realizzare studi pilota per la produzione degli isotopi stabili ⁷⁶Ge, ⁸²Se, e ¹³⁶Xe, di interesse per i programmi di ricerca sul neutrino svolti sempre ai Laboratori INFN del Gran Sasso.

Inoltre, ARIA con la collaborazione di INFN, Princeton, Università di Cagliari e Carbosulcis  permetterà la sperimentazione e lo sviluppo della nuova tecnologia per la successiva produzione su larga scala di isotopi stabili di interesse commerciale, come ¹³C, ¹⁵N, e ¹⁸O, che trovano impiego per esempio in medicina e hanno un mercato internazionale di grande rilievo.

Le miniere di carbone: una preziosa risorsa per la produzione della spirulina

Spirulina è il nome di una biomassa essiccata che si ricava dalla raccolta della cosiddetta “alga spirulina” (Arthrospira platensis). Negli ultimi anni la spirulina ha acquisito molta importanza come integratore e additivo alimentare. Inoltre può essere utilizzata anche come ingrediente complementare nei mangimi per l’acquacoltura.

La spirulina è coltivata commercialmente in grandi canali d’acqua all’aperto, tuttavia tali culture sono soggette alle fluttuazioni giornaliere della temperatura dell’acqua, che dipendono dalla posizione geografica, dalla stagione e dalla strategia di gestione. La temperatura costante, le condizioni alcaline elevate e l’irradiazione luminosa elevata sono i principali fattori ambientali che influenzano la produttività e la composizione della biomassa. Per questi motivi, è stata progettata e costruita un’ampia varietà di fotobioreattori che utilizza l’acqua geotermica pompata da miniere di carbone per riscaldare una cultura di spirulina al valore ottimale. Uno dei principali vantaggi di questo sistema di coltura è il miglior profilo di temperatura della cultura durante il giorno e durante l’anno che consente di prolungare il periodo di produzione.

Di seguito potete trovare alcuni riferimenti video e della carta stampata in cui si parla del progetto.

1. Presentazione del progetto ARIA presso il Rettorato dell’Università degli studi di Cagliari. Dal minuto 10:40 (circa) Il Professor Cristian Galbiati (Princeton University e GSSI) parla del progetto
   https://www.youtube.com/watch?v=pC46EaC9I0U 
   
2. Descrizione di ARIA (fonte sito Carbosulcis, partner del progetto)
   https://www.carbosulcis.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=75&Itemid=278
   
3. TG3 Sardegna – Buongiorno Regione – RAI
   Novembre 2019 – Esperimento DarkSide: intervengono il premio nobel per la fisica Arthur McDonald e il Professor Cristian Galbiati della Princeton University, responsabile del progetto.
   Progetto ARIA: intervista a Walter Bonivento, ricercatore presso la sezione di Cagliari INFN e responsabile locale dell’esperimento e Alberto Masoni, direttore della sezione di Cagliari INFN.
   
4. Progetto ARIA: intervista al Professor Cristian Galbiati della Princeton University e responsabile del progetto e il Vice Ministro allo sviluppo economico Stefano Buffagni.
5. Articolo sul Progetto ARIA a cura della testata giornalistica Unione Sarda
   https://www.unionesarda.it/articolo/cultura/2019/11/16/progetto-aria-la-ricerca-scientifica-per-rilanciare-le-vecchie-ar-8-953486.html
   
6. Servizio sul Progetto ARIA a cura della rete televisiva Videolina
   https://www.videolina.it/articolo/tg/2020/08/14/carbosulcis_dalle_miniere_all_universo_il_futuro_si_chiama_aria-78-1049814.html
   
7. Articolo su rassegna stampa a cura di UNICA (Università degli studi di Cagliari)
   https://www.unica.it/unica/page/it/domenica_17_novembre_2019?contentId=RST202570
   
8. Articolo e video sulla visita della vice ambasciatrice degli Stati Uniti d’America presso il sito di Nuraxi Figus per il Progetto ARIA
   https://www.laprovinciadelsulcisiglesiente.com/wordpress/2018/03/la-vice-ambasciatrice-degli-stati-uniti-ha-visitato-la-carbosulcis-nellambito-del-progetto-aria/
   
