Bussola solare elettro-ottica di elevata precisione e basso costo

9297f61c-55d3-4966-9d5b-b776dd692078Autori del lavoro candidato: Paolo Di Lazzaro, Sarah Bollanti, Daniele Murra, Luca Mezi, Francesco Flora, Domenico De Meis, Davide  Vicca, Amalia Torre, Gian Piero Gallerano

SINTESI CONTENENTE UNA BREVE DESCRIZIONE DEL LAVORO SVOLTO E DEI RISULTATI OTTENUTI: In numerose applicazioni è necessario determinare con precisione l’orientamento della direzione di osservazione di un punto rispetto alla direzione Nord. Da sempre, a questo scopo si sono usate bussole magnetiche, le quali soffrono limiti di accuratezza e di precisione. Infatti, il Nord magnetico si muove e cambia la sua posizione di centinaia di metri ogni anno, e non coincide mai con il Nord geografico. Spostamenti della direzione del Nord magnetico su breve scala temporale (anche giornaliera) possono essere causati da variazioni dell’attività solare. Di conseguenza, l’accuratezza ottenibile con una bussola magnetica è variabile a seconda della latitudine e del momento della misura, e inoltre risente della eventuale presenza di materiali ferromagnetici nei dintorni: nel migliore dei casi si ottiene una precisione di circa un grado. Un metodo per aumentare l’accuratezza della misura del Nord geografico consiste nell’utilizzare la posizione del Sole rispetto all’osservatore. Sono state realizzate diverse bussole solari che si basano sulla posizione del Sole e sulla consultazione delle tavole astronomiche, ma un’attenta ricerca dei brevetti esistenti mostra che i migliori modelli hanno un’accuratezza non migliore di un decimo di grado. In questo contesto, abbiamo progettato, realizzato e brevettato una Bussola solare elettro-ottica innovativa, che migliora di un ordine di grandezza la precisione delle bussole solari disponibili sul mercato e di due ordini di grandezza la precisione delle bussole magnetiche. Tecnicamente, la Bussola solare elettro-ottica è costituita da un sensore CCD o CMOS su cui viene proiettata una riga di luce che corrisponde all’immagine del Sole prodotta da una fenditura posta ad una distanza opportuna dal sensore stesso. Il rapporto tra apertura della fenditura e distanza dal sensore è scelto in modo da minimizzare effetti ottici diffrattivi che tendono ad allargare la riga, tenendo conto della risoluzione spaziale del sensore. La posizione della riga di luce sul sensore viene acquisita da un microprocessore collegato ad un rilevatore GPS in grado di fornire le coordinate del luogo e l’ora di Greenwich. Questa particolare configurazione ottica (fenditura e sensore solidali e in clinate a 45° rispetto al piano orizzontale), insieme all’uso di un innovativo algoritmo basato sull’inversione delle leggi di Keplero, rappresentano due degli elementi di novità della Bussola e consentono di rilevare la direzione del Sole rispetto al piano verticale in cui giace la fenditura con un’accuratezza migliore di un centesimo di grado e, quindi, di misurare con analoga accuratezza la direzione puntata da un cannocchiale solidale con la stessa Bussola. A partire dalle coordinate della bussola e dall’ora di Greenwich, il microprocessore ottiene il Tempo Vero del luogo, e da questo determina sia l’angolo di rotazione del Sole intorno all’asse terrestre rispetto al piano del meridiano del luogo, sia il valore dell’angolo che il Sole forma rispetto al piano dell’equatore (elevazione). Questi due valori, tramite un software dedicato, consentono di conoscere la posizione del Sole rispetto al Nord geografico, e di conseguenza anche la direzione di rilevamento di un qualsiasi punto osservabile. L’accuratezza di un comune GPS nel rilevare la posizione (circa 10 metri, ovvero sei millesimi di grado in termini di longitudine o latitudine) è più che sufficiente per garantire alla Bussola l’accuratezza richiesta. Tutta l’elaborazione dati del microprocessore avviene automaticamente e in tempo reale, fornendo in pochi secondi la direzione del punto osservato rispetto al Nord geografico. Abbiamo effettuato numerose campagne sperimentali per verificare la precisione della Bussola ENEA, misurando l’orientamento di vari oggetti distanti da un minimo di 5 chilometri fino a un massimo di 54 chilometri e confrontando i dati con le coordinate geografiche degli stessi oggetti ricavate da mappe Google e Faureragani, corrette tenendo conto del modello ellissoidale della Terra. La differenza massima tra le coordinate fornite dalla Bussola e le coordinate geografiche è pari a un centesimo di grado, cioè lo stesso ordine di grandezza della precisione dalle mappe consultate. Quindi, per conoscere l’effettivo errore introdotto dalla Bussola, abbiamo misurato l’orientamento di due punti georeferenziati dell’Istituto Geografico Militare, distanti tra loro 50 metri, la cui posizione è conosciuta con un errore di 1 millimetro (corrispondente ad un errore angolare di circa un millesimo di grado) ottenendo uno scostamento rispetto al vero orientamento pari ad 1/300 (un trecentesimo) di grado, che è la precisione massima sinora ottenuta dalla Bussola ENEA. I vantaggi della Bussola solare elettro-ottica ENEA rispetto ai sistemi di orientamento disponibili sul mercato, sono i seguenti: • Non fa uso di elementi rifrattivi per determinare la posizione del Sole nel cielo (che introducono errori a causa dell’aberrazione ottica) né di sistemi che si basano sull’ombra (che soffrono di imprecisioni a causa della penombra) e ciò migliora l’accuratezza della misura. • Utilizza una fenditura che lascia passare una riga di luce piuttosto che un foro che lasci passare un cerchio di luce; questo consente di mediare l’intensità della riga di luce lungo le colonne del sensore CCD