9. Articolo sul Sole24Ore
   https://amp24-ilsole24ore-com.cdn.ampproject.org/c/s/amp24.ilsole24ore.com/pagina/AEXsury
   
10. Intervista a TGR Leonardo e al TG regionale RAI  14/4/2022
    https://wpress.ca.infn.it/wp-content/uploads/2022/05/aria.mp4
11. Materia oscura, distillato il primo argon nelle miniere della Carbosulcis. Il Presidente Solinas: “Straordinario risultato che conferma come la Sardegna sia il luogo ideale per gli investimenti in ricerca e alta tecnologia”.
    https://www.regione.sardegna.it/notizie/materia-oscura-distillato-il-primo-argon-nelle-miniere-della-carbosulcis-il-presidente-solinas-straordinario-risultato-che-conferma-come-la-sardegna-sia-il-luogo-ideale-per-gli-investimenti-in-ricerca-e-alta-tecnologia
    
    

COMUNICATO STAMPA FAMELAB 25/03/2020

FameLab, la scienza che non si ferma

Proclamati i vincitori in Sardegna

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Si è concluso il 23 marzo il FameLab Sardegna, selezione regionale della competizione FameLab, il talent show internazionale per la divulgazione scientifica

Alla competizione regionale hanno partecipato 20 studentesse, studenti e ricercatori di discipline scientifiche da tutta l’isola che si sono confrontati durante le preselezioni nelle città di Sassari e Cagliari nel mese di febbraio. La finale regionale si sarebbe dovuta svolgere a Nuoro il 12 marzo, ma a causa dell’emergenza coronavirus gli organizzatori e i protagonisti hanno proseguito in modalità telematica. Nonostante tutte le difficoltà, si è giunti alla conclusione della gara e alla proclamazione dei vincitori.

Al primo posto si è classificato Giovanni Rivieccio (Università di Sassari), già vincitore della preselezione sassarese, con una brillante performance sulla diffusione di specie aliene che minacciano la biodiversità negli ecosistemi locali.

Seconda Alice Mulliri (Università di Cagliari e INFN Cagliari) che per tre minuti ha parlato delle ricerche e del sacrificio di Marie Curie.

Infine, Alessandro Loni (Università di Cagliari e INAF – OAC), che aveva vinto la preselezione di Cagliari, è arrivato al terzo posto con un talk sull’idrogeno presente nelle galassie e sulle possibilità che abbiamo di poterlo osservare.

I partecipanti dovevano illustrare un argomento scientifico in un talk di 3 minuti senza l’ausilio di slide o video, mentre l’uso di oggetti e strumenti musicali era consentito. Durante le preselezioni, oltre alla giuria tecnica, è stata coinvolta una giuria di studenti delle scuole superiori. Nella fase finale telematica i giovani ricercatori sono stati giudicati da una giuria scientifica.

Ne facevano parte il giornalista Mauro Scanu, l’astrofisico Gian Nicola Cabizza e la biologa Alessia Zurru, tutti con esperienza ultradecennale nell’ambito dell’educazione e della divulgazione della scienza. I giurati hanno valutato secondo il criterio delle tre “C”: contenuto, chiarezza e carisma.

I primi due classificati accedono alla masterclass in divulgazione con tutti i finalisti nazionali e alla finale nazionale, in programma a Trieste. Agli altri finalisti va il plauso degli organizzatori e dei giurati, per essersi messi alla prova in un contesto non certo semplice come quello attuale. Tutti sono stati molto abili nel dimostrare la propria passione per la scienza e la comunicazione. Questi i loro nomi: Davide Rozza (UNISS), Nassila Ghida (UNICA e EPAU, Algeri), Anna Giagu (UNISS), Valentina Ghiani (UNICA), Alex Chauvin (UNICA e INFN Cagliari).

Anche in tempi di grande difficoltà, la scienza in Sardegna non si ferma: questa è la notizia più importante.

I video di tutti i partecipanti saranno pubblicati sul canale youtube di FameLab Italia.

La selezione FameLab Sardegna è stata promossa e organizzata dalla sezione di Cagliari dell’INFN, dall’Università degli Stud di Sassari, dal Dipartimento di Fisica e PLS dell’Università degli Studi di Cagliari, dall’INAF – Osservatorio Astronomico di Cagliari, dal Comune di Nuoro e dal Consorzio universitario Nuorese, in collaborazione con PLS dell’Università di Sassari, Sardegna Teatro, CRS4, IDeAS e Laboratorio Scienza.

Ideato nel 2005 dal Cheltenham Science Festival, FameLab coinvolge oggi oltre 30 paesi in tutto il mondo e dal 2012 si svolge in Italia grazie alla collaborazione tra Psiquadro, coordinatore nazionale, e British Council Italia, l’ente culturale britannico che ne ha promosso la diffusione a livello globale.

Dal 2012 ad oggi FameLab Italia ha toccato 20 città e coinvolto oltre 900 giovani ricercatori grazie ad una collaborazione con più di 70 partner culturali tra Università, Istituti di Ricerca e enti pubblici, società di comunicazione della scienza, musei e media partner. 

FAMELAB 2020 ha coinvolto 15 città nelle quali sono stati selezionati i 22 finalisti che parteciperanno alla masterclass in comunicazione della scienza in vista della finale nazionale di Trieste e della finale internazionale di Cheltenham (UK).

Scuola di Alghero

Il Seminario è organizzato in unità didattiche su software sviluppato e utilizzato in fisica fondamentale e applicata, teorica e sperimentale.

Sito Web della Scuola

21 Settembre 2018

NEL SULCIS-IGLESIENTE C’È ARIA DI INNOVAZIONE

Dalla ricerca della materia oscura alla produzione di isotopi per la diagnostica medica: si inaugura il nuovo progetto per la distillazione dell’argon, un’infrastruttura di ricerca che porterà scienza e tecnologia d’avanguardia nella miniera di Monte Sinni

Nasce dalla ricerca di base, in particolare dalla fisica fondamentale, per rispondere a un’esigenza sperimentale: avere a disposizione grandi quantità di argon, ricavato attualmente solo da pozzi di gas del Colorado, negli Stati Uniti, per la ricerca di materia oscura. Ma in futuro potrebbe servire anche per la distillazione di altri isotopi sempre più impiegati in medicina, sia nella diagnostica avanzata sia nella terapia oncologica, e anche nelle scienze ambientali e agricole. Il progetto ARIA è stato inaugurato oggi, 21 settembre, in Sardegna, nella miniera di Monte Sinni, nel Sulcis-Iglesiente, dall’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, promotore scientifico del progetto assieme alla Princeton University, dalla Regione Autonoma della Sardegna e dalla Carbosulcis, società partecipata della Regione Sardegna che gestisce l’impianto minerario. Il progetto consiste nella realizzazione di una torre di distillazione criogenica per la produzione di isotopi stabili di altissima purezza. L’impianto sarà il primo di questo tipo in Europa, e il primo al mondo realizzato con la tecnologia innovativa che dovrebbe permettere il raggiungimento di prestazioni mai ottenute in precedenza. In questa fase del progetto l’INFN ha già investito 6 milioni di euro, la Regione Sardegna ha partecipato con 2 milioni e 700 mila euro e Carbosulcis ha contribuito già per l’adeguamento dell’infrastruttura mineraria con una spesa di oltre 1 milione e 500 mila euro ed ha in corso un investimento di oltre 2 milioni di euro per l’installazione dell’impianto nel pozzo Seruci 1.

“ARIA è un progetto – sottolinea Fernando Ferroni, presidente dell’INFN –  che dimostra in maniera trasparente la capacità del sistema scientifico, politico, industriale, quando felicemente coordinato, di costruire delle infrastrutture che hanno una grande potenzialità a largo spettro e foriere di potenziali importanti ricadute sociali”.

“È un progetto sul quale abbiamo investito finanziamenti importanti, energie, risorse umane”, spiega il presidente della Regione Francesco Pigliaru. “Ne ho seguito direttamente i primi passi e oggi ci troviamo a un traguardo intermedio che soddisfa tutte le nostre aspettative iniziali. La Sardegna – prosegue il Presidente -, oltre che sede ideale dal punto di vista delle esigenze infrastrutturali, sta dimostrando di essere un partner affidabile, in grado di parlare il linguaggio dell’innovazione, della ricerca e delle nuove tecnologie in un’iniziativa che coinvolge tante eccellenze internazionali. Molto interessanti, poi, sono le prospettive industriali e commerciali. Giovani lavoratori e ricercatori sardi sono già impegnati in questo progetto che, mostrando le potenzialità inedite di un settore critico diventa per il territorio un esempio eloquente di trasformazione in positivo.”