e quindi di abbattere l’errore elettronico dello stesso sensore. • Ha un’accuratezza sperimentale migliore di un centesimo di grado, cento volte più precisa delle bussole magnetiche, e dieci volte più precisa delle bussole solari elettroniche disponibili sul mercato. • Fenditura e CCD sono solidali e inclinate di 45° rispetto al piano orizzontale, consentendo di effettuare la misura in tutte le ore del giorno (dall’alba al tramonto) purché il disco del Sole sia visibile. • Calcola la posizione del Sole tramite un innovativo algoritmo che risolve analiticamente le leggi di Keplero anziché utilizzare tabulati, effemeridi, etc. Di conseguenza, non è necessario l’intervento umano, né l’uso di computer, e il software non ha bisogno di essere periodicamente aggiornato. • Può essere usata per l’orientamento su altri pianeti, perché l’algoritmo sviluppato può essere adattato a qualunque pianeta del sistema solare. In tal caso i parametri astronomici vanno riferiti al pianeta in questione ed il GPS dovrà essere sostituito dalle coordinate geografiche locali e da un orologio che segni l’ora locale. • E’ compatta (6x6x6 centimetri cubici), leggera (400 grammi) ed ha un costo di realizzazione molto contenuto (minore di 100 euro). • Il funzionamento è automatico e non richiede la presenza di un operatore. L’unica condizione necessaria e sufficiente per il funzionamento della Bussola solare è che il Sole sia visibile. Quindi, non può essere usata di notte e nemmeno in caso di cielo completamente coperto da nubi, anche se stiamo studiando nuovo modello in grado di funzionare in presenza di nubi spesse grazie a sensori sensibili alla zona spettrale del TeraHertz, in grado di rivelare la posizione del disco solare dietro le nubi. Nel caso di Sole parzialmente coperto, la Bussola solare elettro-ottica fornisce comunque una misura affidabile del Nord geografico. Le misure effettuate prima durante e dopo l’eclisse parziale di Sole del 20 Marzo 2015 dimostrano che quando il 54% del disco solare è coperto la Bussola ENEA mostra uno scostamento di otto centesimi di grado rispetto alla misura con disco solare pieno. Questo errore è ancora decisamente migliore degli errori introdotti da bussole magnetiche (circa 1 grado). Inizialmente, la Bussola solare ENEA è stata ideata per mi gliorare l’efficienza di produzione di energia generata negli impianti solari a concentrazione. Infatti, l’uso della Bussola consente di raggiungere un’elevata precisione di orientamento degli specchi dell’impianto, che è di primaria importanza perché un piccolo errore nell’allineamento dell’asse degli specchi comporta una riduzione dell’efficienza del processo di produzione di energia, e per questo l’uso della Bussola ENEA ad elevata precisione comporta un miglioramento complessivo dell’energia prodotta dall’impianto. Inoltre, la Bussola ENEA consente di semplificare notevolmente l’installazione dell’impianto solare (e conseguente riduzione dei costi), perché ogni anomalia di orientamento rispetto al progetto viene rilevata dalla Bussola e inclusa nel calcolo della movimentazione degli specchi stessi. In un impianto dotato di numerosi specchi, inoltre, data la bassa incidenza del costo del dispositivo ENEA, si può installare una Bussola su ogni s pecchio, in modo da ovviare alla necessità di allineare perfettament e tutti gli specchi tra di loro e dotandoli di un autonomo sistema di movimentazione. In realtà, la possibilità di individuare rapidamente e in modo automatico il Nord geografico con una precisione migliore di un centesimo di grado può portare vantaggi in gran parte delle attività che richiedono di individuare con esattezza l’orientamento di oggetti. Una lista dei campi di applicazione industriale comprende: Rilevamento: montata su un teodolite o stazione totale, la bussola solare fornisce lo zero assoluto al goniometro azimutale del teodolite/stazione. Impianti solari a concentrazione: montata (permanentemente) su una delle basi portanti del sistema di movimentazione degli elementi ottici di un impianto solare termodinamico o fotovoltaico a concentrazione, la bussola può svolgere una doppia funzione: a) rilevare periodicamente l’azimut della base; b) inviare continuamente ai motori di movimentazione-ottiche i valori angolari per il corretto puntamento verso il sole. Installazione di basi RADAR aeroportuali: consente di orientare correttamente la base del Radar. Metrologico: può fungere da campione primario per la taratura di dispositivi che misurino l’azimut (bussole magnetiche, elettroniche, giroscopiche,….). Navale: in corso lo studio per una variante in grado di funzionare su mezzi mobili. Spazio: Orientamento di sistemi di movimentazione su altri pianeti del sistema solare. Ad oggi, la Bussola solare elettro-ottica è stata usata con successo nelle seguenti applicazioni: • Allineamento Nord-Sud dell’asse degli specchi parabolici di impianti solari a concentrazione sviluppati da ENEA (presso il Centro Ricerche Casaccia, RM) nell’ambito di Progetti Internazionali. • Feedback attivo per riorientare gli specchi parabolici di impianti solari a concentrazione installati da D.D. S.r.l. (UD) a scopo commerciale, e da MAD S.r.l. (FR) in modo da ottimizzare la radiazione solare raccolta anche in presenza di errori di allineamento nella pregressa installazione. • Rilevamento topografico di pozzi artesiani e orientamento di laboratori mobili su autoveicoli nell’ambito di una collaborazione con ACEA ATO S.p.A. che ha permesso un netto miglioramento della precisione del rilievo topografico rispetto alla costosa tecnica che utilizza sistemi GPS Rover, la cui precisione viene peggiorata dalla presenza di rilievi collinari nelle vicinanze.