“La realizzazione del progetto, di grande valenza tecnologica e simbolica, si inserisce nella visione alla base della ristrutturazione aziendale a seguito del Piano di chiusura della miniera, che si completa quest’anno, indirizzata al riuso delle infrastrutture minerarie per finalità diverse da quelle originarie, ma sempre caratterizzate da un alto contenuto industriale, con l’obiettivo di valorizzare le competenze delle risorse umane presenti in azienda al fine di tutelarne il futuro”, commenta Antonio Martini, amministratore unico della Carbosulcis S.p.A..

“Il progetto ARIA è cruciale per la strategia di ricerca della materia oscura della Collaborazione DarkSide, e siamo entusiasti che il Sulcis-Iglesiente giochi un ruolo di primo piano in questo ambizioso progetto scientifico di assoluta rilevanza internazionale”, commenta Cristian Galbiati, ricercatore ai Laboratori INFN del Gran Sasso, professore alla Princeton University e al GSSI Gran Sasso Science Institute, e coordinatore del progetto DarkSide. “E la sfida è altrettanto interessante dal punto di vista del possibile piano di sviluppo industriale e di trasferimento tecnologico, – prosegue Galbiati – perché con ARIA potremmo stabilire un nuovo ciclo produttivo, che tenga viva la straordinaria tradizione mineraria del Sulcis-Iglesiente”. “Carbosulcis si è sin da subito proposto come un partner essenziale grazie alle grandi competenze tecnologiche dei suoi ingegneri e tecnici in ogni fase del progetto, determinanti per il suo successo”, conclude Galbiati.

“Il progetto ARIA, che abbiamo finanziato con grande convinzione, è un pezzo importante del programma di ricerca e innovazione su cui la Regione sta fortemente investendo”, dice l’assessore della Programmazione Raffaele Paci. “Un programma che funziona, come dimostrano le numerose collaborazioni che in questi anni abbiamo avviato con i più importanti istituti di ricerca nazionali per progetti come quelli nella miniera di Sos Enattos a Lula, che si è candidata per ospitare un laboratorio europeo per lo studio delle onde gravitazionali, il progetto legato a Sotacarbo o quello di San Basilio con il Radiotelescopio. La ricerca e l’innovazione tecnologica sono gli strumenti più importanti che abbiamo a disposizione per costruire il nostro futuro, superare i limiti imposti dall’insularità e creare occasioni di sviluppo e lavoro, attraverso progetti ambiziosi come quello che presentiamo oggi”, conclude il vicepresidente.

“Con questo progetto stiamo indicando la strada che conduce a un nuovo modello di Industria in Sardegna, dichiara l’assessora regionale dell’Industria Maria Grazia Piras. L’isola, infatti, si conferma il luogo ideale per realizzare progetti coraggiosi e all’avanguardia. L’intervento a Nuraxi Figus rientra nel piano di dismissione della miniera: non solo stiamo rispettando i tempi previsti ma abbiamo messo anche le basi per costruire, con un piano industriale articolato e programmi di ricerca avanzata, nuove opportunità di lavoro per i giovani. Alla Regione il compito di accompagnarli in questo nuovo percorso attraverso una formazione adeguata e altamente specializzata”.

“ARIA sarà un’infrastruttura di ricerca nata per la ricerca di base ma di importanza strategica, soprattutto a livello regionale, anche per le ricadute che le tecnologie utilizzate avranno per la riqualificazione di un sito minerario in via di dismissione che vedrà parte del suo personale riassorbito in nuove attività”, commenta Speranza Falciano, vicepresidente dell’INFN che segue i progetti di trasferimento tecnologico. “Date le molteplici applicazioni degli isotopi stabili che l’impianto produrrà, – prosegue Falciano – lo spin-off di questa tecnologia, la distillazione criogenica, permetterà uno sviluppo industriale del sito minerario con un impatto importante sulle imprese del territorio e sui centri di ricerca della Regione Sardegna, a partire dalle Università, e i settori che ne tratterrebbero beneficio vanno dalla diagnostica medica, con particolare riferimento allo screening avanzato di diverse patologie, all’energia pulita, dall’eco-sostenibilità, all’agricoltura”.